現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)第五章_第1頁
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第5章工業(yè)以太網(wǎng)5.1概述5.2典型的工業(yè)以太網(wǎng)實時通訊技術(shù)5.3基于S7-300PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信5.4基于以太網(wǎng)和嵌入式WebServer的控制器開發(fā)3/15/2023

第5章工業(yè)以太網(wǎng)5.1概述

以太網(wǎng)技術(shù)的思想淵源最早可以追溯到1968年。以太網(wǎng)的核心思想是使用共享的公共傳輸信道,這個思想源于夏威夷大學(xué)。在局域網(wǎng)家族中,以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)也是當(dāng)前主要應(yīng)用的一種局域網(wǎng)(LAN——LocalAreaNetwork,局域網(wǎng))類型。目前的以太網(wǎng)按照傳輸速率大致分為以下四種:(1)10Base-T以太網(wǎng)——傳輸介質(zhì)是銅軸電纜,傳輸速率為10Mbit/s;(2)快速以太網(wǎng)——傳輸速率為100Mbit/s,采用光纜或雙絞線作為傳輸介質(zhì),兼容10Base-T以太網(wǎng);3/15/2023(3)Gigabit以太網(wǎng)——擴展的以太網(wǎng)協(xié)議,傳輸速率為1Gbit/s,采用光纜或雙絞線作為傳輸介質(zhì),基于當(dāng)前的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),兼容10Mbit/s以太網(wǎng)和100Mbit/s以太網(wǎng)的交換機和路由器設(shè)備;(4)10Gigabit以太網(wǎng)——2002年6月發(fā)布,是一種速度更快的以太網(wǎng)技術(shù)。支持智能以太網(wǎng)服務(wù),是未來廣域網(wǎng)(WAN——WideAreaNetwork)和城域網(wǎng)(MAN——MetropolitanAreaNetwork)的寬帶解決方案。5.1.1工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展背景及應(yīng)用情況

隨著社會的進步和技術(shù)發(fā)展,用于商業(yè)系統(tǒng)的概念、方法和術(shù),越來越多地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。近年來工業(yè)自動化領(lǐng)域也越來越多受到信息技術(shù)(IT)的影響,信息技術(shù)的原理和標(biāo)準(zhǔn)日益滲透到工業(yè)自動化產(chǎn)品和系統(tǒng)中。工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中快速發(fā)展并且日益重要,就是這種趨勢的結(jié)果和體現(xiàn)。3/15/2023所謂工業(yè)以太網(wǎng),一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計時,在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。以太網(wǎng)進入工業(yè)自動化領(lǐng)域的直接原因是,現(xiàn)場總線多種標(biāo)準(zhǔn)并存,異種網(wǎng)絡(luò)通信困難。在這樣的技術(shù)背景下,以太網(wǎng)逐步應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域,并且快速發(fā)展。工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展得益于以太網(wǎng)多方面的技術(shù)進步。

首先是通信速率的提高,以太網(wǎng)從10M、100M到現(xiàn)在的1000M、10G,速率提高意味著網(wǎng)絡(luò)負荷減輕和傳輸延時減少,網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率下降;其次由于采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和交換技術(shù),使以太網(wǎng)交換機的各端口之間數(shù)據(jù)幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD機制的制約,避免了沖突;再加上全雙工通信方式使端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù),而不發(fā)生沖突。這樣,全雙工交換式以太網(wǎng)能避免因碰撞而引起的通信響應(yīng)不確定性,保障通信的實時性。同時,由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布式、智能化的實時控制方向發(fā)展,使通信已成為關(guān)鍵,用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。所以,技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展、需求使以太網(wǎng)進入工業(yè)自動化領(lǐng)域成為必然。3/15/2023

采用網(wǎng)關(guān)接口是整合以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的權(quán)宜之計。但這種方法最大限度地保護了原有的現(xiàn)場總線設(shè)備,有效鞏固了工業(yè)以太網(wǎng)在信息層、控制層的主導(dǎo)地位,擴大了工業(yè)以太網(wǎng)的影響和應(yīng)用范圍。幾乎所有現(xiàn)場總線廠家都推出了以太網(wǎng)接入方案和系統(tǒng),可以方便地提供自己的現(xiàn)場總線產(chǎn)品系統(tǒng)接入以太網(wǎng)服務(wù)。也出現(xiàn)了一些專業(yè)的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品開發(fā)商,如瑞典HMS公司的“Anybus”系列產(chǎn)品,為流行的13種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供通信接口,包括以太網(wǎng)接口,從而為工業(yè)以太網(wǎng)在更多場合應(yīng)用提供盡可能的方便。以太網(wǎng)進入工業(yè)自動化領(lǐng)域已經(jīng)成為不爭的事實。面對巨大的壓力和發(fā)展空間,各個現(xiàn)場總線廠家都在保護已有技術(shù)和投資的條件下紛紛整合已有產(chǎn)品,相繼推出新一代整合了以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品,這些產(chǎn)品系統(tǒng)不斷投入市場,大大促進了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用和推廣。如ControlNet和DeviceNet聯(lián)合推出的Ethernet/IP、FoundationFieldbus推出的HSE和Schneider開發(fā)的ModbusTCP/IP等,都已經(jīng)成為有代表性的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),借助于這些廠家的現(xiàn)場總線產(chǎn)品市場,這些工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品得以快速提高了市場占有率。3/15/2023

許多國際組織都在為建立工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用通信協(xié)議的技術(shù)規(guī)定而努力,工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)走上國際化、標(biāo)準(zhǔn)化軌道。工業(yè)控制領(lǐng)域2003年的IEC61158國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)包括了以太網(wǎng):Ethernet/IP、FF高速以太網(wǎng)HSE和PROFInet;目前正在制定的實時以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)IEC61784-2標(biāo)準(zhǔn)包括6種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn):中國標(biāo)準(zhǔn)EPA、德國Beckhoof公司EtherCAT、日本橫河公司V-net、日本東芝公司Tcnet、歐洲IAONA開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會EthernetPowerLink、法國Schneider公司Modbus/TCP。再加上建筑自動化領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)ISOStandard16484-5BACnet/IP,已經(jīng)和即將成為國際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)有11種之多。

值得一提的是,其中的EPA是中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),目前已經(jīng)連續(xù)得到我國863計劃重點資助,這也必將為國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展提供良好的空間和條件。3/15/20235.1.2工業(yè)以太網(wǎng)的主要技術(shù)以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動化,主要技術(shù)集中在以下幾個方面,這幾個方面技術(shù)在不斷發(fā)展之中,也是今后工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)攻關(guān)的一些主要領(lǐng)域:首先是應(yīng)用層和用戶層技術(shù)。對應(yīng)于ISO/OSI七層通信模型,以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,而對較高的層次如會話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定,其中應(yīng)用層和用戶層技術(shù)是工業(yè)以太網(wǎng)的最主要的技術(shù);第二,是網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及其相關(guān)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議目前以TCP/IP協(xié)議為主,但許多廠家結(jié)合了中間件技術(shù),從而大大改善了以太網(wǎng)性能;第三,以太網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性技術(shù)。以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個主要問題是,它所用的接插件、集線器、交換機和線纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計的,而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設(shè)計,如高溫、低溫、防塵、抗干擾等,如何使以太網(wǎng)產(chǎn)品適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境,也是工業(yè)以太網(wǎng)的主要技術(shù)。當(dāng)然,工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用也得益于其它一些重要技術(shù),如全雙工交換技術(shù)、拓撲技術(shù)以及以太網(wǎng)速度的不斷提高等。3/15/20231.工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用層技術(shù)工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不單單是一個完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng),而且還是一個借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外,往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令,執(zhí)行某些控制計算與操作功能,由多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)調(diào)完成自動控制任務(wù)。因此,工業(yè)以太網(wǎng)要在應(yīng)用層、用戶層等高層做一些具體規(guī)定,一方面滿足工業(yè)自動化的行業(yè)需求,同時需要在應(yīng)用層、用戶層等高層協(xié)議滿足開放系統(tǒng)的要求,滿足互操作條件。如前所述,各個現(xiàn)場總線廠家相繼推出了新一代整合以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品,實際上,這種整合有多個方面的意義,一方面使工業(yè)以太網(wǎng)市場占有率快速提高,另一方面,這種整合的初衷是利用以太網(wǎng)傳輸工業(yè)數(shù)據(jù),而實際上同時也把現(xiàn)場總線的應(yīng)用層技術(shù)整合到了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之中。如HSE,將現(xiàn)場總線報文作為用戶數(shù)據(jù)嵌入TCP/UDP數(shù)據(jù)幀,然后再在以太網(wǎng)上傳輸,這樣的結(jié)果是,HSE直接繼承了現(xiàn)場總線用戶層規(guī)范和協(xié)議。比較有代表性的還有ModbusTCP/IP,直接將Modbus協(xié)議作為以太網(wǎng)用戶層協(xié)議,報文的讀、寫、功能診斷等功能碼直接沿用。3/15/2023

