独家版——西门子工业通讯网络研究

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 电气自动化技术 作者所在班级 09242 作 者 姓 名 SMZ 作 者 学 号 20093024230 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 北华航天工业学院电子工程系 毕业设计 论文 任务书 姓姓 名 名 SMZ 专专 业 业 电气自动化班班 级 级 09242 学号 学号 20093024230 指导教师 指导教师 叶昊 职职 称 称 副教授完成时间 完成时间 2012 年 6 月 10 日 毕业设计 论文 题目 毕业设计 论文 题目 西门子工业通讯网络研究 设计目标 设计目标 通过本次研究 深入理解西门子工业控制网络中的工业以太网 对西门子工业控制网络 体系有进一步的了解 技术要求 技术要求 1 了解西门子工业网络通信的背景 2 掌握S7 200之间的的以太网通信 3 会组态S7 200的Server端与Client端 所需仪器设备 所需仪器设备 计算机一台 S7 200 PLC STEP 7 Micro WIN 编程软件 成果验收形式 成果验收形式 论文 参考文献 参考文献 西门子工业网络通信指南 现场总线网络 西门子工业自动化项目设计实践 1 5 周 6 周立题论证 3 9 周 13 周仿真调试 时间时间 安排安排 2 7 周 8 周方案设计 4 14 周 16 周成果验收 指导教师指导教师 教研室主任教研室主任 系主任系主任 北华航天工业学院毕业论文 I 摘 要 论文的研究工作是以西门子工业网络通信为背景展开的 先介绍了以太网技术的诞 生及发展 接着介绍了工业以太网和西门子工业以太网的类型及其网络硬件和网络部件 研究了西门子 S7 200 PLC 以太网的解决方案 详尽的介绍了 S7 200 之间的以太网通信 并对 S7 200 Server 端和 Client 端的组态方法作了介绍 最后介绍了 S7 200 以太网的 FTP 功能 关键词 西门子工业网络通信 工业以太网 FTP 功能 北华航天工业学院毕业论文 II 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 以太网的诞生 1 1 2 以太网的发展史 1 1 3 以太网技术 2 第 2 章 工业以太网 6 2 1 与传统以太网络的比较 6 2 2 以太网应用与工业自动化中的关键问题及发展方向 7 2 3 以太网为用户带来的利益 7 第 3 章 西门子工业以太网 9 3 1 什么是 SIMATIC NET 9 3 2 SIMATIC NET 工业以太网 9 第 4 章 S7 200 的以太网解决方案 18 4 1 硬件连接 18 4 2 硬件需求和软件需求 19 4 3 网络组态及参数设置 19 第 5 章 S7 200 以太网的 FTP 功能 24 5 1 FTP SERVER 功能 24 5 2 FTP CLIENT 功能 26 第 6 章 结论 27 致 谢 28 参考文献 29 北华航天工业学院毕业论文 1 西门子工业通讯网络研究 第 1 章 绪论 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 上世纪 60 年代末 夏威夷大学的 Norman Abranmson 及其同事研制了一个名为 ALOHA 夏威夷人问候语 即 欢迎 再见 的意思 系统的无线网络 Metcalfe 是世界著名的研究结构 Xerox 的帕洛阿尔托研究中心 PARC 的计算 机科学实验工作的网络专家 1972 年底 Metcalfe 和 David Boggs 世纪了一套网络 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 EARS 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 系统为基础 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 这一天 Metcalfe 写了一段备忘录 称他将该网络改名 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 最初的实验型 PARC 以太网以 2 94Mbit s 的速度运行 1976 年 PARC 的实验型以太网已经发展到 100 个节点 在长 1000m 的粗同轴电缆 上运行 1976 年 6 月 Metcalfe 和 Boggs 发表了题为 以太网 局域网的分布型信息包 交换 的著名论文 1977 年底 多点传输系统被称为 CSMA CD Carrier Sense Multiple Access 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 美国 Intel 和 Xerox 共同将此网络标准化 正式定名为以太网 1 2 以太网的发展史 Xerox PARC 创建首个以太网 1972 1977 DEC Intel 和 Xerox 将以太网标准化 1979 1983 1989 年 ISO 以标准号 ISO8023 采纳 802 3 以太网标准 至此 IEEE Institute of Electrical and Electtonics Engineer 电工与电子工程师学会 标准 802 3 正式得到国际 上的认可 交换式和全双工制以太网出现 1990 1994 工业趋势 1995 北华航天工业学院毕业论文 2 千兆以太网出现 1999 1 3 以太网技术 在局域网家族中 以太网是遵守 IEEE802 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 LAN Local 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 10Base T 以太网 传输介质是同轴电缆 传输速率为 10Mbit