1、8.1 计算机的数据通信8.2 现场总线与PROFIBUS总线8.3 S7-300的通信与参数设置思考题与习题第8章可编程控制器的通信和网络组成主要内容：主要内容：(1)掌握计算机通信基础知识。(2)掌握PLC的通信功能和方式。本章首先介绍计算机通信方式及可编程控制器通信中常用接口标准的基本概念，然后着重介绍现场总线的基本知识和PROFIBUS总线的概貌、组成、存取协议、在自动化控制系统中的位置及S7-300的常用通信网络；最后介绍S7-300的通信功能和参数设置。随着计算机控制技术的发展、迅速推广和普及，相当多的企事业单位在大量地使用各式各样的可编程设备，如数控机床、工业控制计算机、PLC、
2、各种机器人等。它们之间交换的信息都是由数字量“0”和“1”或模拟量经过转换后来实现的。所谓数据通信，是指通过计算机技术与通信技术的结合来实现信息的传输、交换、存储和处理。信道则是指数据传输信号的通路。8.1 计算机的数据通信计算机的数据通信8.1.1 计算机的通信方式计算机的通信方式按传输方式的不同，计算机的通信方式分为以下几类。1.并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行数据通信是以字节或字为单位的数据传输方式，它可以一次同时传输多位二进制数。硬件连线时，除了8根或16根数据线、1根公共线外，还需要通信双方联络用的控制线。并行通信的特点是传送速度快，但是传输线的根数多，抗干扰能力较差，一般用
3、于近距离数据传送。例如，PLC模块之间的数据传输及计算机与打印机、扫描仪之间的数据传输多采用并行通信。串口是计算机上一种通用的设备(它不同于通用串行总线或者USB口)。现在，基于RS-232C的串口已经成为计算机的标准配置。同时，串口也是仪器仪表设备通用的通信协议，很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。串行通信指数据流(二进制)一位一位地传送，从发送端到接收端最少的只要1根传输线和1根控制线即可实现。其特点是需要的信号线少，适用于距离较远的场合，与并行通信相比传输速率较慢。计算机和PLC都有通用的串行通信接口，如RS-485或RS-232C接
4、口。工业控制中计算机之间的通信一般采用串行通信。2.异步通信与同步通信异步通信与同步通信在串行通信中，接收方的接收速率和发送方的发送速率应相同，但是实际的发送速率与接收速率之间总会有一些微小的差别，如果不采取措施，在连续传送大量信息时，将会造成信息累积、错位或丢失。为了解决这一问题，可以采用接收方对接收到的信息进行校验的办法来消除，也可以采用使发送过程和接收过程同步的办法来解决。按同步方式的不同可将串行通信分为异步通信和同步通信。(1)异步通信是指把各个字符分开传输，字符与字符之间插入同步信息，如图8-1所示。发送的字符由1个起始位、7或8个数据位、1个奇偶校验位(可以没有)和终止位(1位、1
5、.5或2位)组成。在通信开始前，通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。接收方检测到终止位或起始位之间的下降沿后，将它作为接收的起始点，在每一位的中点接收信息。由于在一个字符中包含的位数不多，即使发送方和接收方的收发频率略有不同，也不会因为两台设备之间时钟周期的积累误差而导致信息的发送和接收错位。异步通信的特点是：传送附加的非有效信息较多，传输效率较低，但是随着通信速率的提高，可以满足控制系统通信的要求。PLC多采用异步通信。图8-1 异步通信的信息格式奇偶校验的作用是检验所接收到的数据的正确性。奇校验是指发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”(奇校验时校验位的
6、值是“1”，偶校验时校验位的值是“0”)的个数和为奇数；偶校验是指发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”的个数和为偶数。这样接收方对接收到的每一个字符中“1”的个数和的奇偶性进行校验，可以检验出传输过程中信息是否出错。例如，某字符中包含以下8个数据位：l 0 1 0 0 0 1 1，其中“1”的个数是4个。如果选择奇校验，“1”个数和是5个，为奇数。如果接收到的数据中“1”的个数为偶数(采用奇校验)，则说明传输过程出错。当选择偶校验时，“1”的个数和仍然是4个。如果接收到的数据中“1”的个数为奇数(采用偶校验)，则说明传输过程出错。(2)同步通信是指发送方在发送数据之前先发送1或2
7、个同步字符，同步字符起联络作用，接收方只要检测同步字符，即可确认已进入同步状态，准备接收数据。同步通信以字节为单位，每次传送1或2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。在同步通信中，发送方和接收方应保持完全同步，这意味着发送方和接收方应使用同一个时钟脉冲。同步传输的特点是传输效率高，对硬件要求高。3.单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信(1)单工通信方式：在单工信道上信息只能往一个方向传送。发送方不能接收，接收方不能发送。(2)半双工通信方式：在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。即用同一根数据线
8、接收和发送数据，通信双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，如图8-2所示。(3)全双工通信方式：这是一种双向可同时进行信息传递的通信方式。数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传输，通信的双方都能在同一时刻接收和发送数据，如图8-3 所示。图8-2 半双工通信方式 图8-3 全双工通信方式4.基带传输与频带传输基带传输与频带传输根据数据传输系统在传输终端形成数据信号的过程中是否搬移信号的频带和是否调制信号，可将数据传输系统分为基带传输和频带传输。基带传输是指数据传输系统对信号不做任何调制，直接传输的数据传输方式。在PLC网络中，大多数信息采用基带传输，对二进制数字信号不进行任何调制，按它
9、们原有的脉冲形式直接传输。又因整个频带范围都用来传输某一数字信号(即单信道)，故多用在半双工通信中。频带传输是指把信号调制到某一频带上的传输方式。当进行频带传输时，用调制器把二进制信号调制成能在电话线路上传输的音频信号(模拟信号)，从而在通信线路上进行传输。接收端接收到信号后经过解调再把音频信号还原成数字信号，常用于全双工通信。8.1.2 通信中的传输速率与传输介质通信中的传输速率与传输介质1.传输速率传输速率 传输速率是指单位时间内传输的信息量，它是衡量系统传输速度快慢的主要指标。在串行通信中，传输速率又称波特率。常用的传输速率为30038400b/s(即每秒中传输30038 400位二进制
