工业以太网通讯技术

第十章工业以太网通讯技术 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 10 1工业以太网简介 10 1 1以太网技术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 在局域网家族中 以太网是指遵循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 LocalAreaNetwork 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 传输介质是铜轴电缆 传输速率为10Mbit s 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 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 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 WideAreaNetwork 和城域网 MAN MetropolitanAreaNetwork 的宽带解决方案 工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物 前者源于后者但不同与前者 以太网技术经过多年的发展 特别是它在Internet中广泛应用 使得它的技术更为成熟 并得到了广大开发商与用户的认同 因此无论从技术上还是产品价格上 以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势 另为 随着技术的发展 控制网络与普通计算机网络 Internet的联系更为密切 控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性 需要提高对现场设备通信能力的要求 这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因 10 1 2工业以太网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10 1所示 表10 1工业网络与传统办公室网络的比较 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 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 需要采取防爆措施保证安全生产 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 EMC ElectroMagneticCompatibility 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 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 10 1 3工业以太网应用于工业自动化中的关键问题 1 通信实时性问题以太网采用的CSMA CD的介质访问控制方式 其本质上是非实时的 平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求 因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用 需要有针对这一问题的切实的解决方案 2 对环境的适应性与可靠性的问题以太网是按办公环境设计的 将它用于工业控制环境 其环境适应能力 抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的 在产品的设计时要特别注重材质 元器件的选择 使产品在强度 温度 湿度 振动 干扰 辐射等环境参数方面满足工业现场的要求 还要考虑到在工业环境下的安装要求 例如采用DIN导轨式安装等 像RJ45一类的连接器 在工业上应用太易损坏 应该采用带锁紧机构的连接件 使设备具有更好抗振动 抗疲劳能力 3 总线供电在控制网络中 现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求 现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电 工业以太网目前没有对网络节点供电做出规定 一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对空闲线对供电 一般在工业应用环境下 要求采用直流10 36V低压供电 4 本质安全工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所 就必须考虑本安防爆问题 这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题 在工业数据通信与控制网络中 直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太网发展的一个方面 现有的许多现场总线控制网络都提出了与以太网结合 用以太网作为现场总线网络的高速网段 使控制网络与Internet融为一体的解决方案 在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合 使控制网络无需经过网关转换即可直接连至互联网 使测控节点有条件成为互联网上的一员 在控制器 PLC 测量变送器 执行器 I O卡等设备中嵌入以太网通讯接口 嵌入TCP IP协议嵌入WebServer便可形成支持以太网 TCP IP协议和Web服务器的Internet现场节点 在应用层协议尚未统一的环境下 借助IE等通用的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制 进而实现远程监控 也是人们提出且正在实现的一个有效的解决方案 10 1 4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SIMATICNET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100Mbit