s 快速以太网 传输速率为 100 Mbit s 采用光缆或双绞线作为介质 兼容 10Base T 以太网 Gigabit 以太网 扩展的以太网协议 传输速率为 1G bit 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 10 Mbit s 以太网和 100 Mbit s 以太网的交换机和路由器设备 10Gigabit 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 WAN Wide Area Network 和城域网 MAN Metropolitan Area Network 的解决方案 1 OSI 参考模型参考模型 通信网络的核心是 OSI OSI Open System Interconnection 开放系统互连 参考 模型 为了理解互联网络的操作方法 为创建和实现网络标准 设备和互联网络规划提 供的一个框架 1984 年 国际标准化组织 ISO International Organization for Standardizaion 提供了开放系统互连的七层模型 即 OSI 模型 给模型自下而上分为 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 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 用来处理用户接口 数据格式和应用的访 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 共有的基本框架 如图 1 2 所示 北华航天工业学院毕业论文 3 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 机械功能如电压 传输速率 传输距离等特性 数据链路层 确定传输站点物理地址以及将消息传送协议栈 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 Medium Access Control 介质访问控制层 和逻辑链路层 LLC Logical Link Control layer 逻辑链 路控制 层 即层 2a 和 2b 其中 IEEE802 3 Ethernet CSMA CD 就是 MACA 层 常用的通信标准 网络层 定义设备间通过逻辑地址 IP Internal Protocol 因特网协议地址 传输数据 连接位于不同广播域的设备 常用组织路由 传输层 建立互会话连接 分配服务访问点 SAP Service Access Point 服务 访问点 允许数据进行可靠 TCP Transmission Control Protocol 传输控制协议 或不可靠 UDP User Datagram Protocol 用户数据报协议 的传输 可以提供通信 质量检测服务 QoS Quality of Service 服务质量 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的数据转化服务 应用层 定义用户及应用程序接口以协议对网络访问的切入点目前各种应用版本 较多 很难建立一种统一的标准 在工控领域常用的标准是 MMS 多媒体信息服务 制造业消息规范 用来描述制造业应用的服务和协议 数据经过封装后通过戒指传输到网络上 接受设备除去附加信息后 将数据上传到 上层堆栈层 2 CSMA CD 技术技术 在传统共享网络中 由于以太网段中的所有站点采用相同的物理介质相连 这就意 北华航天工业学院毕业论文 4 味着两台设备间同时发送信号时 就会出现信号间的相互冲突 为了解决这个问题 以 太网规定 在一个站点访问介质前 他首先必须监听网络上有没有其他的站点在同时是 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几率 出现了一些算法 常用的有 持续 CSMA 非持续 CSMA p 持续 CSMA 3 以太网的交换技术以太网的交换技术 以太网交换机 Switch 也称为交换器 交换式集线器 是为了改善以太网负载较 重时的网络拥塞问题而出现的 它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术 各 个冲突域之间用交换机连接 以减少 CSM CD 机制带来的冲突问题和错误传输 使每个 端口独享整个介质带宽 是局域网可以高度扩展 在一个完整的交换网络中 整个网络只有交换机和通信节点 没有集线器 交换机 首先接收节点发来的数据 再将数据转发到另一个冲突 且在交换网络中 通信节点只 同交换机做数据交换而相互之间不直接进行数据通信 交换网络采用全双工的通信方式 股可以认为是无冲突的网络 交换机是利用 MAC 地址工作在 OSI 参考模型第二层 数据链路层 的设备 与集线器或其他工作在 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 中继器和集线器属于物理层的设备 因而受到冲突域的限制 而交换机可以通过内 部交换技术 将各冲突域进行划分和连接 从而将局域网的范围扩展到 150km 同时保 证每个网络节点享有全部带宽 数据交换 由于采用 MAC 地址访问技术 本地的数据交换仅被限制在本冲突域内 中继器和 集线器是所有的端口共享带宽 而交换机是独享带宽 交换机根据目前的 MAC 地址表 示选择 将数据转发到相关的数据接口 减轻网络负载 错误帧限制 第二层设备可以进行基本的数据包检测 因而错误帧以及错误报告将不再被传送 在一个网段内发生的冲突不会被转发到其他网段 避免 泛洪 和 风暴 并行通信 交换机可以处理不同网段之间的多个数据包 根据端口数据数量的不同 交换机可 以在通信设备之间建立多个临时或者动态的连接 并行进行数据交换 4 以太网扩展以太网扩展 随着信息量的急剧增长 网络流量也可以超乎想象的速度激增 这就要求网络不断 的进行扩展和提高性能 目前千 万兆以太网已经广泛使用 特别是在工作环境趋向与互 相协作 