10、数)。在数据传输中有三种速率：数据传输速率、数据信号速率和调制速率。(1)数据传输速率是指单位时间内传输的数据量，数据量的单位可以是比特、字符等。数据传输速率通常以字符/分钟为单位。例如：使用数据信号速率为1200b/s的传输电路，按起止同步方式来传输ASCII数据时，其数据传输速率为母中的“2”是附加的起始位和终止位。)/(720028601200分钟字符(2)数据信号速率是单位时间内通过某一信道的数据量，单位是比特/秒(b/s)。(3)调制速率也称码元速率，是指脉冲信号经过调制后的传输速率。2.传输介质传输介质目前，普遍使用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆，其他介质(如无线电、微波等)在
11、PLC网络中应用较少。其中双绞线成本低、安装简单、有阻燃性，同时具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。光缆尺寸小、重量轻、传输距离远，但成本高，安装维修需专门仪器。8.1.3 PLC通信中常用的接口标准通信中常用的接口标准在可编程控制器通信中，不管是可编程控制器与可编程控制器之间，还是计算机与可编程控制器之间，因传输距离较远且为避免采用并行通信时复杂的接线，所以多采用串行通信。计算机与可编程控制器上面都有通用的串行通信接口(如RS-232C、RS-485等)。接口是DTE(Data Terminal Equipment，指一般的数据终端设备或是计算机)与DCE(Data Circuit-t
12、erminating Equipment，通常指调制解调器，多路复用器或数字设备)之间的界面。为了使不同厂家的产品能够互换或互连，DTE与DCE在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范，这一套标准规范就是DTE/DCE的接口标准(或称接口协议)。互连的设备在接口的标准上必须一致，这对于数据通信中其他通信层次具有相同的含义，不仅仅局限于物理层。并且每种接口都有其自己的接口标准，不兼容的接口之间相互连接时不能互相通信。1.RS-232C1969年，美国EIA(Electronic Industries Association)电子工业协会公布的RS-232C通信协议至今仍
13、在计算机和PLC中广泛使用，它是一种串行通信接口。RS-232C也是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准，有许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表，用于驱动和连线的改进。实际应用中，RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。在RS-232C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即用-15-5 V表示逻辑“1”，用+5+15 V表示逻辑“0”。噪声容限为2 V，即要求接收器能识别低至+3 V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。RS-232C接口的物理结构连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端。一些
14、设备与PC机连接的RS-232C接口，因为不使用对方的传送控制信号，故只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。工业控制多采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。DB-9针连接头从计算机连出的线的截面及PLC与计算机信号连接图如图8-4所示。图 8-4 DB-9针连线截面图及PLC与计算机信号连接图RS-232C各针脚的功能如下：TxD(pin 3)为串口数据输出；RxD(pin 2)为串口数据输入；RTS(pin 7)为发送数据请求；CTS(pin8)为清除发送；DSR(pin 6)为数据发送就绪；DCD(pin 1)为载波检测；DTR(pin 4)为数据终端就绪；G
15、ND(pin 5)为地线；RI(pin 9)为铃声指示。RS-232C的最大通信距离为15 m，最高传输速率为20kb/s，只能进行一对一的通信。下面我们根据图8-5所示RS-232C的远程连接和近地连接更深刻地了解它。图8-5(a)给出了两台远程计算机通过电话网相连的结构图。从图中可以看出，DTE实际上是数据的信源或信宿，而DCE则完成数据由信源到信宿的传输任务。RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。图8-5(b)所示用于直接连接两台近地设备，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。由于这两种设备必须分别以DTE和DCE方式成对出现
16、才符合RS-232C标准接口的要求，因此在这种情况下要借助于一种采用交叉跳接信号线方法的连接电缆，使得连接在电缆两端的DTE通过电缆看对方都好像是DCE一样，从而满足RS-232C接口需要DTE-DCE成对使用的要求。这根连接电缆也称做零调制解调器(Null Modem)。图8-5 RS-232C的远程连接和近地连接(a)远程连接；(b)近地连接图8-6 RS-485组成的串行通信网络2.RS-422ARS-422A标准(EIA RS-422A Standard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422A使用平衡驱动、差分信号接收电路，从根本上取消了地线。而RS-23
17、2使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，与RS-232C相比，它有较强的抗噪声和更远的传输距离。RS-422A在最大传输速率(10 Mb/s)时，允许的最大通信距离为12m；传输速率为100kb/s时，最大通信距离为1200m。一台驱动器可以连接10台接收机。在RS-422A模式，数据通过4根导线传送(四线操作)。RS-422A是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送与接收。3.RS-485RS-485(EIA-485标准)是RS-422A的改进。RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收。使用RS-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络(如图8-