s快速以太网技术 经过多年的实践 SIMATICNET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 1 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 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 2芯电缆 无双绞 无屏蔽 例如 AS interfacebus 2芯双绞线 无屏蔽2芯屏蔽双绞线 例如 PROFIBUS 同轴电缆 例如 IndustrialEtherenet 光纤 例如 PROFIBUS IndustrialEtherenet 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 TP Twistedpair 工业屏蔽双绞线 ITP IndustrialTwistedpair 以及光纤 2 网络部件工业以太网链路模块OLM ELM依照IEEE802 3标准 利用电缆和光纤技术 SIMATICNET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10 1所示 ELM 电气链路模块 有 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 图10 1工业以太网OLM 工业以太网交换机OSM ESMOSM的产品包括 OSMTP62 OSMTP22 OSMITP62 OSMITP62 LD和OSMBC08 从型号就可以确定OSM的连接端口类型及数量 如 OSMITP62 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10 2所示 ESM的产品包括 ESMTP40 ESMTP80和ESMITP80 命名规则和OSM相同 图10 3所示为ESMTP80 图10 2OSMITP62 LD 图10 3ESMTP80 3 通信处理器常用的工业以太网通信处理器 CP CommunicatonProcesser 通信处理单元 包括用在S7PLC站上的处理器CP243 1系列 CP343 1系列 CP443 1系列等 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通过工业以太网进行连接 并且支持使用STEP7 Micro WIN32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 如图10 4所示 S7 300系列PLC的以太网通信处理器是CP343 1系列 按照所支持协议的不同 可以分为CP343 1 CP343 1ISO CP343 1TCP CP343 1IT和CP343 1PN 如图10 5所示 图10 4CP243 1 图10 5CP343 1 S7 400PLC的以太网通信处理器是CP443 1系列 按照所支持协议的不同 可以分为CP443 1 CP443 1ISO CP443 1TCP和CP443 1IT 如图10 6所示 图10 6CP443 1 10 2掌握S7 300PLC的工业以太网通信方法 10 2 1西门子支持的网络协议和服务网络通信需要遵循一定的协议 表10 2种列出了西门子公司不同的网络可以运行的服务 表10 2西门子公司的网络服务 1 标准通信 StandardCommunication 标准通信运行于OSI参考模型第7层的协议 包括表10 3所示的协议 MAP ManufacturingAutomationProtocol 制造业自动化协议 提供MMS服务 主要用于传输结构化的数据 MMS是一个符合ISO IES9506 4的工业以太网通信标准 MAP3 0的版本提供了开放统一的通信标准 可以连接各个厂商的产品 现在很少应用 表10 3标准通信协议 2 S5兼容通信 S5 compatibleCommunication SEND RECEIVE是SIMATICS5通信的接口 在S7系统中 将该协议进一步发展为S5兼容通信 S5 compatibleCommunication 该服务包括如下 见表10 4所示的协议 表10 4S5兼容通信 ISO传输协议 ISO传输协议支持基于ISO的发送和接收 使得设备 例如SIMATICS5或PC 在工业以太网上的通信非常容易 该服务支持大数据量的数据传输 最大8KB ISO数据接收有通信方确认 通过功能块可以看到确认信息 TCP TCP即TCP IP中传输控制协议 提供了数据流通信 但并不将数据封装成消息块 因而用户并不接收到每一个任务的确认信号 TCP支持面向TCP IP的Socket TCP支持给予TCP IP的发送和接收 使得设备 例如PC或非西门子设备 在工业以太网上的通信非常容易 该协议支持大数据量的数据传输 最大8KB 数据可以通过工业以太网或TCP IP网络 拨号网络或因特网 传输 通过TCP SIMATICS7可以通过建立TCP连接来发送 接收数据 ISO on TCP ISO on TCP提供了S5兼容通信协议 通过组态连接来传输数据和变量长度 ISO on TCP符合TCP IP 但相对于标准的TCP IP 还附加了RFC1006协议 RFC1006是一个标准协议 该协议描述了如何将ISO映射到TCP上去 UDP UDP UserDatagramProtocol 用户数据报协议 提供了S5兼容通信协议 适用于简单的 交叉网络的数据传输 没有数据确认报文 不检测数据传输的正确性 属于OSI参考模型第4层的协议 UDP支持基于UDP的发送和接收 使得设备 例如PC或非西门子公司设备 在工业以太网上的通信非常容易 该协议支持较大数据量的数据传输 最大2KB 数据可以通过工业以太网或TCP IP网络 拨号网络或因特网 传输 通过UDP SIMATICS7通过建立UDP连接 提供了发送 接收通信功能 与TCP不同 UDP实际上并没有在通信双方建立一个固定的连接 除了上述协议 FETCH WRITE还提供了一个接口 使得SIMATICS5或其他非西门子公司控制器可以直接访问SIMATICS7CPU 