西門子plc工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例解析

強大的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的徹底結(jié)合改變了傳統(tǒng)的信息管理方式，建企業(yè)的生產(chǎn)管理帶入到一個全新的境界。

一般而言，企業(yè)的通信網(wǎng)絡(luò)可劃分為3級，及企業(yè)級、車間級和現(xiàn)場級。

在應(yīng)用較多的西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)解決方案的范疇內(nèi)使用了許多通信技術(shù)。在通信、組態(tài)、編程中，除了上圖中提到的工業(yè)以太網(wǎng)和 PROFIBUS之外，還需要使用其他一些通信技術(shù)。

下面對 SIMATIC NET逐一進行簡要介紹。

1)、MPI(Multi- Point Interface，多點接口)協(xié)議

MPl通信用于小范圍、小點數(shù)的現(xiàn)場級通信。MPI是為S7/M7和C7 PLC 系統(tǒng)提供的多點接口，它設(shè)計用于可編程序設(shè)備的接口，也可以用來在少數(shù)CPU之間傳遞少量數(shù)據(jù)。

1、MPI網(wǎng)絡(luò)

MPI是多點接口( Multi Point Interface)的縮寫，每個 SIMATIC CPU的第一個通信接口都集成了MPI通信協(xié)議。

MPI的物理層是RS485，最大傳輸速率為12 Mbit/s，默認的傳輸速率為187.5kbi/s。PLC通過MPI能同時連接運行STEP7的編程器/計算機(PGPC)、人機界面(HM)、SIMATIC S7、M7和C7。每個CPU可以使用的MPI連接總數(shù)與CPU的型號有關(guān)，為6~64個，例如，CPU312為6個，CPU417為64個

2) 、PROFTBUS
PROFIBUS符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC6158，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，并以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支出和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，成為現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解決方案，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)已突破1000萬個，在現(xiàn)場總線領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。

PROFIBUS協(xié)議主要由3部分組成：PROFIBUS-DP、 PROFIBUS-PA和 PROFIBUS-FMS

1、PROFIBUS-DP

DP是 Decentralized Periphery(分布式外部設(shè)備)的縮寫，PROFIBUS-DP(簡稱為DP)主要用于制造業(yè)自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信，特別適合于PLC與現(xiàn)場級分布式I/O備之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換。DP是 PROFIBUS中應(yīng)用最廣的通信方試。

PROFIBUS-DP用于連接下列設(shè)備：PLC、PC和HM設(shè)備：分布式現(xiàn)場設(shè)備，例如SIMATIC ET200和變頻器等設(shè)備，PROFIBUS-DP的響應(yīng)速度快，很適合在制造業(yè)使用。

作為PLC硬件組態(tài)的一部分，分布式I/O(例如ET200)用STEP7來組態(tài)。通過供貨方提供的GSD文件，可以用STEP7將其他制造商生產(chǎn)的從站設(shè)備組態(tài)到網(wǎng)絡(luò)中。

有的S7-300/400 CPU配備有集成的DP接口，S7-200/300/400也可以通過通信處理器(CP)連接到 PROFIBUS-DP。

2、PROFIBUS-PA

PA是 Process Automation(過程自動化)的縮寫，PROFIBUS-PA用于PLC與本質(zhì)安全過程自動化的現(xiàn)場傳感和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸，特別適合于過程工業(yè)使用。PROFIBUS-PA功能集成在起動執(zhí)行器、電磁閥和測量變送器等現(xiàn)場設(shè)備中。

PROFIBUS-PA由于采用了IEC1582標(biāo)準(zhǔn)，確保了本質(zhì)安全和通過屏蔽雙絞線電纜進行數(shù)據(jù)傳輸和供電，可以用于防爆區(qū)域的傳感器利執(zhí)行器與中央控制系統(tǒng)的通信。

PA設(shè)備可以在下列防爆區(qū)域運行：

Zone 0：危險的瓦斯氣體經(jīng)常長期存在的區(qū)域。

Zone 1：在正常運行期間，有可能存在危險的瓦斯氣體的區(qū)域。

Zone 2：不希望在正常運行期間存在危險的瓦斯氣體的區(qū)域。

傳感器/執(zhí)行器安裝生產(chǎn)現(xiàn)場，而偶爾器和控制等設(shè)備則安裝在控制器等設(shè)備這安裝在控制室內(nèi)。即使總線上的設(shè)備不在危險的現(xiàn)場，也必須通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)保證它們的本質(zhì)安全特性。使用DP/PA耦合器和DP/PA連接器，可以將PROFIBUS-PA設(shè)備很方便地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。

