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西门子plc工业通信网络应用案例解析

2024-06-13 来源:elecfans

强大的工业通信网络与信息技术的彻底结合改变了传统的信息管理方式,建企业的生产管理带入到一个全新的境界。


一般而言,企业的通信网络可划分为3级,及企业级、车间级和现场级。

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在应用较多的西门子工业通信网络解决方案的范畴内使用了许多通信技术。在通信、组态、编程中,除了上图中提到的工业以太网和 PROFIBUS之外,还需要使用其他一些通信技术。

下面对 SIMATIC NET逐一进行简要介绍。

1)、MPI(Multi- Point Interface,多点接口)协议

MPl通信用于小范围、小点数的现场级通信。MPI是为S7/M7和C7 PLC 系统提供的多点接口,它设计用于可编程序设备的接口,也可以用来在少数CPU之间传递少量数据。

1、MPI网络

MPI是多点接口( Multi Point Interface)的缩写,每个 SIMATIC CPU的第一个通信接口都集成了MPI通信协议。

MPI的物理层是RS485,最大传输速率为12 Mbit/s,默认的传输速率为187.5kbi/s。PLC通过MPI能同时连接运行STEP7的编程器/计算机(PGPC)、人机界面(HM)、SIMATIC S7、M7和C7。每个CPU可以使用的MPI连接总数与CPU的型号有关,为6~64个,例如,CPU312为6个,CPU417为64个

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2) 、PROFTBUS
PROFIBUS符合国际标准IEC6158,是目前国际上通用的现场总线标准之一,并以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支出和不断发展的应用行规,成为现场级通信网络的最优解决方案,其网络节点数已突破1000万个,在现场总线领域遥遥领先。

PROFIBUS协议主要由3部分组成:PROFIBUS-DP、 PROFIBUS-PA和 PROFIBUS-FMS

1、PROFIBUS-DP

DP是 Decentralized Periphery(分布式外部设备)的缩写,PROFIBUS-DP(简称为DP)主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信,特别适合于PLC与现场级分布式I/O备之间的快速循环数据交换。DP是 PROFIBUS中应用最广的通信方试。

PROFIBUS-DP用于连接下列设备:PLC、PC和HM设备:分布式现场设备,例如SIMATIC ET200和变频器等设备,PROFIBUS-DP的响应速度快,很适合在制造业使用。

作为PLC硬件组态的一部分,分布式I/O(例如ET200)用STEP7来组态。通过供货方提供的GSD文件,可以用STEP7将其他制造商生产的从站设备组态到网络中。

有的S7-300/400 CPU配备有集成的DP接口,S7-200/300/400也可以通过通信处理器(CP)连接到 PROFIBUS-DP。

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2、PROFIBUS-PA

PA是 Process Automation(过程自动化)的缩写,PROFIBUS-PA用于PLC与本质安全过程自动化的现场传感和执行器的低速数据传输,特别适合于过程工业使用。PROFIBUS-PA功能集成在起动执行器、电磁阀和测量变送器等现场设备中。

PROFIBUS-PA由于采用了IEC1582标准,确保了本质安全和通过屏蔽双绞线电缆进行数据传输和供电,可以用于防爆区域的传感器利执行器与中央控制系统的通信。

PA设备可以在下列防爆区域运行:

Zone 0:危险的瓦斯气体经常长期存在的区域。

Zone 1:在正常运行期间,有可能存在危险的瓦斯气体的区域。

Zone 2:不希望在正常运行期间存在危险的瓦斯气体的区域。

传感器/执行器安装生产现场,而偶尔器和控制等设备则安装在控制器等设备这安装在控制室内。即使总线上的设备不在危险的现场,也必须通过适当的结构保证它们的本质安全特性。使用DP/PA耦合器和DP/PA连接器,可以将PROFIBUS-PA设备很方便地集成到PROFIBUS-DP网络中。

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3、PROFIBUS-FMS

FMS是 Field Message Specification(现场总线报文规范)的缩写,用于系统级和车间但级不同供应商的自动化系统之间交换过程数据,处理单元级(PLC和PC的多主站。

据通信PROFIBUS-FMS定义了主站与主站之间的通信模型,它使用OSI七层模型的第1、2层和第7层。S7-300400使用通信FB来实现FMS服务,用STEP7组态FMS静态连接来发送和接收数据。PROFIBUS-FMS已经基本上被以太网通信取代,现在很少使用。

3)、工业以太网

工业以太网是为工业应用而专门设置的,它是一种符合遵循IE802.3国际标准的开放式、多供应商、高性能的区域和单元级网络。工业以太网将自动化系统的各个工作站互相连接,同时还可以连接计算机,是一种高速开放网络。工业以太网是目前工控界最为流行的网络技术,为SIMATIC NET提供了无缝集成到多媒体世界的途径。

选择正确的工业以太网要考虑哪些因素?简单的来说,要从工业以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口的考虑。信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、环网冗余、服务质量(QoS)、虚拟局域网(VLAN)、简单网络管理协议(SNMP)、端口镜像等等其他工业以太网管理交换机中可以提供的功能。

从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM),工业以太网设备包括以下几个重要部分。

工业以太网集线器

工业以太网非管理型交换机

工业以太网管理型交换机

工业以太网管理型冗余交换机
 

高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能,特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种,STP、RSTP;环网冗余RapidRingTM以及Trunking。

1、工业以太网 STP及RSTP

STP(Spanning Tree Protocol,生成树算法,IEEE 802.1D),是一个链路层协议,提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。如果一条路径有故障,该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP(快速生成树算法,IEEE 802.1w)作为STP的升级,将网络中断恢复时间,缩短到1-2s。生成树算法网络结构灵活,但也存在恢复速度慢的缺点。

2、工业以太网环网冗余

为了能满足工控网络实时性强的特点,RapidRing孕育而生。这是在工业以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过工业以太网交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。

RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网,使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接,这些连接可以是冗余的,避免单个线缆出错带来的问题。

3、工业以太网主干冗余

将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口,并建立连接,则这些工业以太网交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽,增强了网络吞吐量,而且还还提供了另外一个功能,即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题,那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递,保证网络的通讯正常。

Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构,理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法,所以使网络中断恢复时间达到了新的高度,一般恢复时间在10ms以下。
 

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4)、点对点连接( Point-to- Point Connection)
严格来说,点对点连接并不是网络技术。在 SIMATIC中,点对点连接通过串口连接模块来实现典型的串行通讯标准是RS232和RS485,它们定义了电压,阻抗等,但不对软件协议给予定义,区别于RS232, RS485的特性包括:

1、RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片, 且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL 电路连接。

2、RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。

3、RS-485接口强,即抗噪声干扰性好。

4、RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达 3000米(理论上的数据,在实际操作中,极限距离仅达1200米左右),另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线,所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座,与智能终端RS485接口采用DB-9(孔),与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9(针)。
 

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5)、AS- Interface

或者称为传感器/执行器接口,它是用于自动化系统最底层的通信网络。它被专门设计用来连接二进制的传感器和执行器,每个从站的最大数据为4位。

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