1、,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院,第十章 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,以西門子公司的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為例，介紹AS-i、MPI、Profibus、ProfiNet網(wǎng)絡(luò)以及S7-200的通信部件和通信配置方法。,10.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),西門子公司使用生產(chǎn)金字塔(PP, Productivity Pyramid)結(jié)構(gòu)來描述PLC產(chǎn)品所能提供的功能。 生產(chǎn)金字塔的特點(diǎn)是：底層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制與檢測(cè)，中間層負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的監(jiān)控及優(yōu)化，上層負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理。,網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)與生產(chǎn)金字塔的分層不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，相鄰幾層的功能，若對(duì)通信的要求相似，則可合并到一級(jí)子網(wǎng)中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的主要功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如分布式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器

2、、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)備開關(guān)等，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。 主站(PLC、PC或其他控制器)負(fù)責(zé)總線通信管理以及與從站的通信。 總線上所有設(shè)備生產(chǎn)工藝控制程序存儲(chǔ)在主站中，并由主站執(zhí)行。該層主要采用AS-i(傳感器/執(zhí)行器接口網(wǎng)絡(luò))。 生產(chǎn)過程的監(jiān)控層用來完成車間主要生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)設(shè)備的監(jiān)控。車間級(jí)監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警及維護(hù)等，通常還具有生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等生產(chǎn)管理功能。 生產(chǎn)過程的監(jiān)控要設(shè)立車間監(jiān)控室，與操作員工作站和打印設(shè)備。該層網(wǎng)絡(luò)可采用Profibus-FMS或者工業(yè)以太網(wǎng)，Profibus-FMS是一個(gè)多主網(wǎng)絡(luò)，這一級(jí)數(shù)據(jù)傳送速度不是很重要，但

3、是應(yīng)能傳送大量的信息。,車間操作員工作站可以通過集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送達(dá)車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠主網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)，通過交換機(jī)、網(wǎng)橋或路由器等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。 工廠管理層通常采用符合IEC802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，即TCP/IP通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。S7-300/400有很強(qiáng)的通信功能，CPU模塊集成有MPI和DP通信接口，有Profibus-DP和工業(yè)以太網(wǎng)的通信模塊以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模塊。通過Profibus-DP或AS-i現(xiàn)場(chǎng)總線，CPU與分布式I/O模塊之間可以周期性地自動(dòng)交換數(shù)據(jù)。在自動(dòng)化系統(tǒng)之間，PLC與計(jì)算機(jī)及HMI戰(zhàn)之間，均可以交換數(shù)據(jù)

4、。,S7系列PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),10.2 AS-i網(wǎng)絡(luò),AS-i(Acuator-Sensor Interface)網(wǎng)絡(luò)位于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最底層，利用兩芯電纜連接大量傳感器和執(zhí)行器，替代傳統(tǒng)的電纜束，是一種最簡(jiǎn)單、成本最低的解決方案。 AS-i網(wǎng)絡(luò)由主站、從站和從站供電單元，其中主站1臺(tái)，從站為31臺(tái)或62臺(tái)。電纜長度最大100m，利用中繼器連接可擴(kuò)展至500m。通信循環(huán)時(shí)間最大為5ms或10ms。從站的識(shí)別是利用從站地址來完成的，每個(gè)從站的地址是利用從站地址編輯器進(jìn)行設(shè)定的。,1. AS-i網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),單主站系統(tǒng) 在單主站系統(tǒng)中，AS-i網(wǎng)絡(luò)采用論詢的方式傳送數(shù)據(jù)。 高效的數(shù)據(jù)傳輸 AS-

5、i網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)和長度都是固定的。在每個(gè)周期內(nèi)，4個(gè)輸入位和輸出位用于從站和主站的數(shù)據(jù)交換。 高實(shí)時(shí)性 對(duì)于一個(gè)帶31個(gè)標(biāo)準(zhǔn)從站的AS-i網(wǎng)絡(luò)，最大輪詢時(shí)間為5ms。 絕緣穿刺技術(shù) 絕緣穿刺技術(shù)規(guī)范的黃色AS-i網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)標(biāo)志。該技術(shù)通過穿刺針在床頭據(jù)遠(yuǎn)程形成電氣連接，可用扁平電纜進(jìn)行無須剪斷或外皮拆除的可靠、快捷的接線。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) AS-i網(wǎng)絡(luò)可配置成總線型、星型或樹狀結(jié)構(gòu),AS-i網(wǎng)絡(luò)中唯一的主站以精確的時(shí)間間隔向其他站點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。,根據(jù)擴(kuò)展規(guī)范，一個(gè)AS-i網(wǎng)絡(luò)可帶62個(gè)從站，最大輪詢時(shí)間為10ms,2. AS-i 的主站設(shè)備,AS-i單一主站可選擇如下中一種： PC主機(jī)系統(tǒng)。需要

