西门子工业通信网络.doc

毕业设计报告（论文）报告（论文）题目：西门子工业通讯网络研究 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电气自动化 作者所在班级： 09242 作 者 姓 名 ： 崔光亮 作 者 学 号 ： 20093024229 指导教师姓名： 叶昊 完 成 时 间 ： 2012年6月10日 北华航天工业学院教务处制1北华航天工业学院电子工程系毕业设计（论文）任务书姓 名：崔光亮专 业：电气自动化班 级：09242学号：20093024229指导教师：叶昊职 称：副教授完成时间：2012年6月10日毕业设计（论文）题目：西门子工业通讯网络研究设计目标：利用工业以太网通信技术，基于工业以太网标准，简单的建立以工业控制网络技术为基础的信息化系统。技术要求：1 很高的网络安全性。2 可操作性好。3 实用性强。4 以太网协议的标准性。所需仪器设备：计算机一台 成果验收形式：论文参考文献：模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电子系统设计时间安排15周-6周立题论证39周-13周撰写论文27周-8周方案设计414周-16周成果验收指导教师： 教研室主任： 系主任：北华航天工业学院毕业论文摘 要随着信息技术的不断发展，信息交换技术覆盖了各行各业。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商。关键词 现场总线 独立控制 自由组态目 录第1章 以太网简介11.1 以太网的诞生11.2 以太网的发展历史21.3 以太网技术2第2章 工业以太网92.1 与传统以太网络的比较92.2 以太网应用于工业自动化中的关键问题102.3 以太网为用户带来的利益10第3章 西门子工业以太网113.1 什么是SIMATIC NET113.2 SIMATIC NET工业以太网11第4章 S7-200的以太网解决方案194.1 硬件连接194.2 硬件需求和软件需求194.3 网络组态及参数设置20致 谢22参考文献23附 录1西门子工业网络通信研究第1章 以太网简介1.1 以太网的诞生以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威夷大学。上个世纪60年代末，夏威夷大学的Norman Abramson及其同事研制了一个名为 ALOHA系统的无线电网络。Metcalfe是在世界著名的研究机构Xerox 的帕洛阿尔托研究中心（PARC）的计算机科学实验室工作的网络专家。1972年底，Metcalfe和David Boggs设计了一套网络，用于将不同的ALTO计算机连接起来，同时又把nova计算机连接到EARSA激光打印机。在研制过程中，Metcalfe将其命名为ALTO ALOHA网络，因为该网络以ALOHA为基础，同时连接了众多的ALTO计算机。这个世界上第一个个人计算机局域网络ALTO ALOHA网络首次在1973年5月22日开始运转。Metcalfe将该网络改名为以太网（Ethernet），其灵感来自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的这一想法”。最初的实验行PARC以太网以2.4Mbit/s速度运行。1976年，PARC的实验型以太网已经发展到100个节点，在长1000米的粗同轴电缆上运行。1976年6月，Metcalfe和David Boggs发表了题为以太网：局域网的分布型信息交换的著名论文。1977年底，多点传输系统被称为CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Acccess with Collision Detection network,带碰撞检测的载波侦听多址访问）。从此，以太网诞生了。1979年，DEC（Digital Equipment Corp，数字设备公司）、Intel和Xerox共同将此网络标准化，正式定名为以太网。工业以太网是西门子公司提出的一种基于以太网通讯的一种工业用的通讯模式。它与其他的西门子通讯方式，比如MPI、DP总线等相比，显著的优越性是：速度快，稳定性高，抗干扰能力强，互联性和兼容性好，缺点可能就是它不菲的价格了，一块基本的CP343-1的以太网通讯模块价格就是近万元，所以现在的某些工业环境下，推广的力度并不是很大。