18、6 所示)，构成分布式系统，系统中站的个数从10个增加到32个，新的接口器件已允许连接128个站。它同时定义了在最多设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力，就可以使用一个单个RS-422A接口建立设备网络。除了抗噪和多设备能力，在工业应用中，建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时，串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422A的超集，可以说所有的RS-422A设备都能被RS-485控制。RS-485可以用超过1200m的线进行串行通信。RS-422A和RS-485的引脚功能如表8-1所示。表表8-1 RS-422A和和RS
19、-485的引脚功能的引脚功能IEC(国际电工委员会)对现场总线(Field bus)的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。IEC的现场总线国际标准(IEC 61158)中有8种现场总线类型，其中德国西门子公司的产品支持PROFIBUS总线。8.2 现场总线与现场总线与PROFIBUS总线总线PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备之间的通信。PLC与计算机、其他智能设备及其他PLC之间可以直接进行通信，也可以通过由通信处理单元、通信控制器或路由器等相连构成的网络来实现信息交换。在工
20、业控制中，将各个PLC或远程I/O模块按功能布置在生产现场，控制各自的设备，然后用网络连接起来形成集中管理的分布式网络系统，这样就组成了一个工厂自动化通信网络。8.2.1 现场总线的基本知识现场总线的基本知识 1.现场总线技术的由来及定义现场总线技术的由来及定义随着大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备都具有智能化，即内置了CPU控制器。为了完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能，对这些智能现场设备增加一个串行数据接口(如RS-232/485)是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定的协议，通过串行通信方式完成对现场设备的监控了。如果设想全部或大
21、部分现场设备都具有串行通信接口和统一的通信协议，则控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。基于这些想法，即使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是I/O(420 mA/24 V DC)信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统也就形成了现场总线技术。目前，行业公认的现场总线技术概念是：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置及系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中“生产过程”包括断续生
22、产过程和连续生产过程两类。或者说现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现信息的相互交换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。2.现场总线技术产生的意义现场总线技术产生的意义(1)现场总线(Field bus)技术是实现现场级与车间级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备(智能化、带有通信接口)连接，用数字化通信代替420 mA/24 V DC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。(2)传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的I/O(420 mA
23、/24 V DC)信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息瓶颈”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。(3)基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。3.基于现场总线的自动化通信网络的主要优点基于现场总线的自动化通信网络的主要优点(1)增强了现场级信息集成能力。现场总线可从现场设备获取大量的信息，能够更好地满足工厂自动化及系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代420 mA信号，也可实现设备状态、故障、参数
24、的信息传送。系统除完成远程控制外，还可完成远程参数化工作。(2)开放式、互操作性、互换性、可集成性。不同厂家的产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。(3)系统可靠性高、可维护性好。基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系
25、统的可维护性。(4)降低了系统及工程成本。对大范围、大规模I/O分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。8.2.2 PROFIBUS总线概况及组成总线概况及组成1.PROFIBUS的概况的概况PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域。PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)和PROFIBUS-FMS(Fieldbus M
26、essage Specification)。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分布式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可代替424V DC或420mA的信号传输。PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并要保证安全规范。PROFIBUS-FMS可用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。它可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。与其他现场总线