3 S7通信 S7Communication S7通信集成在每一个SIMATICS7 M7和C7的系统中 属于OSI参考模型第7层应用层的协议 它独立于各个网络 可以应用于多种网络 MPI PROFIBUS 工业以太网 S7通信通过不断地重复接收数据来保证网络报文的正确 在SIMATICS7中 通过组态建立S7连接来实现S7通信 在PC上 S7通信需要通过SAPI S7借口函数或OPC 过程控制用对象链接与嵌入 来实现 在STEP7中 S7通信需要调用功能块SFB S7 400 或FB S7 300 最大的通信数据可以达64KB 对于S7 400 可以使用系统功能块SFB来实现S7通信 对于S7 300 可以调用相应得FB功能块进行S7通信 如表10 5所示 表10 5S7通信功能块 4 PG OP通信 PG OP通信分别是PG和OP与PLC通信来进行组态 编程 监控以及人机交互等操作的服务 图10 7S7 300 400PLC的以太网通信 10 2 2S7 300PLC进行工业以太网通信所需的硬件与软件 1 硬件 1 CPU 3 CP343 1IT CP343 1 4 PC 带网卡 2 软件 STEP7V5 2说明 为了便于选择硬件 请保持软件的更新 可以到西门子 中国 自动化与驱动集团的官方网站上去下载所需的补丁和升级包 3 PG PCInterface的设定在 SIMATICManger 界面中 选择 Options SetPG PCInterface 进入 SetPG PCInterface 界面 选定 TCP IP Auto RealtekRTL8193 810 为通信协议 见图10 8所示 图10 8 SetPG PCInterface 界面 10 2 3S7 300PLC利用S5兼容的通信协议进行工业以太网通信 1 TCP 1 新建项目在STEP7中创建一个新项目 取名为 TCPofIE 点击右键 再弹出的菜单中选择 InsertNewObject SIMATIC300Station 插入一个300站 取名为 313C 2DP 用同样的方法在项目 TCPofIE 下插另一个300站 取名为 315 2DP 如图10 9所示 图10 9建立项目 2 硬件组态首先对 313C 2DP 站进行硬件组态 双击 Hardware 进入 HWConfig 界面 在机架上加入CPU313C 2DP SM323和CP343 1IT 如图10 10所示 图10 10 313C 2DP 站的硬件组态 同时把CPU的MPI地址设为 4 CP模块的MPI地址设为 5 CP343 1IT可以在 SIMATIC300 CP300 IndustrialEthernet 下找到 见图10 11 图10 11CP343 1IT的硬件位置 当把CP343 1IT插入机架时 会弹出一个 CP343 1IT的属性对话框 新建以太网 Ethernet 1 因为要使用TCP 故只需设置CP模块的IP地址 如图10 12所示 本例中CP343 1IT的IP地址为 10 10 3 28 子网掩码 255 255 255 192 用同样的方法 建立 315 2DP 站的硬件组态 CPU的MPI地址设为 2 CP模块的MPI地址设为 3 CP模块的IP地址为 10 10 3 58 子网掩码 255 255 255 192 硬件组态好后保存编译 分别下载到两台PLC中 图10 12CP343 1IT的属性对话框 3 网络参数配置与做一般的项目不同 在做工业以太网通信的项目时 除了要组态硬件 还要进行网络参数的配置 以便于在编写程序时 可以方便的调用功能块 在 SIMATICManger 界面中点击 ConfigureNetwork 键 打开 NetPro 设置网络参数 此时可以看到两台PLC已经挂入了工业以太网中 选中一CPU 点击鼠标右键 选择 InsertNewConnection 建立新的连接 如图10 13所示 图10 13建立新的连接 在连接类型中 选择 TCPconnection 连接 如图10 14所示 图10 14选择 TCPconnection 连接 然后点击 OK 设置连接属性 见图10 15 General 属性中ID 1 是通信的连接号 LADDR W 16 0110 是CP模块的地址 这两个参数在后面的编程时会用到 通信双方其中一个站 本例中为CPU315 2DP 必须激活 Activeconnectionestablishment 选项 以便在通信连接初始化中起到主动连接的作用 图10 15TCP连接属性 Address 属性中可以看到通信双方的IP地址 占用的端口号可以自定义 也可以使用默认值 如2000 如题10 16所示 参数设置好后编译保存 再下载到PLC中就完成了 图10 16设定TCP IP端口 4 编写程序在进行工业以太网通信编程时需要调用功能FC5 AG SEND 和FC6 AG RECV 该功能块在指令库 Libraries SIMATIC NET CP CP300 中可以找到 如图10 17所示 图10 17指令库 其中发送方 本例中为CPU315 2DP 调用发送功能FC5 程序如图10 18所示 图10 18发送方程序 当M0 0为 1 时 触发发送任务 将 SEND 数据区中的20个字节发送出去 发送数据 LEN 的长度不大于数据区的长度 下表10 6所示为功能FC5的各个管脚参数说明 表10 6功能FC5的参数说明 同样在接收方 本例为CPU313C 2DP 接收数据需要调用接收功能FC6 如图10 19所示 图10 19接收方程序 功能FC6的各个管脚参数说明如表10 7所示 表10 7功能FC6的参数说明 程序编写好后保存下载 这样就可以把发送方CPU315 2DP内的20个字节的数据发送给接收方CPU313C 2DP 正常情况下 功能块FC5 AG SEND 和FC6 AG RECV 的最大数据通信量为240个字节 如果用户数据大于240个字节 则需要通过硬件组态在CP模块的硬件属性中设置数据长度大于240个字节 最大8KB 如图10 20所示 如果数据长度小于240个字节 不要激活此选项以减少网络负载 图10 20通信数据量的设置 2 ISO on TCPISO on TCP是在TCP上加上了ISO的校验机制 