当今时代，网络就是控制的理念已经越来越被用户所接受，传统的基于RS485，CAN等总线的各种集散控制系统，由于其固有的缺陷，正在被基于TCP/IP协议的工业太网所取代，工业以太网总线和我们现在使用的局域网是一致的，它采用统一的TCP/IP协议，避免的不同协议间通讯不了的困扰，它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享，它可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件，它可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，它特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM，GPRS无线电话网实现远程数据采集，它采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及，现在已经有大量的配套产品在使用中。如工业以太网HUB，工业以太网防火墙产，工业以太网关，以太网转RS232/RS485设备，以太网A/D模块，以太网D/A模块，以太网AI模块，以太网AO模块，以太网DI模块，以太网DO模块及复合功能模块。1.2 以太网的发展历史1Xerox PARC创建首个以太网（19721977）2DEC、Intel和Xerox将以太网标准化（19791983）31989年ISO以标准号ISO8023采纳8023.3以太网标准，至此，IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电工与电子工程师学会）标准正式得到国际上的认可4交换式和全双工制以太网出现（19901994）5快速型以太网出现（19921995）6工业趋势（1995）7千兆位以太网出现（1999）1.3 以太网技术在局域网家族中，以太网是指遵循IEEE 802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（LANLocal Area Network，局域网）类型。目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种： 110Base-T 以太网传输介质是铜轴电缆，传输速率为10Mbit/s； 2 快速以太网传输速率为100Mbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，兼容10Base-T 以太网； 3 Gigabit 以太网扩展的以太网协议，传输速率为1Gbit/s,采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网的交换机和路由器设备； 4 10 Gigabit 以太网2002年6月发布，是一种速度更快的以太网技术。支持智能以太网服务，是未来广域网（WANWide Area Network）和城域网（MANMetropolitan Area Network）的宽带解决方案。1. OBI参考模型通信网络的核心是OSI（开放系统互联）参考模型。该模型自下而上分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图1-1所示。7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层图1-1 OSI参考模型OSI参考模型的上三层通常称为应用层，用来处理用户接、数据格式和应用程序的访问；下四层负责定义数据的物理传输介质和网络设备。OSI参考模型提供了大多数协议栈共有的基本框架，如图1-2所示。图1-2 数据传输过程物理层定义了传输介质、连接器和信号发生器的类型，规定了物理连接的电气、机械功能特性如电压、传输速率，传输距离等特性。数据链路层确定传愉站点物理地址以及将消息传送到协议栈，提供顺序控制和数据流控制。该层可以继续分为两个子层：介质访问控制层（MAC）和逻辑链路层（LLC）。其中IEEE 802.3（Ethernet，CSMA/CD）就是MAC层常用的通信标准。网络层定义设备间通过逻辑地址（IP）传输数据，连接位于不同广播域的设备，常用来组织路由。传输层建立会话连接。分配服务访问点（SAP），允许数据进行可靠（TCP）或不可靠（UDP）的传输。可以提供通信质量检测服务（QoS）。会话层负责建立、管理和终止表示层的实体间通信会话，处理不同设备应用程序间的服务请求和响应。表示层提供多种编码用于应用层的数据转化服务。应用层定义用户及应用程序接口与协议对网络访问的切人点。目前各种应用版本比较多，很难很难建立统一的标准。在工控领城常用的标准是多媒体信息服务（MMS），用来描述制造业应用的服务和协议。数据经过封装后通过物理介质传输到网络上，接收设备除去附加下信息后，将数据上传到上层堆栈层。2. CSMA/CD技术在传统的共享网络中由于以太网中的所有站点采用相同的物理介次相连，这就意味着两台设备同时发送信号时就会出现信号间的互相冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问介质前，它首光必须监听网络上有没有其他的站点在同时使用该介质。