27、系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。S7-300/400PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上。目前PROFIBUS总线有以下应用领域：(1)制造业自动化：汽车制造(机器人、装配线、冲压线等)、造纸、纺织；(2)过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒；(3)电力：发电、输配电；(4)楼宇：空调、风机、照明；(5)铁路交通：信号系统。2.PROFIBUS的组成的组成PROFIBUS由PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS三
28、大部分组成。其各自的功能和特点分述如下：1)PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输。使用扩展的PROFIBUS-DP协议可描述现场设备行为的PA行规。同时，PROFIBUS-PA在传输技术上执行了IEC1158-2标准，所以可用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。PROFIBUS-PA设备可以通过分段式耦合器很方便地集成到PROFIBUS-DP网络中。PROFIBUS-PA使用屏蔽的双绞线电缆，由总线提供电源。在危险区域每个DP/PA链路可以连接15个现场设备，在非危险区域每个DP/PA链路可以连接31个现场设备。PROFIBU
29、S-PA适用于PROFIBUS的过程自动化。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，可用来替代420mA的模拟技术。PROFIBUS-PA具有如下特性：(1)适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的现场设备具有互换性。(2)增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不会影响到其他站。(3)在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS-DP总线段之间通过耦合器连接，可实现两段间的透明通信。(3)使用与IEC 1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。(4)在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。PROFIB
30、US-PA传输协议：PROFIBUS-PA采用PROFIBUS-DP的基本功能来传送测量值和状态，并用扩展的PROFIBUS-DP功能来制订现场设备的参数，进行设备操作。PROFIBUS-PA第一层采用IEC 1158-2技术，第二层和第一层之间的接口在DIN19245系列标准的第四部分做出了规定。PROFIBUS-PA行规：PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是PROFIBUS-PA的一个组成部分。PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其他选择的一些
31、设备类型作了具体规定，这些设备如测压力、液位、温度和流量的变送器，数字量输入和输出，模拟量输入和输出，阀门，定位器等。2)PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分布式I/O的通信。使用它可代替424V DC或420mA的信号传输。PROFIBUS-DP特别适合于PLC与现场级分布式I/O设备之间的通信。主站与主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式与令牌方式相结合的通信方式。S7-300系列PLC有的配备有集成的PROFIBUS-DP接口，S7-300/400也可以通过通信处理器(CP)连接到PROFIBUS-DP网络。PROFIBUS
32、-DP用于现场层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。PROFIBUS-DP的基本功能如下：(1)传输技术：利用RS-485双绞线、双线电缆或光缆进行数据传输，波特率从9.6 kb/s到12 Mb/s。(2)总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统；总线上最多站点(主-从设备)数为126。(3)通信：点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)。循环主-从用户数据传送和非循环
33、主-主数据传送。(4)运行模式：运行、清除、停止。(5)同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。(6)功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送；各DP从站的动态激活，DP从站组态的检查；强大的诊断功能，三级诊断信息；输入或输出的同步；通过总线给DP从站赋予地址；通过总线对DP主站(DPM1)进行配置；每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。(7)可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离(HD=4)进行；DP从站带看门狗定时器(Watchdog Timer)；对DP从站的输入/输出进行存取保护；DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。(8)设备类型：
34、第二类DP主站(DPM2)是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站(DPM1)是中央可编程控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入/输出的驱动器、阀门等。PROFIBUS-DP基本特征如下：(1)速率：PROFIBUS-DP协议支持9600 kb/s12 Mb/s的波特率。在一个有着32个站点的分布式系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512b/s输入和512b/s输出。(2)诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。3)PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS主要用于系统级和车间级的不同供应商