通常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 无线以太网式以太网的逻辑扩展 无线局域网的主要指标是 IEEE802 11 北华航天工业学院毕业论文 5 该标准又继续延伸出 802 22b 802 11a 和 802 11g 标准 目前已被绝大多数无线设备厂 商采用 数据速率可达 11Mbit s IEEE802 11g 标准定义速率可达 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 多种新型无线设备能够接入企业网和局域网 这扩展了无线以太网解决方案的应用 范围 其中包括配置无线网卡的便携式计算机和台式机 带有内建无线网设备的 PDA 个人数据子助理 和掌上电脑 互联网接入应用和 VOIP 电话 2 存储区域网络 SAN 和网络连接存储 NAS 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 DAS 演变为网络的一种基础设施 SAN 和 NAS 的功 能互补为补充 而因特网工程 任务 部 IETF 提出的基于 TCP 的 SCSI 小型计算 机系统接口 方案 IETF 与 ANSI 美国国家标准协会 共同提出的基于 IP 的光缆 方案 ANSI 提出的光纤骨干网方案 以及基于纯 IP 的存储方案等等各种新兴技术将为 网站 服务提供商 企业和其他组织提供一系列高速 低成本 远程存储解决方案 3 城域网中的以太网 千兆位以太网向桌面的移植助长了服务器和企业干线对 10kM 位以太网的需求 10kM 位以太网的出现能够满足高速网络的多种关键需求 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 MAN 的最佳选择 在城域网中实现以太网 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 作为悠久历史的网络技术之一 以太网利用其出色的性价比 灵活性 互操作性提 供新的被验证的优势 以及不断涌现的新产品和构建模块 将提供更卓越的性价比特性 和优势 必将得到飞速的发展 北华航天工业学院毕业论文 6 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 允许网络故障时间一 秒分钟计 极高的使用性需求 允许网络故障时间 300ms 以避免 法生产停顿 网络监控 和维护 网络监控必须由专业 人员使用专业工具完 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 WinCC 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的需求 工业现场对工业 以太网产品的要求包括 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 工业生产现场的粉尘 易燃易爆和有毒性气体的存在 需要采取防保措施保证 安全生产 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性 如耐振动 耐冲击 电磁环境适应性或电磁兼容性 EMC 等 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 采用标准导轨安装 安装方便 是用于工业环境安装的要求 工业网络器件要 能方便的安装在工业现场控制柜内 并容易更换 北华航天工业学院毕业论文 7 2 2 以太网应用与工业自动化中的关键问题及发展方向 1 以太网实时通信服务以太网实时通信服务 交换式以太网 全双工以太网和虚拟局域网技术的出现 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间过长 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 加入实时通道的技术 减小处理通信栈所需的时间 极大地改善了网络的影响 是网络 实时性得到根本性的改善 2 统一的应用层 用户层系以规范统一的应用层 用户层系以规范 工业自动化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 需要制定统一的协议规范 以满足开放系统的要求 3 网络可用性网络可用性 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障时 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的问题 4 与与 IT 技术结合技术结合 目的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 并将这些总线网络集成到 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 条形器 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 为用户带来巨大的利益 简单的连接系统 调试快速 灵活性高 可扩展现有的设备而不影响系统运行 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 通过交换技术可缩放的性能 提供高度可扩展的通信性能 不同应用领域的联网 例如办公室环境和生产应用环境的联网 通过接入 WAN 广域网 可实现世界范围内和公司之间的通行 例如 ISDN 综 合服务数字网 或 Internet 北华航天工业学院毕业论文 8 工业以太网作为基于组件的自动化 CBA Component Based Automation 的 基础 发展出 PROFIBUS 用户组织 PI PROFIBUS International PROFIBUS 国际组织 的 PROFINET 北华航天工业学院毕业论文 9 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 