6、安裝CP2413通信卡。 S7-300PLC和分布式I/O中央控制單元(如：ET200M/T)，需要安裝CP342-2或CP343-2通信模塊。 其它具有AS-i接口的智能設(shè)備。,3. AS-i的從站設(shè)備,連接標(biāo)準(zhǔn)傳感器/執(zhí)行器的模板 帶有集成的從站ASIC的執(zhí)行器和傳感器 用于通過AS-i接口安全傳輸數(shù)據(jù)的安全型模板 其它具有AS-i接口的設(shè)備,4. AS-i的主/從通信方式,通信過程：主站一個(gè)接一個(gè)地輪流詢問每個(gè)從站，詢問后等待從站的響應(yīng)。 地址是AS-i從站的標(biāo)識(shí)符?？梢杂脤Ｓ玫牡刂穯卧蛑髡緛碓O(shè)置各從站的地址,AS-i使用電流調(diào)制技術(shù)保證了通信的高可靠性。 主站如果檢測(cè)到傳輸錯(cuò)誤或從站

7、的故障，將會(huì)發(fā)送報(bào)文給PLC，提醒用戶進(jìn)行處理。在正常運(yùn)行時(shí)增加或減少從站，不會(huì)影響其他從站的通信。 擴(kuò)展的AS-i接口技術(shù)規(guī)范V2.1最多允許連接62個(gè)從站，主站可以對(duì)模擬量進(jìn)行處理。,主站呼叫發(fā)送報(bào)文,AS-i的報(bào)文主要有主站呼叫發(fā)送報(bào)文和從站應(yīng)答/響應(yīng)報(bào)文。 主站的請(qǐng)求幀由14個(gè)數(shù)據(jù)位組成。,起始位 ST=0,控制位 SB=0 傳送數(shù)據(jù) SB=1 傳送命令,從站地址,數(shù)據(jù)位,奇偶校驗(yàn)位,結(jié)束位 EB=1,從站應(yīng)答/響應(yīng)報(bào)文,主站通過呼叫發(fā)送報(bào)文，可以完成下列功能： 數(shù)據(jù)交換：主站通過報(bào)文把控制指令或數(shù)據(jù)發(fā)送給從站，或讓從站上傳測(cè)量數(shù)據(jù)。 設(shè)置從站參數(shù)：如設(shè)置傳感器測(cè)量范圍，激活定時(shí)器和改

8、變測(cè)量方法。 刪除從站地址：把被呼叫的從站地址暫時(shí)改為0。 地址分配：只能對(duì)地址為0的從站分配地址，從站的新地址存放在FEPROM(快速EPROM)中。 復(fù)位功能：把被呼叫的從站恢復(fù)為初始狀態(tài)時(shí)的地址。 讀取從站的I/O配置。 狀態(tài)讀取：讀取總站的4個(gè)狀態(tài)位，以獲得在尋址和復(fù)位時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤信息。 狀態(tài)刪除：讀取從站的狀態(tài)并刪除其內(nèi)容。,10.3 MPI網(wǎng)絡(luò),MPI (Multipoint Interface)是一種適用于小范圍、少數(shù)站點(diǎn)間通信的總線型網(wǎng)絡(luò)。在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中屬于單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，多用于對(duì)PLC編程，連接上位機(jī)和少量PLC之間的近距離通信。,1.網(wǎng)絡(luò)連接,2.PLC之間通過

9、MPI進(jìn)行通信,PLC之間通過MPI口通信的3種方式:,(1) 全局?jǐn)?shù)據(jù)包通信方式,以全局?jǐn)?shù)據(jù)包通信方式實(shí)現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)交換時(shí)，只需要關(guān)心數(shù)據(jù)的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)。在配置PLC硬件的過程中，配置所需通信PLC站之間的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)即可，無須任何程序處理。該方式僅適用于S7-300/400PLC之間相互通信。 通信數(shù)據(jù)包最大長度： S7-300 22字節(jié) S7-400 54字節(jié),2. 無須配置連接通信方式,全局?jǐn)?shù)據(jù)包通信包必須在同一個(gè)項(xiàng)目下進(jìn)行，缺乏靈活性，可以通過調(diào)用系統(tǒng)功能SFC65-69來實(shí)現(xiàn)MPI通信，該方式適用于S7-300/400/200間進(jìn)行通信，而且無須配置連接?？刹捎秒p向和單向