35、的自动化系统之间的数据传输，及解决车间监控级通信。在这一层，中央控制器之间需要比现场层更大量的数据传输，但通信的实时性要求低于现场层。PROFIBUS-FMS应用层提供了供用户使用的通信服务。这些服务包括访问变量、程序传递、事件控制等。PROFIBUS-FMS应用层包括下列两部分：(1)现场总线信息规范(Fieldbus Message Specification，FMS)：描述了通信对象和应用服务。(2)低层接口(Lower Layer Interface，LLI)：FMS服务到第二层的接口。PROFIBUS-FMS通信模型：PROFIBUS-FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用
36、的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟设备(Virtual Field Device，VFD)。在实际现场设备与VFD之间可以设立一个通信关系表。通信关系表是VFD 通信变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。8.2.3 PROFIBUS总线在工厂自动化系统中的位置总线在工厂自动化系统中的位置一个典型的工厂自动化系统应该是现场级、车间级和工厂级的三级网络结构。基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。如图8-7所示为
37、现场总线在工厂自动化系统中的位置。图8-7 PROFIBUS总线在自动化系统中的位置1.现场级现场级现场级的主要功能是连接现场设备(如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等)，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站(PLC、PC机或其他控制器)负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备的生产工艺控制程序都存储在主站中，并由主站执行。2.车间级车间级车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接和车间级设备的监控，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接与监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。车间级监控还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级
38、监控通常要设立车间监控室，包括操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS或工业以太网。PROFIBUS-FMS是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的，但是能够传送大容量的信息。3.工厂级工厂级车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网通过交换机、网桥或路由器等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理。车间管理层就是通常所说的工业以太网，即IEC 802.3 TCP/IP的通信协议标准。厂区骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。西门子的工业以太网中采用了以下新技术：(1
39、)交换技术(Switching)。交换技术用开关将一个网络分成若干段，降低了网络通信负载。在每个独立的段中，本地数据通信独立于其他段，因此可以在不同的段内同时发送数据。(2)消除冲突的全双工模式。全双工快速以太网链路的数据传输速率可达到200Mb/s，从而提高了数据的吞吐量。(3)自适应。网络节点可自动识别信号传输速率(10Mb/s或100Mb/s)，可根据以太网的配置协议实现对自动协商的支持。8.2.4 PROFIBUS总线的存取协议与传输技术总线的存取协议与传输技术1.PROFIBUS总线的存取协议总线的存取协议(1)三种PROFIBUS(DP、FMS、PA)均使用一致的总线存取协议。该协
40、议是通过OSI参考模型第二层(数据链路层)来实现的，它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。(2)在PROFIBUS中，第二层称为现场总线数据链路层(Fieldbus Data Link，FDL)。介质存取控制(Medium Access Control，MAC)具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。(3)PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：在复杂的自动化系统(主站)间通信，必须保证在确切限定的时间间隔，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。在复杂的程序控制器和简单的I/O设备(从站)间通信，应尽可能快速、简单地完成数据的
41、实时传输。因此，PROFIBUS总线存取协议是主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。(4)令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。(5)主站得到总线存取令牌时，可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息，因此有以下三种系统配置：纯主-从系统；纯主-主系统；混合系统。图8-8所示为一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。图8-8 3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统3个主站之间构成逻辑令牌环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主-从