3、PROFIBUS-FMS

FMS是 Field Message Specification(現(xiàn)場總線報文規(guī)范)的縮寫，用于系統(tǒng)級和車間但級不同供應(yīng)商的自動化系統(tǒng)之間交換過程數(shù)據(jù)，處理單元級(PLC和PC的多主站。

據(jù)通信PROFIBUS-FMS定義了主站與主站之間的通信模型，它使用OSI七層模型的第1、2層和第7層。S7-300400使用通信FB來實現(xiàn)FMS服務(wù)，用STEP7組態(tài)FMS靜態(tài)連接來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。PROFIBUS-FMS已經(jīng)基本上被以太網(wǎng)通信取代，現(xiàn)在很少使用。

3)、工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是為工業(yè)應(yīng)用而專門設(shè)置的，它是一種符合遵循IE802.3國際標(biāo)準(zhǔn)的開放式、多供應(yīng)商、高性能的區(qū)域和單元級網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)將自動化系統(tǒng)的各個工作站互相連接，同時還可以連接計算機，是一種高速開放網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)是目前工控界最為流行的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為SIMATIC NET提供了無縫集成到多媒體世界的途徑。

選擇正確的工業(yè)以太網(wǎng)要考慮哪些因素?簡單的來說，要從工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議、電源、通信速率、工業(yè)環(huán)境認證考慮、安裝方式、外殼對散熱的影響、簡單通信功能和通信管理功能、電口或光口的考慮。信號強弱、端口設(shè)置、出錯報警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、環(huán)網(wǎng)冗余、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)、端口鏡像等等其他工業(yè)以太網(wǎng)管理交換機中可以提供的功能。

從快速生成樹冗余(RSTP)、環(huán)網(wǎng)冗余(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM)，工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備包括以下幾個重要部分。

工業(yè)以太網(wǎng)集線器

工業(yè)以太網(wǎng)非管理型交換機

工業(yè)以太網(wǎng)管理型交換機

工業(yè)以太網(wǎng)管理型冗余交換機
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高級的管理型冗余交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩(wěn)定性、安全性方面嚴(yán)格要求的冗余系統(tǒng)進行了設(shè)計上的優(yōu)化。構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP;環(huán)網(wǎng)冗余RapidRingTM以及Trunking。

1、工業(yè)以太網(wǎng) STP及RSTP

STP(Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE 802.1D)，是一個鏈路層協(xié)議，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)生。它強令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞(blocked)狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結(jié)構(gòu)能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間為30-60s之間。RSTP(快速生成樹算法，IEEE 802.1w)作為STP的升級，將網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間，縮短到1-2s。生成樹算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，但也存在恢復(fù)速度慢的缺點。

2、工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余

為了能滿足工控網(wǎng)絡(luò)實時性強的特點，RapidRing孕育而生。這是在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中使用環(huán)網(wǎng)提供高速冗余的一種技術(shù)。這個技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)在中斷后300ms之內(nèi)自行恢復(fù)。并可以通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設(shè)置等方法來提醒用戶出現(xiàn)的斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開。

RapidRingTM也支持兩個連接在一起的環(huán)網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)拓樸更為靈活多樣。兩個環(huán)通過雙通道連接，這些連接可以是冗余的，避免單個線纜出錯帶來的問題。

3、工業(yè)以太網(wǎng)主干冗余

將不同交換機的多個端口設(shè)置為Trunking主干端口，并建立連接，則這些工業(yè)以太網(wǎng)交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡(luò)帶寬，增強了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且還還提供了另外一個功能，即冗余功能。如果網(wǎng)絡(luò)中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問題，那么網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網(wǎng)絡(luò)的通訊正常。

Trunking主干網(wǎng)絡(luò)采用總線型和星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，理論通訊距離可以無限延長。該技術(shù)由于采用了硬件偵測及數(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間達到了新的高度，一般恢復(fù)時間在10ms以下。
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4)、點對點連接( Point-to- Point Connection)
嚴(yán)格來說，點對點連接并不是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在 SIMATIC中，點對點連接通過串口連接模塊來實現(xiàn)典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485，它們定義了電壓,阻抗等，但不對軟件協(xié)議給予定義，區(qū)別于RS232, RS485的特性包括：

1、RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。

2、RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps 。

3、RS-485接口強，即抗噪聲干擾性好。

4、RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實際上可達 3000米(理論上的數(shù)據(jù)，在實際操作中，極限距離僅達1200米左右），另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。
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