IEEE802 3 标准并提供 10Mbit s 以及 10010Mbit 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 400 000 个节点 遍布世界各地 用于严酷的工业环境 并包括由高强度电磁干扰的 地区 如图 3 1 所示 图 3 1 工业以太网 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 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 数据传输的协议和服务 用于连接 PLC 或 PC 的通信模板 3 2 SIMATIC NET 工业以太网 1 基本类型基本类型 1 10Mbit s 工业以太网 应用基带传输技术 基于 IEEE802 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 北华航天工业学院毕业论文 10 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 2 芯电缆 无双绞 无屏蔽 例如 AS interface bus 2 芯双绞线 无屏蔽 2 芯屏蔽双绞线 例如 PROFIBUS 同轴电缆 例如 Industrial Ethernet 无线通信 例如 红外线和无线电通信 在西门子工业以太网中 通常使用的物理介质是屏蔽双绞线 TP 工业屏蔽双绞 线 ITP 以及光纤 2 网络部件 工业以太网链路层模块 OLM ELM 依照 IEEE802 3 标准 利用电缆和光纤技术 SIMATIC NET 连接模块使得工业以太 网的连接变的更为方便和灵活 硬件特性 OLM 光链路模块 有 3 个 ITP 接口和两个 BFOC 借口 ITP 接口连接 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 2 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 速度为 10Mbit s 如图 3 3 所示 图 3 2 工业以太网 OLM 图 3 3 工业以太网 ELM 工业以太网交换机 OSM ESM 工业以太网交换机 OSM ESM Optical Electrical Switch Module 可以连接更多的站点 将以太网扩展到更大的范围 OSM 的产品包括 OSM TP62 OSM TP22 OSM ITP53 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 这里指带有 6 个 ITP 电缆接口 2 代表光缆接口数量 LD 代表长距离 如图 3 4 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 5 为 ESM TP80 北华航天工业学院毕业论文 11 图 3 4 OSM ITP62 LD 图 3 5 ESM TP80 OSM ESM 的基本功能 提高网络性能 简化网络配置和网络扩展 限制错误帧的影响 地址学习 地址删除 设置传输波特率及自适应 数据包的 VLAN 优先权标签 OSM ESM 网络拓扑 OSM 总线型 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 6 所示 图 3 6 OSM 的以太网总线拓扑结构 1 ITP 标准电缆 9 15 2 TP 软线 9 RJ 45 3 光缆 OSM 环形拓扑 如图 3 7 所示 北华航天工业学院毕业论文 12 图 3 7 OSM 的环形拓扑结构 ESM 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 之间的距离不能超过 100m 整个网络最多可以连接 50 个 ESM 网络的最长距离为 5km 如图 3 8 图 3 8 ESM 总线型拓扑 2 ITP XP 标准电缆 9 9 3 TP 软线 9 RJ 45 4 ITP 标准电缆 9 15 ESM 环形拓扑 如图 3 9 所示 北华航天工业学院毕业论文 13 图 3 9 ESM 冗余环形拓扑 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 10 所示为 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 11 所示 图 3 10 ELS TP40 图 3 11 OMC 模块 3 通信处理器 常用的工业以太网通信处理器 CP Communication Processer 通信处理单元 包括用在 S7PLC 站上的处理器 CP 243 1 系列 CP443 1 系 列等 S7 200 系列 CP243 1 是为 S7 200 系列 PLC 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 系列 PLC 通过以太网进行连接 并且支 持使用 SETP7 Micro WIN 32 软件 通过以太网对 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 进行以太网的连接 CP 243 1 还可以 同 PC 上的 OPC Server 进行通信 如图 3 12 所示 北华航天工业学院毕业论文 14 图 3 12 CP243 1 模板 S7 300 系列 S7 300PLC 的以太网通信处理器是 CP 343 1 系列 按照所支持协议 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 13 所示 图 3 13 CP343 1 模板 S7 400 系列 S7 400 PLC 的以太网通信处理器是 CP443 1 系列 按照所支持的协 议的不同 可以分为 CP 443 1 CP 443 1 ISO CP 443 1 TCP 和 CP 443 1 IT 如图 3 14 所示 图 