42、通信关系表与所有从站通信，也可依照主-主通信关系表与所有主站通信。2.PROFIBUS总线的传输技术总线的传输技术PROFIBUS提供了三种数据传输类型，即用于DP/FMS的RS-485传输、用于PA的IEC 1158-2传输和光纤传输。1)用于DP/FMS的RS-485传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因此，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。RS-485传输技术的基本特征如下：(1)网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。(2)传输速率：9.6 kb/s12 Mb/s
43、。(3)介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，这取决于环境条件(EMC)。(4)站点数：每分段32个站(不带中继)，可多到127个站(带中继)。(5)插头连接：最好使用9针D型插头。2)用于PA的IEC 1158-2传输技术(1)数据IEC 1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。(2)IEC 1158-2是一种位同步协议。(3)IEC 1158-2技术用于PROFIBUS-PA，其传输以下列原理为依据：每段只有一个电源作为供电装置。当站收发信息时，不向总线供电。每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。现场设备
44、的作用如同无源的电流吸收装置。主总线两端起无源终端线作用。允许使用线型、树型和星型网络。为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。为了达到调制的目的，假设每个总线站至少需用10mA的基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从9 mA到基本电流之间。(4)IEC 1158-2传输技术特性如下：数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。传输速率：31.25 kb/s，电压式。数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符，以避免误差。电缆：双绞线、屏蔽式或非屏蔽式。远程电源供电：可选附件，通过数据线。防爆性：能进行本征及非本征安全操作。拓扑：线型或树型，或两者相结合。站数：每段最多3
45、2个，总数最多为126个。中继器：最多可扩展至4台。3)光纤传输技术(1)PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。(2)可使用两种光纤导体。一种是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50m的情况下使用；另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1 km的情况下使用。(3)许多厂商提供专用总线插头，可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。8.2.5 S7-300/400的通信网络的通信网络1.通过多点接口通过多点接口(MPI)协议的数据通信协议的数据通信MPI是Multi Point Interface的缩写，每个S7-3
46、00/400 CPU都集成了多点接口通信协议，MPI的物理层是RS-485。通过MPI，PLC可以同时与多个设备建立通信连接。可以连接的设备包括编程器或者是运行STEP7的计算机、人机界面(HMI)及其他SIMATICS7、M7和C7。同时，连接的通信对象的个数与CPU的型号有关，例如CPU312为6个，CPU418为64个。西门子有两种硬件MPI连接器，一种带有PG(编程器)接口，一种没有PG接口。在计算机上应插一块MPI卡，或使用PC/MPI适配器。位于网络终端的站，应将其连接器上的“终端电阻”开关合上，以接入终端电阻。通过MPI可以访问PLC所有的智能模块，例如功能模块。同时，STEP7
47、的用户界面提供了全局数据组态功能，使得通信的组态非常简单。联网的CPU可以通过MPI接口实现全局数据(GD)服务，周期性地相互交换少量的数据，最多可以与在同一个项目中的15个CPU之间建立全局数据通信。每个MPI节点都有自己的MPI地址(0126)，编程设备、人机接口和CPU默认地址分别为0、1、2。在S7-300中，MPI总线在PLC中与K总线(通信总线)连接在一起，S7-300机架上的K总线的每一个节点(功能模块FM和通信处理器CP)也是MPI的一个节点，有自己的MPI地址。MPI默认的传输速率为187.5 kb/s或1.5 Mb/s，与S7-200通信时只能指定为19.2 kb/s。两个
48、相邻节点间的最大传送距离为50 m，加中继器后为1000 m，使用光纤和星型连接时为23.8 km。通过MPI接口，CPU可以自动广播其总线参数组态(例如波特率)。然后CPU可以自动检索正确的参数，并连接到一个MPI子网。2.PROFIBUSPROFIBUS是用于车间级监控和现场层的通信系统，符合IEC 61158标准。它具有开放性，符合该标准的各厂商生产的设备都可以接入同一网络中。S7-300/400 PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上。3.点对点连接点对点连接点对点连接可以连接两台S7 PLC和S5 PLC，以及计算机、打
49、印机、机器人控制系统、扫描仪等西门子设备。使用CP340、CP341和CP441通信处理模块，或通过CPU313C-2PtP和CPU314C-PtP集成的通信接口，可以建立起既经济又方便的点对点连接。点对点通信可以提供的接口有20 mA(TTY)、RS-232C和RS-422A及RS-485。全双工模式RS-232C的最高传输速率为19.2kb/s，半双工模式(RS-485)的最高传输速率为38.4kb/s。使用西门子的通用软件PRODAVE和编程用的CP/MPI适配器，通过PLC的MPI编程接口，可以很方便地实现计算机与S7-300/400的通信。4.工业以太网工业以太网工业以太网是用于工厂
50、管理和单元层的通信系统，符合IEEE802.3国际标准。它用于对时间要求不太高，但需要传送大量数据的通信场合。它可以通过网关来连接远程网络。它支持广域的开放型网络模型，可使用多种传播媒体。西门子的工业以太网的传播速率为10/100 Mb/s，最多1024个网点，网络的最大范围为150 km。西门子的S7和S5这两代PLC通过PROFIBUS(FDL协议)或工业以太网ISO协议，利用S7和S5的通信服务进行数据交换。CP通信处理器不会加重CPU的通信服务负担。S7-300最多可以使用8个通信处理器，每个通信处理器最多可以建立16条链路。5.通过通过AS-i的过程通信的过程通信执行器-传感器接口(