采用成熟的應(yīng)用層和用戶層技術(shù),還可以增強工業(yè)以太網(wǎng)的確定性和實時性。如Modbus協(xié)議,采用主-從通信方式,在工業(yè)以太網(wǎng)中引入主-從通信管理,可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)通信進行有效控制,從根本上避免數(shù)據(jù)沖突。以太網(wǎng)之所以靈活,很重要的一個原因,就是它沒有定義任何上層協(xié)議。通過上層協(xié)議,可以實現(xiàn)主-從通訊方式,這一點并不受到鏈路層協(xié)議的制約。CSMA/CD的實質(zhì)是競爭,但競爭只是在多個站試圖同時發(fā)送數(shù)據(jù)的時候才會發(fā)生。如果在應(yīng)用層中實現(xiàn)一個主站輪詢、從站響應(yīng)的機制,那就不會有競爭發(fā)生,“對等的”以太網(wǎng)自然就成了一個主-從網(wǎng)絡(luò)了。

以太網(wǎng)已經(jīng)形成了一些標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP技術(shù),如FTP(文件傳送協(xié)議)、Telnet(遠程登錄協(xié)議)、SMTP(簡單郵件傳送協(xié)議)、HTTP(WWW協(xié)議)、SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)等應(yīng)用層協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)也在沿用著這些技術(shù),主要應(yīng)用于實時性要求不高的情況。工業(yè)以太網(wǎng)也應(yīng)用這些技術(shù)解決了一些工業(yè)自動化的一些需求,比如,應(yīng)用SNTP(簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)進行系統(tǒng)時鐘同步管理等。3/15/20232.網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及其相關(guān)技術(shù)在TCP/IP協(xié)議集中,有兩個不相同的傳輸協(xié)議:TCP和UDP。TCP/IP和UDP/IP都廣泛應(yīng)用于工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸與管理。近年來,越來越明顯的趨勢是,TCP/IP用于工業(yè)以太網(wǎng)的非實時數(shù)據(jù)通訊,而實時數(shù)據(jù)通訊則采用UDP/IP協(xié)議。TCP為兩臺主機提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。它所做的工作包括:把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡(luò)層,確認接收到的分組,設(shè)置發(fā)送最后確認分組的超時時鐘等。由于傳輸層提供了高可靠性的端到端的通信,因此應(yīng)用層可以忽略所有這些細節(jié)。TCP/IP主要應(yīng)用于系統(tǒng)組態(tài)、配置等數(shù)據(jù)量大、實時性要求不高的情況。3/15/2023

UDP則為應(yīng)用層提供了一種非常簡單的服務(wù)。UDP協(xié)議在工業(yè)控制中有明顯的優(yōu)勢:系統(tǒng)開銷小、速度快;對絕大多數(shù)基于消息包傳遞的應(yīng)用程序來說,基于幀的通信(UDP)比基于流的通信(TCP)更為直接和有效;對應(yīng)用部分實現(xiàn)系統(tǒng)冗余、任務(wù)分擔(dān)提供了極大的易實現(xiàn)性及可操作性;對等的通信實體、應(yīng)用部分可方便地根據(jù)需要構(gòu)造成客戶/服務(wù)器模型及分布處理模型,大大加強應(yīng)用可操作性及可維護性的能力;可實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),可大大增強系統(tǒng)的容錯性。目前UDP協(xié)議也存在不足:無連接,通信不可靠。工業(yè)控制中一般通過應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計可以彌補UDP協(xié)議這方面不足,如增加握手協(xié)議和確認報文等。

工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和管理的一個典型技術(shù)是,在應(yīng)用層和傳輸層之間增加中間件,對數(shù)據(jù)通訊進行管理和控制。典型的如IDA技術(shù)中,IDA實時服務(wù)主要通過一個名為Real-TimePublish/Subscribe(簡稱RTPS)的協(xié)議來提供。而RTPS協(xié)議和API是通過一個在所有IDA設(shè)備中通用的中間件(Middleware)來實現(xiàn)的。3/15/2023RTPS協(xié)議完全構(gòu)建在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UDP/IP協(xié)議上,提供實時的Publish/Subscribe和Client/Server服務(wù),而不使用TCP。中間件提供的通訊對象模型(IDAObjects)同時也是程序設(shè)計模型,任何一個想提供實時服務(wù)的應(yīng)用程序都必須在它的基礎(chǔ)上使用RTPS協(xié)議。3.穩(wěn)定性與可靠性

Ethernet進入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個主要問題是,它所用的接插件、集線器、交換機和線纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計的,而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設(shè)計(如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等),故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題,美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、JetterAG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機產(chǎn)品,安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上,并有冗余電源供電,接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。3/15/2023我國臺灣四零四科技(MoxaTechnologies)在2002年就推出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品-MOXAEtherDeviceServer(工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器),特別設(shè)計用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備(如PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等)。

最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中,對Ethernet的總線供電規(guī)范也進行了定義。此外,在實際應(yīng)用中,主干網(wǎng)可采用光纖傳輸,現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線,對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。5.1.3幾種典型的工業(yè)以太網(wǎng)簡介

以下介紹幾種典型的工業(yè)以太網(wǎng):1.HSE(高速以太網(wǎng))

HSE(HighSpeedEthernetFieldbus)由現(xiàn)場總線基金會組織(FF)制定,是對FF-H1的高速網(wǎng)段的解決方案,它與H1現(xiàn)場總線整合構(gòu)成信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)。3/15/2023FFHSE的1~4層由現(xiàn)有的以太網(wǎng)、TCP/IP和IEEE標(biāo)準(zhǔn)所定義,HSE和H1使用同樣的用戶層,現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)在H1中定義了服務(wù)接口,現(xiàn)場設(shè)備訪問代理(FDA)為HSE提供接口。用戶層規(guī)定功能模塊、設(shè)備描述(DD)、功能文件(CF)以及系統(tǒng)管理(SM)。HSE網(wǎng)絡(luò)遵循標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范,并根據(jù)過程控制的需要適當(dāng)增加了一些功能,但這些增加的功能可以在標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無縫地進行操作,因而FFHSE總線可以使用當(dāng)前流行的商用(COTS)以太網(wǎng)設(shè)備。100Mbps以太網(wǎng)拓撲是采用交換機形成星形連接,這種交換機具有防火墻功能,以阻斷特殊類型的信息出入網(wǎng)絡(luò)。HSE使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3信號傳輸,標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備和交換機之間的距離,使用雙絞線為100米,光纜可達2千米。HSE使用連接裝置(LD)連接H1子系統(tǒng),LD執(zhí)行網(wǎng)橋功能,它允許就地連在H1網(wǎng)絡(luò)上的各個現(xiàn)場設(shè)備,以完成點對點對等通信。HSE支持冗余通信,網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備都能作冗余配置。3/15/2023