3 14 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 RFC 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 15 所示 北华航天工业学院毕业论文 15 图 3 15 CP 1613 3 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 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 软件提供了统一的 Windows 界面 同时也集成并更新了更多功能 例如 替换旧的 CD5 2000 V5 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 APC Advanced PC Configuration 高级 PC 配置工具 通过 APC 的组态 PC 站可以同时成为工作站和工程师站 作为工作站 PC 可以作 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 Sever 以及数据处 理功能 我们可以把 PC 站集成在 STEP 7 中进行组态 否则 NCM 只能提供 PC 组件 的硬件库 只能组态网络 不能组态 PLC 站 2 OPC 是 OLE for Process Control 的缩写 OLE Object Linking Embeding 对 象连接和嵌入 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 业通信的标准 OPC 不依赖于某一厂商 几乎所有的工控业软 硬件制造商都已集成 OPC 接口 因此各种不同硬件厂商之间的设备通信就可以通过统一的 OPC 接口进行 从而避免了不 同设备的厂商由于通信协议的差异而造成数据交换困难的问题 用户可以使用 C VB VBA 等编程语言对 OPC 进行访问 OPC 也可以通过网络进行访问 DCOM 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 另外还有故障报警和触发事件消息的功 能 OPC 为服务器 客户端结构 客户端访问服务器的程序接口有自动化接口 北华航天工业学院毕业论文 16 VB VBA 访问接口 和用户自定义接口 C 其中只有自定义接口也以用来访问 故障报警和触发事件消息 OPC 的结构未分级模型 即 OPC server OPC group OPC item OPC 数据访问 均基于此结构 在此基础上 OPC 的数据访问有 2 种常用的方法 同步读写 同步读写是指 OPC 的客户端向服务区发出一个读 写请求 然后等待服务器的返回 值 在此过程中 客户端不能正在继续执行 直到服务器向客户端返回数值后 整个读 写过程结束 OPC 客户端才能继续执行下去 如图 3 16 所示 同步读 写方式读取数据的速度较快 编程较简单 无需回调 但需要等待返回数据 数据可以从缓存中读 写 也可以直接访问设备 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 写请求 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 直到服务端数据准备好后 向客户端返回一个消息 客户端在回 调函数里处理返回数值 整个读 写过程结束 如图 3 17 所示 异步读 写方式可以同时处理若干请求而不需等待某一个请求结束 图 3 16 同步读写机制 图 3 17 异步读写机制 OPC server 的设置 北华航天工业学院毕业论文 17 安装了 SIMATIC NET 后 可以对 SIMATIC NET 的 OPC server 进行配置 打开 SIMATIC NET Setting Configuration Console OPC setting 可以看到 OPC server 的设置选项 如图 3 18 所示 北华航天工业学院毕业论文 18 图 3 18 配置 OPC 服务器 北华航天工业学院毕业论文 19 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 可以通过以太网模板 CP 243 1 及 CP 243 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 CP 243 1 与其他 S7 PLC 站利用网络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 北华航天工业学院毕业论文 20 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 343 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 STEP 7 Micro WIN32 V3 2 1 以上版本 3 STEP 7 V5 3 4 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 S7 200 之间的以太网通信 S7 200 与 S7 300 S7 400 之间的以太网通信 S7 200 与 OPC 及 WinCC 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 或 Client 1 S7 200 Server 端的组态端的组态 打开 STEP 7 Micro WIN32 新建一个项目 点击右键选择 CPU 的类型 第一次 组态时 由于还没有对 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 按钮可以设置连接方式 选择 Set PG PC Interface 如果 连接使用串口 将访问选择为 Micro WIN PC PPI cable PPI 如果连接使用 CP 5611 网卡 则将访问点选择为 