如果介质被使用，则该站点在发送前必须等待。这就是CSMA/CD技术。为了减少冲突发生的儿率，出现一些算法，常用的有：1-持续CSMA、非持续CSMA和p-持续CSMA。3. 以太网的交换技术以太网交换机，也称为交换器、交换式集线器，是为了改善以太网负裁较重时的网络拥塞问题而出现的。它采用将共享的局城网进行有效的冲突域划分技术，各个冲突域之用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题错误传输，使每个端口独享整个介质带宽，使局域网可以高度扩展。在一个完全的交换网络中，整个网络只有交换机和通信节点，没有集线器，交换机将首先接收节点发来的数据，再将数据转发到另一个冲突域。且在交换网络中，通信节点只同交换机作数据交换而相互之间不直接进行数据据通信。交换网络采用全双工的通信方式，故可以认为是无冲突的网络。交换机是利用MAC地址工作在OSI参考模划第二层（数据链路层）的设备，与集线器成或其他工作在第一层（物理层）的网络设备相比，交换机有许多优点：连接冲突域/子网；数据交换；错误帧限制；并行通信。动态端口交换的功能已在前面讲述过,每一端口联接到单一的工作站或服务器.因为每一端口可被按需赋予一个独立的 10Mbps专用以太网链路,这样可以赋予每一工作站或服务器更高的网络带宽.动态段交换与动态端口交换的功能相似,通过交换结构,按需提供专用的端口间10Mbps专用链路.每一动态段交换端口可以连接一个网段(即传统的共享以太网),而不只是一个工作站或服务.动态段交换通过对大量MAC地址的识别来完成此功能。用端口连结整个网段,可以使动态段交换取代现今分段网络中的路由器及网桥.如果网段A的用户在网段内发送数据包, 交换识别数据为本网段数据包而不允许这些数据包进入其它网段.但是如果网络段A的用户发送数据包到网络段B,则交换机识别那些传送至网段B的数据包,分配一专用的10Mbps链路，发送数据包到网段B的目的用户.网络分段,即将一个大的拥挤的网络分成一系列的小型网络,每一网络具有小的用户和小的流量.以前网络分段一般是通过网桥和路由器来实现的, 而采用动态段交换对网络分段比用网桥和路由器更优越,理由如下:(1)价低.(2)易管理,而路由器需要QSI协议中网络层的复杂网络管理.(3)更快速,因为交换只检测其数据包头中的源及目的地址, 而网桥及路由器则需检测整个包,这样交换所产生的时延比网桥及路由器小得多.静态端口交换允许网络管理员通过软件将用户工作站从一条共享以太网总线移到另一条，灵活地对网络进行增加,减少所需的交换模块订货量.例如,在网络上增加8个用户,他们工作于4个不同的部门,在4条不同的以太网总线上。所有这些用户可以采用一块单一的端口交换模块来实现.与此相比,以前则需购4 块新的模块并连到不同的总线,但每个新的模块的大部分端口是未用的,造成低效及浪费.静态模块交换也是由软件来实现网络的增加,移动和改变.与静态端口交换不同的是,静态模块交换是将整个模块(包括模块上的所有端口) 从一条共享总线移至另一条共享总线.4. 以太网的拓展随着信息量的急剧增加，网络流量也以超乎想象的速度激增，这就要求网络不断地进行扩展和提高性能，目前千/万兆位以太网已经广泛使用，特别是在工作环境趋于互相协作、通常需要共享大量数据以及具有集中应用和多任务的场合更是如此。（1）无线以太网是以太网的逻辑扩展 无线局城网的主要标准是IEEE802.11，该标准又延伸出802.11b，802.11a和802.11g。802.11b目前已被绝大多数无线设备厂商采用，数据速率可达11Mbit/s。802.11g标准定义速率高达54 Mbit/s，将为新一代无线局域网提供更快的数据速率、更远的覆盖距离以及更高的安全性。（2）存储区域网络和网络连接存储两种替代方案的兴起和流行快速增长的电子邮件和电子商务导致IP网络数据传输量的剧增。数据流量的增加促使数据存储脱离传统直接连接存储模式，演变为网络的一种基础设施。（3）城城网中的以太网千兆位以太网向桌面的移植助长了服务器和企枚干线对10kM位以太网的需求。10kM以太网的出现能够满足高速网络的多种关健需求，包括比当前替代技术更低的拥有成本、灵活性、以及与现有以太网网络的互操作性。综合所有这些因素，使得10kM位以太网成为城域网的最佳选择。在城域网中实施以太网，将把以太网的速度和成本优势与光网络的传输距离和可靠性完美地结合起来。开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，并且在IEEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带”的意思，Broad代表“宽带”。 