HSE主要用于過程控制級別的一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),目前主要用于兩種情況:一類是計算量過大而不適合在現(xiàn)場儀表中進行的高層次模型或調(diào)度運算;第二類是多條H1總線或其它網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)橋路器。2.PROFInet

PROFInet由西門子公司和PROFIBUS用戶協(xié)會開發(fā),是一種基于組件的分布式以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)。該總線使用框架式以太網(wǎng)(ShelfEthernet)技術(shù),傳輸速率從100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持FF-H1現(xiàn)場總線的各項功能,諸如功能塊和裝置描述語言等,并允許基于以太網(wǎng)的裝置通過連接裝置與H1裝置相連接。連接到一個連接裝置上的H1裝置無須主系統(tǒng)的干預(yù)就可以進行對等層通信。連接到一個連接裝置上的H1裝置同樣無須主系統(tǒng)的干預(yù),也可以與另一個連接裝置上的H1裝置直接進行通信。

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PROFInet支持開放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?,這種通信建立在普遍使用的TCP/IP基礎(chǔ)之上。PROFInet沒有定義其專用工業(yè)應(yīng)用協(xié)議。使用已有的IT標(biāo)準(zhǔn),它的對象模式基于微軟公司組件對象(COM)技術(shù)。對于網(wǎng)絡(luò)上所有分布式對象之間的交互操作,均使用微軟公司的DCOM協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)TCP和UDP協(xié)議。

PROFInet用于PROFIBUS的縱向集成,它能將現(xiàn)有的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通過代理服務(wù)器(Proxy)連接到以太網(wǎng)上,從而將工廠自動化和企業(yè)信息管理自動化有機地融合為一體。系統(tǒng)可以通過代理服務(wù)器實現(xiàn)與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成。

PROFInet通過優(yōu)化的通信機制滿足實時通信的要求。PROFInet基于以太網(wǎng)的通信有3種,分別對應(yīng)不同的工業(yè)實時通訊要求。PROFInet1.0基于組件的系統(tǒng)主要用于控制器與控制器通訊;PROFInet-SRT軟實時系統(tǒng)用于控制器與I/O設(shè)備通訊;PROFInet-IRT硬實時系統(tǒng)用于運動控制。3/15/20233.Modbus/TCPModbus/TCP是由Schneider公司于1999年公布的一種以太網(wǎng)技術(shù)。Modbus/TCP基本上沒有對Modbus協(xié)議本身進行修改,只是為了滿足控制網(wǎng)絡(luò)實時性的需要,改變了數(shù)據(jù)的傳輸方法和通信速率。Modbus/TCP以一種非常簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中,在應(yīng)用層采用與常規(guī)的Modbus/RTU協(xié)議相同的登記方式。Modbus/TCP采用一種面向連接的通信方式,即每一個呼叫都要求一個應(yīng)答。這種呼叫/應(yīng)答的機制與Modbus的主/從機制相互配合,使Modbus/TCP交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性。Modbus/TCP允許利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看控制網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的運行情況。Schneider公司已經(jīng)為Modbus注冊了502端口,這樣就可以將實時數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)頁中。通過在設(shè)備中嵌入WebServer,即可將Web瀏覽器作為設(shè)備的操作終端。3/15/2023Modbus/TCP所包括的設(shè)備類型為:連接到Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)上的客戶機和服務(wù)器;用于Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)和串行線子網(wǎng)互連的網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關(guān)等互連設(shè)備。4.EtherNet/IP

EtherNet/IP由ODVA開發(fā),2000年3月推出,得到了IAONA、IEA、CI、ODVA等組織的支持。EtherNet/IP利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)通訊芯片和物理介質(zhì),所有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信模塊,如PC接口卡、電纜、連接器、集線器和開關(guān)都能與EtherNet/IP一起使用。應(yīng)用層使用已用于ControlNet和DeviceNet的控制和信息協(xié)議(CIP)。3/15/2023

CIP提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù),提供“隱式”和“顯示”方式對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進行訪問和控制。CIP數(shù)據(jù)包必須在通過以太網(wǎng)發(fā)送前經(jīng)過封裝,并根據(jù)請求服務(wù)類型而賦予一個報文頭。這個報文頭指示了發(fā)送數(shù)據(jù)到響應(yīng)服務(wù)的重要性。通過以太網(wǎng)傳輸?shù)腃IP數(shù)據(jù)包具有特殊的以太網(wǎng)報文頭,包括一個IP頭、一個TCP頭和封裝頭。封裝頭包括了控制命令、格式和狀態(tài)信息、同步信息等。這允許CIP數(shù)據(jù)包通過TCP或UDP傳輸并能夠由接收方解包。相對于DeviceNet或ControlNet,這種封裝的缺點是協(xié)議的效率比較低。以太網(wǎng)的報文頭可能比數(shù)據(jù)本身還要長,從而造成網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)過重。因此,EtherNet/IP更適用于發(fā)送大塊的數(shù)據(jù)(如程序),而不是DeviceNet和ControlNet更擅長的模擬或數(shù)字的I/O數(shù)據(jù)。

應(yīng)用于控制場合的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)拓撲一般采用有源星型拓撲(10/100Mb/s),成組的設(shè)備采用點對點方式連接到以太網(wǎng)交換機。3/15/2023交換機是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心。EtherNet/IP現(xiàn)場設(shè)備具有內(nèi)置的WebServer功能,不僅能夠提供WWW服務(wù),還能提供諸如電子郵件等網(wǎng)絡(luò)服務(wù),其模塊、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器獲得。EtherNet/IP的現(xiàn)有產(chǎn)品已能通過HTTP提供諸如讀寫數(shù)據(jù)、讀診斷、發(fā)送電子郵件、編輯組態(tài)數(shù)據(jù)等能力。5.Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化組織(ETHERNETPowerlinkStandardizationGroup,EPSG)成員包括ABB(Robotics)、B&R、Hirschmann、Kuka、Lenze等20幾家工業(yè)自動化生產(chǎn)、研發(fā)機構(gòu)。2001年B&R公司率先提出Powerlink技術(shù)。Powerlink的目標(biāo)是確定性、實時性工業(yè)以太網(wǎng)。

Powerlink主要有兩個方面的技術(shù)特點:一是能夠與IT技術(shù)無縫連接,可以繼續(xù)應(yīng)用IP協(xié)議族(HTTP、Telnet、FTP等);另一方面,開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧取代傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧,從根本上實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有效控制和管理。3/15/2023

Powerlink在通信管理上引入了管理節(jié)點(Managingnode)和控制節(jié)點(Controlnode)的概念。整個網(wǎng)絡(luò)有唯一的管理節(jié)點,在管理節(jié)點統(tǒng)一調(diào)度下,管理節(jié)點和控制節(jié)點之間、以及控制節(jié)點之間的通信周期地進行。每個通信周期可以有對應(yīng)的時間域用于傳輸實時數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。

Powerlink工作模式分為開放模式、保護模式和基本以太網(wǎng)模式,3種模式之間可以方便切換。開放模式允許Powerlink網(wǎng)絡(luò)中直接連接標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備,即不需要分離的網(wǎng)絡(luò);保護模式需要網(wǎng)絡(luò)分離,即標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備需要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)訪問Powerlink節(jié)點;對于基本以太網(wǎng)模式,Powerlink節(jié)點就成為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備。6.EPA

EPA(EthernetforPlanAutomation)用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù),是在國家“863”計劃支持下,由浙江大學(xué)、浙江中控技術(shù)股份有限公司等共同開發(fā)的。EPA是我國第一個被國際認可和接收的工業(yè)自動化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。3/15/2023