10、方式進(jìn)行通信。,3. 需要配置連接的通信方式,需要配置連接的通信方式適合于S7-400間以及S7-300間的MPI通信。如果S7-400和S7-300通信，后者只能做服務(wù)器端，前者做客戶端，通信雙方需要配置一個(gè)連接。,10.4 Profibus網(wǎng)絡(luò),Profibus網(wǎng)絡(luò)組成： Profibus-FMS、 Profibus-DP、 Profibus-PA。,10.4.1 Profibus控制系統(tǒng)組成,從站(從動(dòng)節(jié)點(diǎn)) 不能擁有總線訪問的權(quán)限，只能確認(rèn)收到的信息或者在主站的請(qǐng)求下發(fā)送信息。 PLC、分布式I/O(包括電源、通信適配器和接線端子)、變頻器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等帶有Profibus接口的

11、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,Profibus控制系統(tǒng)由主站和從站組成,主站(主動(dòng)節(jié)點(diǎn)) 掌握總線中數(shù)據(jù)流的控制權(quán)，只要主站擁有訪問總線權(quán)(令牌)，既能在沒有外部請(qǐng)求的情況下發(fā)送信息。 PLC、PC及其他和作為主站的控制器,分布式I/O不具有程序存儲(chǔ)和程序執(zhí)行了國內(nèi)里，通信適配器部分接收主站指令，按主站指令驅(qū)動(dòng)I/O，并將I/O輸入及故障診斷等返回給主站,10.4.2 Profibus基本特性,傳輸技術(shù) Profibus-DP和Profibus-FMS RS-485 Profibus-PA IEC 1158-2/光纖 RS-485 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu)，兩端帶有終端電阻； 傳輸速率為9.6k-12Mbit/s

12、，電纜長度取決于傳輸速率； 介質(zhì)為屏蔽/非屏蔽雙絞線，這取決于環(huán)境條件； 站點(diǎn)數(shù)，每段32個(gè)站(無中繼器)，最多127個(gè)站(有中繼器)； 插頭連接，最好選擇9針D型插頭。,IEC1158-2傳輸技術(shù),基本原理： 每段只有一個(gè)電源作為供電裝置； 每站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)電流； 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作用相當(dāng)于無源的電流吸收裝置； 主干線兩端起無源終端的作用； 支持介質(zhì)冗余。,傳輸特性： 采用數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)傳輸； 傳輸速率為31.25kbit/s，電壓式； 通過前同步信號(hào)，采用起始和終止限定符避免誤差，保證傳輸?shù)目煽啃裕?介質(zhì)為屏蔽/非屏蔽雙絞線，這取決于環(huán)境條件； 可選遠(yuǎn)程電源供電；

13、 防爆型，能進(jìn)行本質(zhì)/非本質(zhì)安全操作； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榭偩€型、樹型和星型結(jié)構(gòu)； 每段最多32站(無中繼器)，最多127個(gè)(有中繼器)； 中繼器最多可擴(kuò)展至4臺(tái),光纖傳感技術(shù),Profibus總線在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體，以延長高速傳輸?shù)木嚯x。 光纖導(dǎo)體分為兩類; 價(jià)格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，傳輸距離小于50m。 玻璃纖維導(dǎo)體，傳輸距離大于1KM 大多廠商提供RS-485和光纖導(dǎo)體信號(hào)轉(zhuǎn)換的總線插頭。,2. Profibus協(xié)議,協(xié)議結(jié)構(gòu),介質(zhì)訪問控制 主從站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主/從方式。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)，主站得到總線存取令牌

14、時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息?？赡艿南到y(tǒng)配置有： 純主/從系統(tǒng) 純主/主系統(tǒng) 混合系統(tǒng),10.4.3 Profibus-DP,Profibus-DP用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等)進(jìn)行通信，大多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的。此外，智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還需要周期性通信，以進(jìn)行配置、診斷和報(bào)警處理。,Profibus站點(diǎn)類型主要有DPM1、DPM2和Profibus-DP從站3種。,Profibus-DP站點(diǎn)類型,DPM1(1)。主站為中央控制器，它在預(yù)定的周期內(nèi)與分散的站(如DP從站)交換信息。同一總線上允許有多個(gè)DPM1主站。