10Base5 使用直径为0.4英寸、阻抗为50粗同轴电缆，也称粗缆以太网，最大网段长度为500m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base5组网主要硬件设备有：粗同轴电缆、带有AUI插口的以太网卡、中继器、收发器、收发器电缆、终结器等。 10Base2 使用直径为0.2英寸、阻抗为50细同轴电缆，也称细缆以太网，最大网段长度为185m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base2组网主要硬件设备有：细同轴电缆、带有BNC插口的以太网卡、中继器、T型连接器、终结器等。 10BaseT 使用双绞线电缆，最大网段长度为100m，拓扑结构为星型；10BaseT组网主要硬件设备有：3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、集线器、交换机、RJ-45插头等。 随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。在1993年10月以前，对于要求10Mbps以上数据流量的LAN应用，只有光纤分布式数据接口（FDDI）可供选择，但它是一种价格非常昂贵的、基于100Mpbs光缆的LAN。1993年10月，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10/100和网络接口卡FastNIC100，快速以太网技术正式得以应用。随后Intel、SynOptics、3COM、BayNetworks等公司亦相继推出自己的快速以太网装置。与此同时，IEEE802工程组亦对100Mbps以太网的各种标准，如100BASETX、100BASET4、MII、中继器、全双工等标准进行了研究。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u 100BASET快速以太网标准（Fast Ethernet），就这样开始了快速以太网的时代。 快速以太网与原来在100Mbps带宽下工作的FDDI相比它具有许多的优点，最主要体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。 快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足，那就是快速以太网仍是基于CSMA/CD技术，当网络负载较重时，会造成效率的降低，当然这可以使用交换技术来弥补。 100Mbps快速以太网标准又分为：100BASETX 、100BASEFX、100BASET4三个子类。 100BASETX：是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT 1类布线标准。使用同10BASET相同的RJ45连接器。它的最大网段长度为100米。它支持全双工的数据传输。 100BASEFX：是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模光纤（62.5和125um）。多模光纤连接的最大距离为550米。单模光纤连接的最大距离为3000米。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。它使用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器。它的最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里，这与所使用的光纤类型和工作模式有关，它支持全双工的数据传输。100BASEFX特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或高保密环境等情况下的适用。 100BASET4：是一种可使用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。100Base-T4使用4对双绞线，其中的三对用于在33MHz的频率上传输数据，每一对均工作于半双工模式。第四对用于CSMA/CD冲突检测。在传输中使用8B/6T编码方式，信号频率为25MHz，符合EIA586结构化布线标准。它使用与10BASET相同的RJ45连接器，最大网段长度为100米。 千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。 千兆技术仍然是以太技术，它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护投资。此外，IEEE标准将支持最大距离为550米的多模光纤、最大距离为70千米的单模光纤和最大距离为100米的铜轴电缆。