EPA完全兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP(TCP)/IP等協(xié)議,采用UDP協(xié)議傳輸EPA協(xié)議報文,以減少協(xié)議處理時間,提高報文傳輸?shù)膶崟r性。商用通信線纜(如五類雙絞線、同軸線纜、光纖等)均可應(yīng)用于EPA系統(tǒng)中,但必須滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的可靠性要求,如使用屏蔽雙絞線代替非屏蔽雙絞線。EPA網(wǎng)絡(luò)支持其它以太網(wǎng)/無線局域網(wǎng)/藍牙上的其它協(xié)議(如FTP、HTTP、SOAP,以及MODBUS、PROFInet、Ethernet/IP協(xié)議)報文的并行傳輸。這樣,IT領(lǐng)域的一切適用技術(shù)、資源和優(yōu)勢均可以在EPA系統(tǒng)中得以繼承。EPA系統(tǒng)中,根據(jù)通信關(guān)系,將控制現(xiàn)場劃分為若干個控制區(qū)域,每個區(qū)域通過一個EPA網(wǎng)橋互相分隔,將本區(qū)域內(nèi)設(shè)備間的通信流量限制在本區(qū)域內(nèi);不同控制區(qū)域間的通信由EPA網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā);在一個控制區(qū)域內(nèi),每個EPA設(shè)備按事先組態(tài)的分時發(fā)送原則向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù),由此避免了碰撞,保證了EPA設(shè)備間通信的確定性和實時性。3/15/2023以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動化,最重要的是確定性和實時性技術(shù)。為了滿足高實時性能應(yīng)用的需要,各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案。這些方案建立在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,通過對其和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實時擴展提高實時性,并且做到與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的無縫連接,即實時以太網(wǎng)。5.2

典型的工業(yè)以太網(wǎng)實時通訊技術(shù)以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制方式,其本質(zhì)上是非實時的。平等競爭的介質(zhì)訪問控制方式不能滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)νㄐ诺膶崟r性要求。因此以太網(wǎng)一直被認為不適合在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用。近年來工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展,以太網(wǎng)速度一再提高,加上引入全雙工交換技術(shù)、虛擬網(wǎng)技術(shù)以及改進網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等,以太網(wǎng)實時性大大改善,已經(jīng)可以滿足很多工業(yè)數(shù)據(jù)通訊需求。另一方面降低沖突域和提高以太網(wǎng)速度實際上還沒有根本解決以太網(wǎng)確定性問題,在有些場合,如多節(jié)點同步運動控制等,這是非常重要的。3/15/2023實時通訊技術(shù)是工業(yè)以太網(wǎng)的核心技術(shù)。針對不同實時性要求,提供完善的解決方案,它是各個公司、組織重要的技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容。以下介紹幾種典型的工業(yè)以太網(wǎng)實時通訊方案。5.2.1PROFInet的實時通訊解決方案1.PROFInet通訊技術(shù)基本思路

PROFInet已經(jīng)有3個版本。在這些版本中,PROFInet提出了對IEEE802.1D和IEEE1588進行實時擴展的技術(shù)方案。PROFInet解決方案的基本思想是,對不同實時要求的信息采用不同的實時通道技術(shù),如圖5.1所示。3/15/2023圖5.1不同實時要求的信息采用不同的實時通道

3/15/2023

PROFInet全面覆蓋了工廠自動化到運動控制的應(yīng)用需求,與TCP/IP全兼容,沒有任何限制。對于工業(yè)自動化系統(tǒng)來說,目前根據(jù)不同的應(yīng)用場合,將實時性要求劃分為3個范圍,它們是:信息集成和較低要求的過程自動化應(yīng)用場合,實時響應(yīng)時間要求是100ms或更長;絕大多數(shù)的工廠自動化應(yīng)用場合實時響應(yīng)時間的要求最少為5~10ms;對于高性能的同步運動控制應(yīng)用,特別是在100個節(jié)點下的伺服運動控制應(yīng)用場合,實時響應(yīng)時間要求低于1ms,同步傳送和抖動小于1μs。2.PROFInet通訊協(xié)議模型

PROFInet通信協(xié)議模型如圖5.2所示。從圖中可以看出,PROFInet提供三個類型的通信通道:標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類實時通信通道。標(biāo)準(zhǔn)通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通信通道,應(yīng)用層使用通用的IT應(yīng)用層協(xié)議,主要用于設(shè)備參數(shù)化組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù);實時通道RT是軟實時SRT(SoftwareRT)方案,主要用于過程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸事件和事件控制的信號與報警;3/15/2023實時通道IRT采用了IRT(isochronousrealtime)等時同步實時的ASIC芯片解決方案,以進一步縮短通信棧軟件的處理時間,特別適用于高性能傳輸過程數(shù)據(jù)的等時同步傳輸以及快速的時鐘同步運動控制,在1ms時間周期內(nèi),實現(xiàn)對100多個軸的控制,而抖動不足1μs。一個關(guān)鍵技術(shù)是,PROFInet在第二層上為快速以太網(wǎng)定義了IRT時間槽控制傳送過程。時間槽能夠指定對時間要求苛刻的數(shù)據(jù)傳輸。通信循環(huán)被分離為實時通道和標(biāo)準(zhǔn)通道。循環(huán)傳輸?shù)膶崟r信息幀在實時通道中分配,而TCP/IP信息幀在標(biāo)準(zhǔn)通道中傳輸。就如同在高速公路上,預(yù)留左車道用于實時通信傳遞,并且禁止其他的公路使用者(TCP/IP通信)切換到這個車道。這樣一來即使右車道發(fā)生通信堵塞,也不會影響到左車道的實時通信傳遞。3/15/2023圖5.2PROFInet通信協(xié)議模型3/15/20235.2.2Powerlink的實時通訊解決方案1.Powerlink基于時間片的分時調(diào)度方式

Powerlink通訊方案是,在MAC層之上實現(xiàn)了一個基于主-從式輪詢機制的調(diào)度策略,使用時間槽來分配發(fā)送許可。該機制在網(wǎng)絡(luò)上定義一個站點來擔(dān)當(dāng)管理者,配置其它站點的時間槽,其它節(jié)點以從站方式運行,只有在收到主站的發(fā)送許可時才能發(fā)送數(shù)據(jù)。站點之間的數(shù)據(jù)交換是在一個固定的時間間隔內(nèi)循環(huán)執(zhí)行的,這個時間周期由管理者進行配置。管理者在為各站點分配時間槽時,也為普通的非實時數(shù)據(jù)預(yù)留了時間槽。為了提高實時數(shù)據(jù)的傳輸效率,該方案在與TCP/IP協(xié)議對等的層次上開發(fā)了自定義的實時數(shù)據(jù)封裝協(xié)議,而對于非實時性數(shù)據(jù),仍采用普通的TCP/IP協(xié)議傳輸。3/15/2023如前所述,管理節(jié)點對Powerlink

網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度。所有控制節(jié)點在管理節(jié)點上登記組態(tài),得到允許后才能發(fā)送數(shù)據(jù),從根本上避免了數(shù)據(jù)沖突。管理節(jié)點負責(zé)為各個節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信分配時間信道,對于實時數(shù)據(jù),信道時間較窄,可以精確管理;對于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,首先拆成小包(長度可以設(shè)置,典型值為256字節(jié)),然后納入相應(yīng)信道進行管理,因而數(shù)據(jù)也是確定性的。這種通信管理方式稱為窄道通信網(wǎng)絡(luò)管理(SlotCommunicationNetworkManagement,SCNM)。窄道通信周期包括起始域(StartPeriod)、周期域(CyclicPeriod)、異步域(AsynchronPeriod)和空閑域(IdlePeriod)4個時間域,如圖5.3所示。3/15/2023圖5.3窄道通信周期