Micro WIN CP5611 PPI 如图 4 2 所示 北华航天工业学院毕业论文 21 图 4 2 新建 S7 200 项目 如果不清楚 CPU 的类型 可以通过 Read PLC 来读出 CPU 的型号 然后 选择菜单 Tolls Ethernet Wizard 通过向导进行 CP 243 1 的组态 选择 CP 243 1 模板的位置 注意 CPU 右边的第一个扩展模板位置为 0 这个 位置也可以通过 Read Modules 读出 然后选择 Next 接下来设置 CP 243 1 模板的 IP 地址 192 168 147 1 子网掩码 255 255 255 0 连接的网络速度可以选择自适应 Auto Detect Communications 当然 也可以设置 10Mbit s 或 100Mbit s 要根据网络设备的连接情况而定 如果网络中有 DHCP 服务器 也可以选择自动获取 IP 但建议使用静态 IP 接下来可以设置 CP 243 1 模板的连接数 CP 243 1 模板最多可以建立 8 个以太网 连接 这里设置连接为 1 然后选择 Next 选择本站为 Server 端 Local Properties 设置本站 Server 属性 TSAP 默认 10 00 TSAP 有两个字节组成 第一个字节定义了连接数 其中 Local TSAP 定义范围 16 02 16 10 16 FE Remote TSAP 定义范围 16 02 16 03 16 10 16 FE 第二个字节定义了机架号和 CP 槽号 如果只连接第一个客户端 可以制定对方的 IP 地址 否则可以选择 Accept all connection Requsets 设置远端站 Client 属性 北华航天工业学院毕业论文 22 TSAP 默认 10 00 设定规则同上 最后生成 CRC 数据 组态信息要占用一定的 V 存储区 该存储区的大小随组态的不同有所变化 这个 存储区在用户程序中不允许在被使用 选择 Next 后 可以看到生成了子程序 ETHO CTRL 和组态信息的存储区 域 最后选择 Finish 结束组态向导 在程序中调用生成的子程序 ETHO CTRL 如图 4 3 所示 这样 Server 端的 组态就完成了 图 4 3 调用子程序 2 S7 200 Client 端的组态端的组态 CP 243 1 组态为 Client 的步骤同 Server 的组态前 步是相同的 只是 Server 和 Client 端的选择有所区别 但注意组态 Client 端的 CP 243 1 的 IP 地址为 192 168 147 2 选择本站为 Client 端 Local Properties 设置本站 Client 属性 TSAP 默认 10 00 TSAP 有两个字节组成 第一个字节定义了连接数 其中 Local TSAP 定义范围 16 02 16 10 16 FE Remote TSAP 定义范围 16 02 16 03 16 10 16 FE 第二个字节定义了机架号和 CP 槽号 北华航天工业学院毕业论文 23 Requsets Properties 设置远端站 Server 属性 TSAP 默认 10 00 设定规则同上 远端站 Server 的 TSAP 号可以在组态远端后再确 定 Keep Alive Function 可以选择检测链接的功能 前面组态 Server 时本站 TSAP 使用的是默认值 10 00 因此这里远端站 TSAP 就填 10 00 另外 设定了本站的 TSAP 后 不要忘了确认一下远端站 Server 中 远端站 Client 的 TSAP 参数 两者都要一一对应 Client 端需要建立连接 选择 New Transfer 定义新的传输 在 Client 端可以定义是从 Server 端读数据 Read 还是向 Server 端写数据 Write 选择 CRC 和连接检测时间间隔后 可以看到生成了子程序 ETHO CTRL ETHO XFR 和组态信息的存储区域 在程序中调用生成的子程序 ETHO CTRL ETHO XFR 如图 4 4 所示 图 4 4 调用子程序 其中 START 触发器数据交换 Chan ID 连接号 0 7 也可以输入连接名 Connection0 0 Data 传输号 0 31 也可以输入连接名 PeerMessage 1 北华航天工业学院毕业论文 24 Error 可以通过该输出查看具体的错误代码 将程序和组态信息分别下载到 Server 端和 Client 端的 CPU 后 在 Client 端可以通过 触发 ETHO XFR 来读取数据或向 Server 端发送数据 北华航天工业学院毕业论文 25 第 5 章 S7 200 以太网的 FTP 功能 基于同一国际标准的 IT 功能将工控领域和传统的办公网络连接在一起 通过 CP 243 1 IT 模块 可以使以太网上的 PC 通过 WEB 浏览器对 S7 200 系统进行监控 S7 200 系 统可以通过 FTP Flie Transfer Protocol 文件传送协议 的方式与 PC 传输数据文件 FTP 用来上传文件或数据到文件服务器 或从服务器下载 用户只要安装 FTP 客户 端软件 例如 IE 浏览器 就可以进行文件传送 从而使异构系统间的文件传输更为方 便 IT CP 的 FTP 功能包括 FTP Server 功能和 FTP Client 功能 5 1 FTP Server 功能 FTP Server 功能是将 S7 200 作为 FTP Server 客户可以通过 FTP 访问 IT CP 的系统 文件 1 首先 需要定义客户的账号和密码并为其分配用户权限 CP 243 1 IT 上可以 建立 8 个账户 但某一时刻只允许一个客户访问 如图 5 1 所示 图 5 1 建立账户 2 将组态信息编译下载至 S7 200 后 FTP Client 可以访问 CP 243 1 IT 的系统文 件 如图 5 2 所示 北华航天工业学院毕业论文 26 用户可以将自己开发的网页通过该功能上传到 CP 243