千兆以太网填补了802.3以太网/快速以太网标准的不足。 为了能够侦测到64Bytes资料框的碰撞，千兆以太网（Gigabit Ethernet）所支持的距离更短。Gigabit Ethernet 支持的网络类型，如下表所示： 传输介质 距离 1000BaseCX Copper STP 25m 1000BaseT Copper Cat 5 UTP 100m 1000BaseSX Multi-mode Fiber 500m 1000BaseLX Single-mode Fiber 3000m 千兆以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。 1. IEEE802.3z IEEE802.3z工作组负责制定光纤（单模或多模）和同轴电缆的全双工链路标准。IEEE802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的1000Base-X，采用8B/10B编码技术，信道传输速度为1.25Gbit/s，去耦后实现1000Mbit/s传输速度。 IEEE802.3z具有下列千兆以太网标准： 2. IEEE802.3ab IEEE802.3ab工作组负责制定基于UTP的半双工链路的千兆以太网标准，产生IEEE802.3ab标准及协议。IEEE802.3ab定义基于5类UTP的1000Base-T标准，其目的是在5类UTP上以1000Mbit/s速率传输100m。 IEEE802.3ab标准的意义主要有两点： (1) 保护用户在5类UTP布线系统上的投资。 (2) 1000Base-T是100Base-T自然扩展，与10Base-T、100Base-T完全兼容。不过，在5类UTP上达到1000Mbit/s的传输速率需要解决5类UTP的串扰和衰减问题，因此，使IEEE802.3ab工作组的开发任务要比IEEE802.3z复杂些。 万兆以太网规范包含在 IEEE 802.3 标准的补充标准 IEEE 802.3ae 中，它扩展了 IEEE 802.3 协议和 MAC 规范，使其支持 10Gb/s 的传输速率。除此之外，通过 WAN 界面子层（WIS：WAN interface sublayer），10千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率，如 9.584640 Gb/s （OC-192），这就允许10千兆位以太网设备与同步光纤网络（SONET） STS -192c 传输格式相兼容。 10GBASE-SR 和 10GBASE-SW 主要支持短波（850 nm）多模光纤（MMF），光纤距离为 2m 到 300 m 。 10GBASE-SR 主要支持“暗光纤”（dark fiber），暗光纤是指没有光传播并且不与任何设备连接的光纤。 10GBASE-SW 主要用于连接 SONET 设备，它应用于远程数据通信。 10GBASE-LX4 采用波分复用技术，在单对光缆上以四倍光波长发送信号。系统运行在 1310nm 的多模或单模暗光纤方式下。该系统的设计目标是针对于 2m 到 300 m 的多模光纤模式或 2m 到 10km 的单模光纤模式。作为历史悠久的网络技术之一，以太网利用其出色的性价比、灵活性和互操作性提供新的被验证的优势，以及不断涌现的新产I品和构建模块，将提供更卓越的性价比特性和优势，必将得到飞速的发展。第2章 工业以太网2.1 与传统以太网络的比较工业网络与传统办公室网络相比，有一些不同之处，如表2-1所示。表2-1 工业网络与传统办公室网络的比较办公室网络工业网络应用场合普通办公场合工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高拓扑结构支持线形、环形、星形等结构支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力可用性一般的实用性需求，允许网络故障时间以秒或分钟计极高的实用性需求，允许网络故障时间300ms以避免生产停顿网络监控和维护网络监控必须有专人员使用专用工具完成 网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如Win CC监控，故障模块容易更换工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络应用的需要。工业现场对工业以太网产品的要求包括：1. 工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水。2. 工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防爆措施保证安全生产。3. 