3/15/2023在周期起始數(shù)據(jù)流(StartofCyclic,SoC)之后,管理節(jié)點在周期域依次向每個節(jié)點發(fā)送輪詢(PollRequest,PRq),控制節(jié)點收到輪詢后發(fā)送響應(yīng)報文(PollResponse,PRs),每個周期域有結(jié)束數(shù)據(jù)流(EndofCyclic,EoC)。輪詢和響應(yīng)報文都可以包含應(yīng)用數(shù)據(jù),但是輪詢只是從管理節(jié)點發(fā)送到目標(biāo)控制節(jié)點,響應(yīng)報文則以廣播形式進行發(fā)布,在這種情況下系統(tǒng)可以適應(yīng)發(fā)布者/訂閱者(Publisher/Subscriber)通信方式。

Powerlink

通過特定的節(jié)點識別數(shù)據(jù)流來識別在線節(jié)點。在線節(jié)點的數(shù)據(jù)交換請求在調(diào)度隊列中進行登記。當(dāng)確認隊列中沒有實時數(shù)據(jù)交換需要時,系統(tǒng)進入異步時間域。異步通信主要傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。管理節(jié)點查詢異步數(shù)據(jù)請求隊列,發(fā)送異步數(shù)據(jù)發(fā)送邀請(Invite)。異步數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點。通過窄道通信發(fā)送的數(shù)據(jù)報文會在接收節(jié)點還原成原始數(shù)據(jù)包。3/15/2023管理節(jié)點以廣播形式發(fā)布通信周期起始數(shù)據(jù)流,控制節(jié)點以接收該數(shù)據(jù)流時間作為時間基準(zhǔn)。在窄道通信中,起始數(shù)據(jù)流的發(fā)送由系統(tǒng)時間控制,而其它數(shù)據(jù)通信靠事件觸發(fā)。2.Powerlink網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)典型的Powerlink網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖5.4所示,儀表設(shè)備(可以是各種PLC、遠程I/O、執(zhí)行機構(gòu)以及PC設(shè)備等)中嵌入Powerlink

通信電路單元即可以成為Powerlink設(shè)備。Powerlink單元的具體實現(xiàn)不需要特殊的芯片。開放模式網(wǎng)段中可以用交換機和集線器構(gòu)成多種拓撲結(jié)構(gòu)。保護模式網(wǎng)段中只能用集線器構(gòu)成樹型和線形網(wǎng)絡(luò),集線器要求為單速HUB,級聯(lián)最大允許數(shù)量為10。3/15/2023圖5.4典型的Powerlink網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3/15/20235.2.3EPA的實時通訊解決方案1.EPA的通訊模型EPA采用了以太網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)等信息網(wǎng)絡(luò)成熟的技術(shù)和產(chǎn)品,參照ISO/OSI七層通信結(jié)構(gòu)模型,取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層,并在應(yīng)用層之上增加用戶層,共構(gòu)成六層結(jié)構(gòu)的通信模型。如圖5.5所示。EPA應(yīng)用層規(guī)范為EPA設(shè)備之間實時和非實時的傳輸數(shù)據(jù)提供通信通道和服務(wù)接口。它由EPA實時通信規(guī)范和非實時通信協(xié)議兩部分組成。其中EPA實時通信規(guī)范是專門為EPA實時控制應(yīng)用進程之間的數(shù)據(jù)傳輸提供通信通道和服務(wù)接口。而非實時通信協(xié)議則主要包括HTTP、FTP、TFTP等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的技術(shù)。3/15/2023非實時應(yīng)用程序DHCP地址分配協(xié)議SNTP系統(tǒng)時鐘同步協(xié)議HTTP協(xié)議FTP協(xié)議其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議UDPTCPIEEE802.3/IEEE802.11/IEEE802.15IPSNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議EPA應(yīng)用層服務(wù)EPA管理功能塊應(yīng)用進程功能塊應(yīng)用進程EPA管理服務(wù)EPA管理信息庫EPA套接字映射接口圖5.5EPA引用的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ICMPIGMPARP3/15/2023為了提高網(wǎng)絡(luò)的實時性能,EPA對ISO/IEC88021協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進行了擴展,在其之上增加了一個EPA通信調(diào)度管理實體(communicationschedulingmanagemententity,簡稱EPA-CSME)。EPA-CSME不改變IEC880213數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù),也不改變與物理層的接口,只是完成對數(shù)據(jù)報文的調(diào)度管理。2.EPA網(wǎng)絡(luò)拓撲和周期調(diào)度EPA網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5.6所示,它由兩級網(wǎng)絡(luò)組成,即過程監(jiān)控L2網(wǎng)和現(xiàn)場設(shè)備級L1網(wǎng)?,F(xiàn)場設(shè)備級L1網(wǎng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種現(xiàn)場設(shè)備(如變送器、執(zhí)行機構(gòu)和分析儀器等)之間以及現(xiàn)場設(shè)備與L2網(wǎng)的連接,過程監(jiān)控級L2網(wǎng)主要用于控制室儀表、裝置以及人機接口之間的連接。無論是L1網(wǎng)還是L2網(wǎng),均可分為一個或幾個微網(wǎng)段。在一個EPA微網(wǎng)段內(nèi),所有EPA設(shè)備的通信均按周期進行,完成一個通信周期所需的時間T稱為一個通信宏周期。通信宏周期T分為兩個階段,第一階段為周期報文傳輸階段Tp第二個階段為非周期報文傳輸階段T。3/15/2023EPA主設(shè)備EPA主設(shè)備EPA網(wǎng)橋工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)I/O設(shè)備現(xiàn)場子網(wǎng)段EPA網(wǎng)橋無線現(xiàn)場設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備無線現(xiàn)場設(shè)備無線子網(wǎng)EPA網(wǎng)橋以太網(wǎng)/無線網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場子網(wǎng)段工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備無線現(xiàn)場設(shè)備圖5.6EPA網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備過程監(jiān)控級3/15/20235.3基于S7-300PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信5.3.1西門子工業(yè)以太網(wǎng)硬件基本情況

1、基本類型(1)10Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)

應(yīng)用基帶傳輸技術(shù),基于IEEE802.3,利用CSMA/CD介質(zhì)訪問方法的單元級、控制級傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率為10Mbit/s,傳輸介質(zhì)為同軸電纜、屏蔽雙絞線或光纖。(2)100Mbit/s快速以太網(wǎng)

基于以太網(wǎng)技術(shù),傳輸速率為100Mbit/s,傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。3/15/20232、網(wǎng)絡(luò)硬件(1)傳輸介質(zhì)

網(wǎng)絡(luò)的物理傳輸介質(zhì)主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接距離、數(shù)據(jù)安全以及傳輸速率來選擇。通常在西門子網(wǎng)絡(luò)中使用的傳輸介質(zhì)包括:2芯雙絞線,無屏蔽2芯電纜,無雙絞,無屏蔽(例如AS-interfacebus)2芯屏蔽雙絞線(例如PROFIBUS)同軸電纜(例如IndustrialEtherenet)光纖(例如PROFIBUS/IndustrialEtherenet)無線通信(例如:紅外線和無線電通信)3/15/2023在西門子工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)中,通常使用的物理傳輸介質(zhì)時屏蔽雙絞線(TP,Twistedpair)、工業(yè)屏蔽雙絞線(ITP,IndustrialTwistedpair)以及光纖。(2)網(wǎng)絡(luò)部件

①工業(yè)以太網(wǎng)鏈路模塊OLM、ELM

依照IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),利用電纜和光纖技術(shù),SIMATICNET連接模塊使得工業(yè)以太網(wǎng)的連接變得更為方便和靈活。

OLM(光鏈路模塊)有3個ITP接口和兩個BFOC接口。ITP接口可以連接3個終端設(shè)備或網(wǎng)段,BFOC接口可以連接兩個光路設(shè)備(如OLM等),速度為10Mbit/s。