15、典型的DPM1如PLC或PC。 DPM2 (2類Profibus-DP站點(diǎn))。 DPM2是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在Profibus-DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。一般統(tǒng)一總線上只有1個(gè)2類總線。 Profibus-DP從站。 Profibus-DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備(I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門等),基本功能 采用RS-485雙絞線或光纖，通信速率為9.6kbit/s12Mbit/s。在一個(gè)有著32個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，DP對(duì)所有站點(diǎn)傳送512位輸入和512輸出，在12Mbit/s時(shí)只需1ms。 各主站間令牌傳送，主站與從站間數(shù)據(jù)傳送，支持單

16、主或多主系統(tǒng)、主/從設(shè)備，總線上最多站點(diǎn)為127。 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(用戶數(shù)據(jù)傳送)或廣播(控制指令)。循環(huán)主/從用戶數(shù)據(jù)傳送何非循環(huán)主/主數(shù)據(jù)傳送。 各從站支持動(dòng)態(tài)激活和撤銷，檢測(cè)從站配置。,通過總線可對(duì)主站配置，給從站設(shè)定地址，每個(gè)從站最大為246個(gè)字節(jié)的輸入或輸出空間。 診斷功能可對(duì)故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站收集。 Profibus-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。系統(tǒng)配置說明包括：站點(diǎn)數(shù)、站點(diǎn)地址和輸入輸出數(shù)據(jù)的格式、診斷信息格式以及所用總體參數(shù)。 運(yùn)行模式。運(yùn)行、清除、停止。 同步?？刂浦噶钤试S輸入和輸出同步。同步模式為輸出同步；鎖定模式為輸入同步。 可靠性和保護(hù)機(jī)制。,擴(kuò)

17、展功能 Profibus-DP擴(kuò)展功能是對(duì)基本功能的補(bǔ)充，與基本功能兼容。擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)通常采用軟件更新的方法實(shí)現(xiàn)。 DMP1與從站間非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸 報(bào)警響應(yīng) DMP2與從站間的擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸,GSD文件 為了將不同生產(chǎn)廠家的Profibus產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件(電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件)方式描述這些產(chǎn)品的功能參數(shù)。 GSD文件可分為以下3個(gè)部分： 總規(guī)范 包括了生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、傳輸速率、監(jiān)視時(shí)間間隔、總線插頭指定信號(hào)。 與Profibus-DP主站有關(guān)的規(guī)范 包括適用于主站的各項(xiàng)參數(shù)，如允許從站個(gè)數(shù)、上裝/下裝能力 與Profibus-DP從站有關(guān)的規(guī)范 包括

18、了與從站有關(guān)的一起規(guī)范，如輸入/輸出通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。,行規(guī) 行規(guī)對(duì)用戶數(shù)據(jù)的定義進(jìn)行了說明，并規(guī)定了應(yīng)用領(lǐng)域。它保證了不同廠商所生產(chǎn)的設(shè)備之間的互換性。 NC/RC行規(guī)(3.052) 說明了通過Profibus-DP隊(duì)操作和裝配機(jī)器的控制方法 編碼器行規(guī)(3.062) 說明了帶單轉(zhuǎn)或多分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器、線性編碼器與Profibus-DP的連接 傳動(dòng)行規(guī)(3.071) 規(guī)定了調(diào)速設(shè)備如何參數(shù)化，以及如何傳送設(shè)定值和實(shí)際值 操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī)(HMI) 規(guī)定了操作員控制和過程監(jiān)視設(shè)備如何通過網(wǎng)絡(luò)連接到自動(dòng)化設(shè)備上。,S7-200接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò) S7-200通過EM

19、277接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò) EM277模塊的DP端口可連接到網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)DP主站上，但能作為一個(gè)MPI從站與同一網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備進(jìn)行通信。,10.4.4 Profibus-PA,Profibus-PA的特性： 適合過程自動(dòng)化應(yīng)用的行規(guī)，使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互換性； 添加和移除總線節(jié)點(diǎn)，即使在本質(zhì)安全地區(qū)也不會(huì)影響到其它節(jié)點(diǎn)。 在過程自動(dòng)化的Profibus-PA段與制造業(yè)自動(dòng)化的Profibus-DP總線之間通過耦合器連接，并使之實(shí)現(xiàn)兩段間得通明通信。 適用于IEC1158-2技術(shù)相同的雙絞線完成遠(yuǎn)程供電和數(shù)據(jù)傳送。 在潛在的爆炸危險(xiǎn)區(qū)可使用防爆型“本質(zhì)安全”或“非本質(zhì)安全”,Profibus-PA傳輸協(xié)議 采用Profibus-DP基本功能來傳送測(cè)量值和狀態(tài)，采