工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMCElectro Magnetic Compatibility）等。4. 工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。5. 采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要求。工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易更换。2.2 以太网应用于工业自动化中的关键问题1. 以太网实时通信服务交换式以太网、全双上以太网和虚拟局域城网技术的出现，以及自适应的100Mbit/s快速以太网的成功运行降低了以太网响应时阿过长，吞吐量低、冲突率高的不利影响，使得以太网也可以应用于实时性要求较高的工业控制领域。在PROFInet V2.0中，采用加入实时通道和等时同步实时IRT的技术，减少了处理通信栈所需的时间，极大地改善了网络的响应时间，是网络实时性得到根本性的改善。2. 统一的应用层、用户展协议规范工业自动化控制系统包括数据传输的通信和指令传输的通信，为了满足通信一致性和可互操作性，需要制定统一的高层协议规范，以满足开放系统的要求。3. 网络可用性 即网络生存性，包括工业以太网的可靠性、可恢复性、可维护性等。即保证一个网络系统中任何组件发生故瘴时，不会导致应用程序、操作系统，甚至网络系统的崩溃瘫痪。环形冗余以太网技术的发展在一定程度上解决了可靠性问题。4. 与IT技术结合 目前是建立现场级和管理级以及工程设计系统和操作员系统之间统一的通信网络，并将这线总线级网络集成到IT网络之中，用户可以从中央部门通过Internet网络执行上层管理任务。5. 应用在工业现场过程控制底层 建立现场车间级生产信息网络，对现场设备，如生产设备，测试设备、条码器、PC及以太网设备进行控制，完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。2.3 以太网为用户带来的利益以太网以高达80%的市场占有率毫无疑问的成为当今LAN（局域网）领域中首屈一指的网络。以太网的优越性能，为用带来巨大的利益：1. 简单的连接系统，调试快速；2. 灵活性高，可扩展现有的设备而不影像系统运行；3. 借助于冗余网络拓扑结构提供高可用性，面向未来的兼容扩展性，保护投资的安全性；4. 通过交换技术可缩放的性能，提供高度可扩展的通信性能；5. 不同的应用领域的联网，例如办公室环境和生产应用环境的联网；6. 通过接人WAN（广域网）可实现世界范围内和公司之间的通信；7. 工业以网州作为基于组件的自动化（CBAComponet Based Automation）的基础发展出PROFIBUS用户组织（PIPROFIBUS International，PROFIBUS国际组织）的PROFINET。第3章 西门子工业以太网西门子公司在工业以太网领域有着非常丰富的经验和领先的解决方案。其中SIMATIC NET工业以太网基于经过现场验证的技术，符合IEEE 802.3标准并提供10Mbit/s以及100Mbit/s快速以太网技术。经过多年的实践，SIMATIC NET工业以太网的应用已多于400000个节点，偏布世界各地，用于严酷的工业环境，并包括有高强度电磁干扰的地区。3.1 什么是SIMATIC NET 西门子公司通过SIMATIC NET提供了开放的，适用于工业环境下各种控制级别的不同的通信系统。这些通信系统均基于国家和国际标准，符合ISO/OSI网络参考模型。SIMATIC NET包括以下内容： 1. 组成通信网络的媒介、媒介附件和传输组件以及相应的传输技术 2. 数据传输的协议和服务 3. 用于连接PLC（或PC的通信模板处理器“CP”）3.2 SIMATIC NET工业以太网1. 基本类型（1）10Mbit/s工业以太网 应用基带传输技术，基于IEEE 802.3，利用CSMA/CD介质访问方法的单元级、控制级传输网络。传输速率为10Mbit/s，传输介质为同轴电缆、屏蔽双绞线或光纤。（2）100Mbit/s快速以太网 基于以太网技术，传输速率为100Mbit/s，传输介质为屏蔽双绞线或光纤。2. 网络硬件（1）传输介质 网络的物理传输介质主要根据网络连接距离、数据安全以及传输速率来选择。通常在西门子网络中使用的传输介质包括：n 2芯电缆，无双绞，无屏蔽（例如：AS-interface bus）n 2芯双绞线，无屏蔽n 2芯屏蔽双绞线（例如：PROFIBUS）n 同轴电缆（例如：Industrial Etherenet）n 光纤（例如：PROFIBUS/ Industrial Etherenet）n 无线通信（例如：红外线和无线电通信）在西门子工业以太网络中，通常使用的物理传输介质时屏蔽双绞线（TPTwisted pair）、工业屏蔽双绞线（ITPIndustrial Twisted pair）以及光纤。 （2）网络部件工业以太网链路模块OLM、ELM依照IEEE 802.3标准，利用电缆和光纤技术，SIMATIC NET连接模块使得工业以太网的连接变得更为方便和灵活。OLM（光链路模块）有3个ITP接口和两个BFOC接口。ITP接口可以连接3个终端设备或网段，BFOC接口可以连接两个光路设备（如OLM等），速度为10Mbit/s。如图3-1所示。ELM（电气链路模块）有3个ITP接口和1个AUI接口。通过AUI接口，可以将网络设备连接至LAN上，速度为10Mbit/s。如图3-2所示。图3-1 工业以太网OLM 图3-2 工业以太网ELM工业以太网交换机OSM、ESMOSM的产品包括：OSM TP62、OSM TP22、OSM ITP62、OSM ITP62-LD和OSM BC08。从型号就可以确定OSM的连接端口类型及数量，如：OSM ITP62-LD，其中ITP表示OSM上有ITP电缆接口，“6”代表电气接口数量，“2”代表光纤接口数量，LD代表长距离，如图3-3所示。ESM的产品包括：ESM TP40、ESM TP80和ESM ITP80，命名规则和OSM相同。图3-4所示为ESM TP80。 图3-3 OSM ITP62-LD 图3-4 ESM TP80OSM/ESM的基本功能：n 提高网络性能n 简化网络配置和网络拓展n 限制错误帧的影响n 地址学习n 地址删除n 设置传输波特率及自适应n 数据包的VLAN优先权标签OSM/ESM的网络拓扑n OSM总线型拓扑 OSM支持总线型拓扑，通过光纤接口，最多可以有50个OSM级联在同一总线上，如图3-5所示。图3-5 OSM的以太网总线拓扑结构1ITP标准电缆9/15 2TP软线9/RJ-45 3光缆n OSM的环形拓扑 如图3-6所示图3-6 OSM的环形拓扑结构1光缆n ESM总线型拓扑E5M可以通过TP/ITP电缆相连组成总线型网络，任何一个端口都可以作为级联的端口使用。两个ESM之问的距离不能超过100m，整个网络最多可以连接别50个ESM，网络的最长距离为5km。如图3-7所示。图3-7 ESM总线型拓扑2ITP XP标准电缆9/9 3TP软线9/RJ-45 4ITP标准电缆9/15n ESM环形拓扑 如图3-8所示图3-8 ESM环形拓扑2使用SIMATIC NET双绞线的结构化布线工业以太网交换机（ELS） ELS（Electrical Lean Switch，简单电器交换机）也是一种交换机设备，只有TP接口，功能比ESM/OSM简单。产品包括ELS TP40、ELS TP40M和ELS TP80。图3-9所示为ELS TP40。图3-9 ELS TP40工业以太网链路模块OMC除了交换机模块，西门子以太网产品中的光链路模块还有OMC（Optical Media Converter，光链路模块），用于通过光纤与电缆的转换来扩展网络距离，如图3-10所示。图3-10 OMC模块3. 通信处理器常用的工业以太网通信处理器（CPCommunicaton Processer，通信处理单元），包括用在S7 PLC站上的处理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等。 S7-200系列 CP243-1是为S7-200系列设计的工业以太网通信处理器。通过CP243-1模块，用户可以很方便地将S7-200进行远程组态、编程和诊断。同时，S7-200也可以同S7-300、S7-400系列PLC进行以太网连接。CP243-1还可以同OPC Server进行通信，如图3-11所示。图3-11 CP243-1模板 S7-300系列 S7-300系列PLC的以太网通信处理器是CP 343-1系列，按照所支持的不同，可以分为CP 343-1、CP 343-1 ISO、CP 343-1 TCP、CP 343-1 IT和CP 343-1 PN，如图3-12所示。图3-12 CP343-1模板 S7-400系列 S7-400系列PLC的以太网处理器是CP443-1 系列，按照所支持的不同，可以分为CP 443-1、CP 443-1 ISO、CP 443-1 TCP、CP 443-1 IT和CP 443-1 PN，如图3-13所示。图3-13 CP443-1模板 CP 1613通信处理器CP 1613是应用在SIMATIC PG/PC以及工作站上的以太网设备，支持ISO传输协议、标准ISO 8073和TCP/IP 1006。CP 1613为PCI总线卡件，10/100Mbit/s自适应。卡上提供了15针的Sub-D接口，可以连接AUI/ITP设备，还提供了RJ-45接口，连接TP电缆，如图3-14所示。