ELM(電氣鏈路模塊)有3個ITP接口和1個AUI接口。通過AUI接口,可以將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接至LAN上,速度為10Mbit/s。②工業(yè)以太網(wǎng)交換機OSM、ESM3/15/2023

OSM的產(chǎn)品包括:OSMTP62、OSMTP22、OSMITP62、OSMITP62-LD和OSMBC08。從型號就可以確定OSM的連接端口類型及數(shù)量,如:OSMITP62-LD,其中ITP表示OSM上有ITP電纜接口,“6”代表電氣接口數(shù)量,“2”代表光纖接口數(shù)量,“LD”代表長距離,如圖5.7所示。

ESM的產(chǎn)品包括:ESMTP40、ESMTP80和ESMITP80,命名規(guī)則和OSM相同。圖5.8所示為ESMTP80。(3)通信處理器常用的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器(CP,Communicaton

Processer,通信處理單元),包括用在S7PLC站上的處理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等。

CP243-1是為S7-200系列PLC設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器,如圖5.9所示。通過CP243-1模塊,用戶可以很方便地將S7-200系列PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進行連接,并且支持使用STEP7-Micro/WIN32軟件,通過以太網(wǎng)對S7-200進行遠程組態(tài)、編程和診斷。同時,S7-200也可以同S7-300、S7-400系列PLC進行以太網(wǎng)的連接。

S7-300系列PLC的以太網(wǎng)通信處理器是CP343-1系列,如圖5.10所示。按照所支持協(xié)議的不同,可以分為CP343-1、CP343-1ISO、CP343-1TCP、CP343-1IT和CP343-1PN。3/15/2023圖5.7OSMITP62-LD圖5.8ESMTP80圖5.9CP243-1圖5.10CP343-1圖5.11CP443-13/15/2023S7-400PLC的以太網(wǎng)通信處理器是CP443-1系列,如圖5.11所示。按照所支持協(xié)議的不同,可以分為CP443-1、CP443-1ISO、CP443-1TCP和CP443-1IT。5.3.2西門子支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信需要遵循一定的協(xié)議,表5.1中列出了西門子公司不同的網(wǎng)絡(luò)可以運行的服務(wù)。子網(wǎng)(Subnets)IndustrialEthernetPROFIBUSMPI服務(wù)(Services)PG/OP通信S7通信S5兼容通信S7基本(S7Basic)通信標(biāo)準(zhǔn)通信DPGD表5.1西門子公司的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)3/15/20231.標(biāo)準(zhǔn)通信(StandardCommunication)標(biāo)準(zhǔn)通信運行于OSI參考模型第7層的協(xié)議,包括表5.2所示的協(xié)議。子網(wǎng)(Subnets)IndustrialEthernetPROFIBUS服務(wù)(Services)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議MMS~MAP3.0FMS表5.2標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議3/15/2023

MAP(ManufacturingAutomationProtocol,制造業(yè)自動化協(xié)議)提供MMS服務(wù),主要用于傳輸結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。MMS是一個符合ISO/IES9506-4的工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn),MAP3.0的版本提供了開放統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn),可以連接各個廠商的產(chǎn)品,現(xiàn)在很少應(yīng)用。

2.S5兼容通信(S5-compatibleCommunication)SEND/RECEIVE是SIMATICS5通信的接口,在S7系統(tǒng)中,將該協(xié)議進一步發(fā)展為S5兼容通信“S5-compatibleCommunication”。該服務(wù)包括如下,見表5.3所示的協(xié)議。

3/15/2023子網(wǎng)(Subnets)IndustrialEthernetPROFIBUS服務(wù)(Services)S5兼容通信協(xié)議ISOtransportISO-on-TCPUDPTCP/IPFDL表5.3S5兼容通信3/15/2023(1)ISO傳輸協(xié)議ISO傳輸協(xié)議支持基于ISO的發(fā)送和接收,使得設(shè)備(例如SIMATICS5或PC)在工業(yè)以太網(wǎng)上的通信非常容易,該服務(wù)支持大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸(最大8KB)。ISO數(shù)據(jù)接收有通信方確認,通過功能塊可以看到確認信息。(2)TCP傳輸協(xié)議TCP即TCP/IP中傳輸控制協(xié)議,提供了數(shù)據(jù)流通信,但并不將數(shù)據(jù)封裝成消息塊,因而用戶并不接收到每一個任務(wù)的確認信號。TCP支持面向TCP/IP的Socket。TCP支持給予TCP/IP的發(fā)送和接收,使得設(shè)備(例如PC或非西門子設(shè)備)在工業(yè)以太網(wǎng)上的通信非常容易。該協(xié)議支持大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸(最大8KB),數(shù)據(jù)可以通過工業(yè)以太網(wǎng)或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)(撥號網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng))傳輸。通過TCP,SIMATICS7可以通過建立TCP連接來發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。

3/15/2023

(3)ISO-on-TCP傳輸協(xié)議

ISO-on-TCP提供了S5兼容通信協(xié)議,通過組態(tài)連接來傳輸數(shù)據(jù)和變量長度。ISO-on-TCP符合TCP/IP,但相對于標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP,還附加了RFC1006協(xié)議,RFC1006是一個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,該協(xié)議描述了如何將ISO映射到TCP上去。(4)UDP傳輸協(xié)議

UDP(UserDatagramProtocol,用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)提供了S5兼容通信協(xié)議,適用于簡單的、交叉網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸,沒有數(shù)據(jù)確認報文,不檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。屬于OSI參考模型第4層的協(xié)議。

UDP支持基于UDP的發(fā)送和接收,使得設(shè)備(例如PC或非西門子公司設(shè)備)在工業(yè)以太網(wǎng)上的通信非常容易。該協(xié)議支持較大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸(最大2KB),數(shù)據(jù)可以通過工業(yè)以太網(wǎng)或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)(撥號網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng))傳輸。

3/15/2023通過UDP,SIMATICS7通過建立UDP連接,提供了發(fā)送/接收通信功能,與TCP不同,UDP實際上并沒有在通信雙方建立一個固定的連接。除了上述協(xié)議,F(xiàn)ETCH/WRITE還提供了一個接口,使得SIMATICS5或其他非西門子公司控制器可以直接訪問SIMATICS7CPU。3.S7通信(S7Communication)

S7通信集成在每一個SIMATICS7/M7和C7的系統(tǒng)中,屬于OSI參考模型第7層應(yīng)用層的協(xié)議,它獨立于各個網(wǎng)絡(luò),可以應(yīng)用于多種網(wǎng)絡(luò)(MPI、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng))。S7通信通過不斷地重復(fù)接收數(shù)據(jù)來保證網(wǎng)絡(luò)報文的正確。在SIMATICS7中,通過組態(tài)建立S7連接來實現(xiàn)S7通信,在PC上,S7通信需要通過SAPI-S7借口函數(shù)或OPC(過程控制用對象鏈接與嵌入)來實現(xiàn)。3/15/2023在STEP7中,S7通信需要調(diào)用功能塊SFB(S7-400)或FB(S7-300),最大的通信數(shù)據(jù)可以達64KB。對于S7-400,可以使用系統(tǒng)功能塊SFB來實現(xiàn)S7通信,對于S7-300,可以調(diào)用相應(yīng)得FB功能塊進行S7通信,如表5.4所示。

功能塊功能描述SFB8/9FB8/9USENDURCV無確認的高速數(shù)據(jù)傳輸,不考慮通信接收方的通信處理時間,因而有可能會覆蓋接收方的數(shù)據(jù)SFB12/13FB12/13BSENDBRCV保證數(shù)據(jù)安全性的數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)接收方確認收到數(shù)據(jù)后,傳輸才完成SFB14/15FB14/15GETPUT讀、寫通信對方的數(shù)據(jù)而無需對方編程表5.4S7通信功能塊3/15/20234.PG/OP通信

PG/OP通信分別是PG和OP與PLC通信來進行組態(tài)、編程、監(jiān)控以及人機交互等操作的服務(wù)。圖5.12為基于S7-300/400PLC的以太網(wǎng)通信。圖5.12S7-300/400PLC的以太網(wǎng)通信3/15/20235.3.3S7-300PLC進行工業(yè)以太網(wǎng)通信所需的硬件與軟件

1.硬件(1)CPU

(2)CP343-1IT/CP343-1

(3)PC(帶網(wǎng)卡)

2.軟件

STEP7V5.2

說明:為了便于選擇硬件,請保持軟件的更新??梢缘轿鏖T子(中國)自動化與驅(qū)動集團的官方網(wǎng)站上去下載所需的補丁和升級包。

3.PG/PCInterface的設(shè)定在“SIMATICManger”界面中,選擇“Options”→“SetPG/PCInterface”,進入“SetPG/PCInterface”界面,選定“TCP/IP(Auto)→RealtekRTL8193/810”為通信協(xié)議,見圖5.13所示。3/15/2023圖5.13“SetPG/PCInterface”界面3/15/2023

5.3.4S7-300PLC利用S5兼容的通信協(xié)議進行工業(yè)以太網(wǎng)通信1.TCP

(1)新建項目在STEP7中創(chuàng)建一個新項目,取名為“TCPofIE”。點擊右鍵,再彈出的菜單中選擇“InsertNewObject”→“SIMATIC300Station”,插入一個300站,取名為“313C-2DP”。用同樣的方法在項目“TCPofIE”下插另一個300站,取名為“315-2DP”。如圖5.14所示。圖5.14建立項目3/15/2023(2)硬件組態(tài)圖5.15“313C-2DP”站的硬件組態(tài)首先對“313C-2DP”站進行硬件組態(tài),雙擊“Hardware”進入“HWConfig”界面。在機架上加入CPU313C-2DP、SM323和CP343-1IT,如圖5.15所示:3/15/2023同時把CPU的MPI地址設(shè)為“4”,CP模塊的MPI地址設(shè)為“5”。CP343-1IT可以在“SIMATIC300”→“CP300”→“IndustrialEthernet”下找到,見圖5.16。圖5.16CP343-1IT的硬件位置3/15/2023用同樣的方法,建立“315-2DP”站的硬件組態(tài)。CPU的MPI地址設(shè)為“2”,CP模塊的MPI地址設(shè)為“3”。CP模塊的IP地址為:8,子網(wǎng)掩碼:92。硬件組態(tài)好后保存編譯,分別下載到兩臺PLC中。

(3)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置與做一般的項目不同,在做工業(yè)以太網(wǎng)通信的項目時,除了要組態(tài)硬件,還要進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置,以便于在編寫程序時,可以方便的調(diào)用功能塊。在“SIMATICManger”界面中點擊“ConfigureNetwork”鍵,打開“NetPro”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。此時可以看到兩臺PLC已經(jīng)掛入了工業(yè)以太網(wǎng)中,選中一CPU,點擊鼠標(biāo)右鍵,選擇“InsertNewConnection”建立新的連接,如圖5.18所示。3/15/2023圖5.18建立新的連接3/15/2023在連接類型中,選擇“TCPconnection”連接,如圖5.19所示。圖5.19選擇“TCPconnection”連接3/15/2023然后點擊“OK”,設(shè)置連接屬性,見圖5.20?!癎eneral”屬性中ID=1,是通信的連接號;LADDR=W#16#0110,是CP模塊的地址,這兩個參數(shù)在后面的編程時會用到。通信雙方其中一個站(本例中為CPU315-2DP)必須激活“Activeconnectionestablishment”選項,以便在通信連接初始化中起到主動連接的作用。圖5.20TCP連接屬性3/15/2023“Address”屬性中可以看到通信雙方的IP地址,占用的端口號可以自定義,也可以使用默認值,如2000,如圖5.21所示。圖5.21設(shè)定TCP/IP端口3/15/2023參數(shù)設(shè)置好后編譯保存,再下載到PLC中就完成了。(4)編寫程序在進行工業(yè)以太網(wǎng)通信編程時需要調(diào)用功能FC5“AG_SEND”和FC6“AG_RECV”,該功能塊在指令庫“Libraries”→“SIMATIC_NET_CP”→“CP300”中可以找到,如圖5.22所示。圖5.22指令庫3/15/2023其中發(fā)送方(本例中為CPU315-2DP)調(diào)用發(fā)送功能FC5,程序如圖5.23所示。圖5.23發(fā)送方程序3/15/2023當(dāng)M0.0為“1”時,觸發(fā)發(fā)送任務(wù),將“SEND”數(shù)據(jù)區(qū)中的20個字節(jié)發(fā)送出去,發(fā)送數(shù)據(jù)“LEN”的長度不大于數(shù)據(jù)區(qū)的長度。表5.5所示為功能FC5的各個管腳參數(shù)說明。參數(shù)名數(shù)據(jù)類型參數(shù)說明ACTBOOL觸發(fā)認為,該參數(shù)為“1”時發(fā)送IDINT連接號LADDRWORDCP模塊的地址SENDANY發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)LENINT被發(fā)送數(shù)據(jù)的長度DONEBOOL為“1”時,發(fā)送完成ERRORBOOL為“1”時,有故障發(fā)生STATUSWORD故障代碼表5.5功能FC5的參數(shù)說明3/15/2023同樣在接收方(本例為CPU313C-2DP)接收數(shù)據(jù)需要調(diào)用接收功能FC6,如圖5.24所示。圖5.24接收方程序3/15/2023功能FC6的各個管腳參數(shù)說明如表5.6所示。參數(shù)名數(shù)據(jù)類型參數(shù)說明IDINT連接號LADDRWORDCP模塊的地址RECVANY接收數(shù)據(jù)區(qū)NDRBOOL為“1”時,接收到新數(shù)據(jù)ERRORBOOL為“1”時,有故障發(fā)生STATUSWORD故障代碼LENWORD接收到的數(shù)據(jù)長度表5.6功能FC6的參數(shù)說明3/15/2023程序編寫好后保存下載,這樣就可以把發(fā)送方CPU315-2DP內(nèi)的20個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方CPU313C-2DP。正常情況下,功能塊FC5“AG_SEND”和FC6“AG_RECV”的最大數(shù)據(jù)通信量為240個字節(jié),如果用戶數(shù)據(jù)大于240個字節(jié),則需要通過硬件組態(tài)在CP模塊的硬件屬性中設(shè)置數(shù)據(jù)長度大于240個字節(jié)(最大8KB),如圖5.25所示。如果數(shù)據(jù)長度小于240個字節(jié),不要激活此選項以減少網(wǎng)絡(luò)負載。圖5.25通信數(shù)據(jù)量的設(shè)置3/15/20232.ISO_on_TCP

ISO_on_TCP是在TCP上加上了ISO的校驗機制,故本例中所使用的CP模塊需要支持TCP。(1)新建項目在STEP7中創(chuàng)建一個新項目,取名為“ISO_on_TCPofIE”。在彈出的菜單中選擇“InsertNewObject”→“SIMATIC300Station”,插入一個300站,取名為“313C-2DP”。用同樣的方法在項目“TCPofIE”下插另一個300站,取名為“315-2DP”。如圖5.26所示。圖5.26建立項目3/15/2023