图3-14 CP 16134. SIMATIC NET软件 西门子工业以太网的软件是SIMATIC NET。（1）软件版本 SIMATIC NET软件版本主要包括：V6.2、V6.1、V6.0、V5.1、V5.0、V3.3、V3.0、V2.1、V2.0、V1.0等。对于V6.0以上的版本SIMATIC NET提供了统一的Windows界面，同时也集成并更新了更多功能，例如：支持网卡的即插即用；安装了所有SIMATIC NET的软、硬件驱动程序；增加和完善了配置及诊断工具；支持Windows NT、2000、和XP等。 通过APC的组态，PC站可以同时成为工作站和工程师站，做为工作站，PC可以做为整个控制系统的一个站点同其他PLC站进行通信，同时提供了OPC Server以及数据处理功能。我们可以把PC站集成在STEP7中进行组态，否则，NCM只能提供护PC组件的硬件库，只能组态网络，不能组态PLC站。（2）OPC OPC是OLE for Process Control的缩写。OLE（Object Linking Embeding，对象和嵌入）本身是基于Microsoft COM技术的一种应用，而OPC接口是基于OLE的开放的、统一的软件接口。在Microsoft的支持下，逐渐发展成为自动化领域的一种工业通信标准。 此外，OPC不依赖于某一个厂商，几乎所有工控业软、硬件都集成了OPC接口，从而使不同厂商之间的硬件设备可以通过统一的OPC接口进行通信。用户可以使用C+、VB、VBA等编程语言对OPC进行访问，OPC业可以通过网络进行访问，从而使工业用户的数据交换变得简单。 基本功能 OPC的基本功能是数据访问、故障报警和触发事件消息。OPC是服务器/客户端结构，客户端访问服务器的程序接口有自动化接口（VB、VBA访问接口）和用户自定义接口（C+），其中只有自定义接口可以用来访问事故报警和触发事件消息。OPC的数据访问有2种常用的方法：n 同步读写 同步读写是指OPC的客户端向服务器发出一个读/写请求，然后等待服务器的返回值，在在此过程中，客户瑞不能再继续执行，在到服务器向客户端返回数位后，整个读/写过程结束，OPC才能继续执行下去，如图3-15所示。n 异步读写所谓异步读/写是指OPC的客户端向服务器发出一个读/写清求，然后等待服务器的返回值，在此过程中，客户端可以再执行下面的程序包括发出其他的数据请求，每个请求都有一个ID号。直到服务器端数据准备好后，向客户端返回一个消息，客户端在回调用数里处理返回值，整个读写过程结束，如图3-16所示。 OPC server的设置安装了SIMATIC NET后，可以对SIMATIC NET的OPC Server的设置选项，如图3-17所示。图3-17 OPC Server的设置第4章 S7-200的以太网解决方案工业以太网是SIMATIC NET 的重要组成部分，它作为控制级的应用网络，同单元级的PROFIBUS和现场级的AS Interface共同组成了西门子完整的工业网络体系。S7-200系统在西门子自动化产品中属于低端的PLC系列，由于其功能完备且小巧灵活，具有很高的性价比，因而深受国内用户的青睐，在同档次产品中具有很高的市场占有率。S7-200系列的PLC可以通过以太网模块CP243-1及CP243-1 IT接入工业以太网。通过这些模板，S7-200系统不仅可以通过工业以太网与S7-200、S7-300或S7-400系统进行通信，还可以与PC应用程序通过OPC进行通信。4.1 硬件连接S7-200 PLC站通过CP243-1与其他S7 PLC站、PC站利用网线及交换机等设备组成工业以太网，如图4-1所示。图4-1 S7-200的以太网连接4.2 硬件需求和软件需求硬件：（1） CP 1613/以太网卡（2） CP 243-1/CP 243-1（IT）/CP 443-1（IT）（3） PC/PPI电缆（4） TP电缆、网络交换设备软件：（1） SIMATIC NET V6.2（2） SETP 7 Micro/WIN32 V3.2.1以上版本（3） SETP 7 V5.34.3 网络组态及参数设置S7-200的以太网通信有如下几种方式：n S7-200之间的以太网通信n S7-200与S7-300/400之间的以太网通信n S7-200与OPC及WinCC之间的以太网通信1. S7-200之间的以太网通信 S7-200之间的通信为Server/Client方式。S7-200进行以太网通信时，可以作为Server端或Client端。（1） S7-200 Server端的组态 打开SETP 7 Micro/WIN32，新建一个项目，点击右键选择CPU类型。第一次组同时，由于没有对CP 243-1分配IP地址，因而需要通过PC/PPI电缆连接至S7-200的编程口进行设置。当分配了IP地址后，须将CP重新上电后IP地址才生效。选择“Communications”按