(2)硬件組態(tài)首先對“313C-2DP”站進行硬件組態(tài),雙擊“Hardware”進入“HWConfig”界面。在機架上加入CPU313C-2DP、SM323和CP343-1IT,如圖5.27所示。圖5.27“313C-2DP”站的硬件組態(tài)3/15/2023同樣把CPU的MPI地址設(shè)為“4”,CP模塊的MPI地址設(shè)為“5”。當(dāng)把CP343-1IT插入機架時,仍然會彈出一個“CP343-1IT的屬性對話框”,新建以太網(wǎng)“Ethernet(1)”,因為是使用ISO_on_TCP,故只需設(shè)置CP模塊的IP地址,如圖5.28所示。本例中CP343-1IT的IP地址為:8,子網(wǎng)掩碼:92。建立“315-2DP”站的硬件組態(tài)方法與上面例子一樣,這里不再詳細講述。(3)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置與上面例子相同,打開“NetPro”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在連接類型中,選擇“ISO_on_TCPconnection”連接,如圖5.29所示。3/15/2023圖5.28CP343-1IT的屬性對話框3/15/2023圖5.29選擇“ISO_on_TCPconnection”連接3/15/2023然后點擊“OK”,設(shè)置連接屬性,見圖5.30?!癎eneral”屬性中ID=1,是通信的連接號;LADDR=W#16#0110,是CP模塊的地址,這兩個參數(shù)在后面編程時會用到。通信雙方其中一個站(本例中為CPU315-2DP)必須激活“Activeconnectionestablishment”選項,以便在通信連接初始化中起到主動連接的作用。“Address”屬性中可以看到通信雙方的IP地址,TSAP可以自定義,也可以使用默認值,如“TCP-1”,如圖5.31所示。參數(shù)設(shè)置好后編譯保存,再下載到PLC中,這樣網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置就完成了。(4)通信程序的編寫與TCP連接相同,這里不再重復(fù)。3/15/2023圖5.30ISO_on_TCP連接屬性3/15/2023圖5.31TSAP設(shè)置3/15/2023

3.UDPUDP的組態(tài)和編程方法同TCP基本相同,只需在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置里選擇“UDPconnection”連接即可,這里不再詳述。

4.IOS傳輸協(xié)議本例中需要支持ISO傳輸協(xié)議的CP模塊,在選擇硬件時應(yīng)當(dāng)注意。(1)新建項目

在STEP7中創(chuàng)建一個新項目,取名為“IE_IOS”,點擊右鍵,再彈出的菜單中選擇“InsertNewObject”→“SIMATIC300Station”,插入一個300站。用同樣的方法在項目“IE_IOS”下插另一個300站,如圖5.32所示。3/15/2023圖5.32建立項目(2)硬件組態(tài)單擊“SIMATIC300(1)”,雙擊“Hardware”進入“HWConfig”界面。在機架中插入所需的CPU和CP模塊,見圖5.33。3/15/2023圖5.33“SIMATIC300(1)”的硬件組態(tài)3/15/2023當(dāng)插入CP模塊后,會自動彈出一個“CP343-1IT的屬性對話框”。新建以太網(wǎng)“Ethernet(1)”,因為要使用ISO傳輸協(xié)議,故選擇“SetMACaddress/useISOprotocol”,本例中設(shè)置該CP模塊的MAC地址為08.00.06.71.6D.D0,IP地址為:8,子網(wǎng)掩碼:92,如圖5.34所示。每個CP模塊的MAC地址都不一樣,MAC地址一般標(biāo)注在CP模塊的外殼上,使用時注意查找并準(zhǔn)確輸入。用同樣的方法,建立另一個S7-300站,CP模塊為CP343-1,設(shè)置CP模塊的MAC地址,連接到同一個網(wǎng)絡(luò)“Ethernet(1)”上。

(3)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置與前面的例子同樣的方法打開“NetPro”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù),選中一CPU,點擊鼠標(biāo)右鍵,選擇“InsertNewConnection”建立新的連接,如圖5.35所示。在連接類型中,選擇“ISOtransportconnection”連接,如圖5.36所示。3/15/2023圖5.34CP343-1IT的屬性對話框3/15/2023圖5.35建立新的連接3/15/2023圖5.36選擇“ISOtransportconnection”連接3/15/2023然后點擊“OK”,設(shè)置連接屬性,見圖5.37?!癎eneral”屬性中ID=1,是通信的連接號;LADDR=W#16#0100,是CP模塊的地址,這兩個參數(shù)在后面的編程時會用到。通信雙方的其中一個站(本例中為CPU314C-2DP)為Client端,激活“Activeconnectionestablishment”選項;另一個站(本例中為CPU314C-2PtP)為Server端,在相應(yīng)屬性中不激活。3/15/2023圖5.37ISO連接屬性3/15/2023“Addresses”屬性中可以看到通信雙方的MAC地址,TSAP可以自定義,也可以使用默認值,如“ISO-1”。如圖5.38所示。圖5.38TSAP設(shè)置3/15/2023然后保存編譯,下載到PLC中。(4)通信程序的編寫與TCP連接相同,這里不再重復(fù)。5.3.5S7-300PLC利用S7通信協(xié)議進行工業(yè)以太網(wǎng)通信

1.新建項目在STEP7中創(chuàng)建一個項目,取名為“IE_S7”,點擊右鍵,再彈出的菜單中選擇“InsertNewObject”→“SIMATIC300Station”,插入一個300站。用同樣的方法在項目“IE_S7”下插入另一個300站,如圖5.39所示。3/15/2023圖5.39建立項目

2.硬件組態(tài)單擊“SIMATIC300(1)”,雙擊“Hardware”進入“HWConfig”界面。在機架中插入所需的CPU和CP模塊,見圖5.40。3/15/2023圖5.40“SIMATIC300(1)”的硬件組態(tài)3/15/2023與ISO傳輸協(xié)議一樣,當(dāng)插入CP模塊后,會自動彈出一個“CP343-1IT的屬性對話框”。新建以太網(wǎng)“Ethernet(1)”,因為要使用ISO傳輸協(xié)議,故選擇“SetMACaddress/useISOprotocol”,本例中設(shè)置該CP模塊的MAC地址為08.00.06.71.6D.D0,IP地址為:0,子網(wǎng)掩碼:。用同樣的方法,建立另一個S7-300站,CP模塊為CP343-1,設(shè)置CP模塊的MAC地址,連接到同一個網(wǎng)絡(luò)“Ethernet(1)”上。3.網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置打開“NetPro”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù),選中一CPU,點擊鼠標(biāo)右鍵,選擇“InsertNewConnection”建立新的連接,在連接類型中,選擇“S7connection”連接,如圖5.41所示。3/15/2023圖5.41選擇“S7connection”連接3/15/2023點擊“OK”,設(shè)置連接屬性,見圖5.42?!癎eneral”屬性中塊參數(shù)ID=1,這個參數(shù)在后面編程時會用到。通信雙方的其中一個站(本例中為CPU314C-2DP)為Client端,激活“Establishanactiveconnection”選項;另一個站(本例中為CPU314C-2PtP)為Server端,在相應(yīng)屬性中不激活。圖5.42S7連接屬性3/15/2023如果選擇了“TCP/IP”,站與站之間的連接將使用IP地址進行訪問,否則將使用MAC地址進行訪問?!癘ne-way”表示單邊通信,如果選擇該項,則雙邊通信的功能塊FB12“BSEND”和FB13“BRCV”將不再使用,需要調(diào)用FB14“PUT”和FB15“GET”。設(shè)置好后保存編譯并下載到各PLC中。

4.編寫程序(1)雙邊通信由于事先選擇了雙邊通信的方式,故在編程時需要調(diào)用FB12“BSEND”和FB13“BRCV”,即通訊雙方均需要編程,一端發(fā)送,則另外一端必須接受才能完成通信。FB12“BSEND”和FB13“BRCV”可以在指令庫“Libraries”→“SIMATIC_NET_CP”→“CP300”中可以找到,如圖5.43所示。3/15/2023圖5.43指令庫3/15/2023首先發(fā)送方(本例中為CPU314C-2DP)調(diào)FB12“B

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