故本例中所使用的CP模块需要支持TCP 1 新建项目在STEP7中创建一个新项目 取名为 ISO on TCPofIE 再弹出的菜单中选择 InsertNewObject SIMATIC300Station 插入一个300站 取名为 313C 2DP 用同样的方法在项目 TCPofIE 下插另一个300站 取名为 315 2DP 如图10 21所示 图10 21建立项目 2 硬件组态首先对 313C 2DP 站进行硬件组态 双击 Hardware 进入 HWConfig 界面 在机架上加入CPU313C 2DP SM323和CP343 1IT 如图10 22所示 图10 22 313C 2DP 站的硬件组态 同样把CPU的MPI地址设为 4 CP模块的MPI地址设为 5 当把CP343 1IT插入机架时 仍然会弹出一个 CP343 1IT的属性对话框 新建以太网 Ethernet 1 因为要使用ISO on TCP 故只需设置CP模块的IP地址 如图10 23所示 本例中CP343 1IT的IP地址为 10 10 3 28 子网掩码 255 255 255 192 建立 315 2DP 站的硬件组态方法与上面例子一样 这里不再详细讲述 图10 23CP343 1IT的属性对话框 3 网络参数配置与上面例子相同 打开 NetPro 设置网络参数 在连接类型中 选择 ISO on TCPconnection 连接 如图10 24所示 图10 24选择 ISO on TCPconnection 连接 然后点击 OK 设置连接属性 见图10 25 General 属性中ID 1 是通信的连接号 LADDR W 16 0110 是CP模块的地址 这两个参数在后面的编程时会用到 通信双方其中一个站 本例中为CPU315 2DP 必须激活 Activeconnectionestablishment 选项 以便在通信连接初始化中起到主动连接的作用 图10 25ISO on TCP连接属性 Address 属性中可以看到通信双方的IP地址 TSAP可以自定义 也可以使用默认值 如 TCP 1 如图10 26所示 参数设置好后编译保存 再下载到PLC中 这样网络参数设置就完成了 4 通信程序的编写与TCP连接相同 这里不再重复 图10 26TSAP设置 3 UDPUDP的组态和编程方法同TCP基本相同 只需在网络参数设置里选择 UDPconnection 连接即可 这里不再详述 4 IOS传输协议本例中需要支持ISO传输协议的CP模块 在选择硬件时应当注意 1 新建项目在STEP7中创建一个新项目 取名为 IE IOS 点击右键 再弹出的菜单中选择 InsertNewObject SIMATIC300Station 插入一个300站 用同样的方法在项目 IE IOS 下插另一个300站 如图10 27所示 图10 27建立项目 2 硬件组态单击 SIMATIC300 1 双击 Hardware 进入 HWConfig 界面 在机架中插入所需的CPU和CP模块 见图10 28 图10 28 SIMATIC300 1 的硬件组态 当插入CP模块后 会自动弹出一个 CP343 1IT的属性对话框 新建以太网 Ethernet 1 因为要使用ISO传输协议 故选择 SetMACaddress useISOprotocol 本例中设置该CP模块的MAC地址为08 00 06 71 6D D0 IP地址为 10 10 3 28 子网掩码 255 255 255 192 如图10 29所示 每个CP模块的MAC地址都不一样 MAC地址一般标注在CP模块的外壳上 使用时注意查找 用同样的方法 建立另一个S7 300站 CP模块为CP343 1 设置CP模块的MAC地址 连接到同一个网络 Ethernet 1 上 图10 29CP343 1IT的属性对话框 3 网络参数配置与前面的例子同样的方法打开 NetPro 设置网络参数 选中一CPU 点击鼠标右键 选择 InsertNewConnection 建立新的连接 如图10 30所示 图10 30建立新的连接 在连接类型中 选择 ISOtransportconnection 连接 如图10 31所示 图10 31选择 ISOtransportconnection 连接 然后点击 OK 设置连接属性 见图10 32 General 属性中ID 1 是通信的连接号 LADDR W 16 0100 是CP模块的地址 这两个参数在后面的编程时会用到 通信双方的其中一个站 本例中为CPU314C 2DP 为Client端 激活 Activeconnectionestablishment 选项 另一个站 本例中为CPU314C 2PtP 为Server端 在相应属性中不激活 图10 32ISO连接属性 Addresses 属性中可以看到通信双方的MAC地址 TSAP可以自定义 也可以使用默认值 如 ISO 1 如图10 33所示 然后保存编译 下载到PLC中 4 通信程序的编写与TCP连接相同 这里不再重复 图10 33TSAP设置 10 2 4S7 300PLC利用S7通信协议进行工业以太网通信 1 新建项目在STEP7中创建一个项目 取名为 IE S7 点击右键 再弹出的菜单中选择 InsertNewObject SIMATIC300Station 插入一个300站 用同样的方法在项目 IE S7 下插另一个300站 如图10 34所示 图10 34建立项目 2 硬件组态单击 SIMATIC300 1 双击 Hardware 进入 HWConfig 界面 在机架中插入所需的CPU和CP模块 见图10 35 图10 35 SIMATIC300 1 的硬件组态 与ISO传输协议一样 当插入CP模块后 会自动弹出一个 CP343 1IT的属性对话框 新建以太网 Ethernet 1 因为要使用ISO传输协议 故选择 SetMACaddress useISOprotocol 本例中设置该CP模块的MAC地址为08 00 06 71 6D D0 IP地址为 192 168 1 10 子网掩码 255 255 255 0 用同样的方法 建立另一个S7 300站 CP模块为CP343 1 设置CP模块的MAC地址 连接到同一个网络 Ethernet 1 上 3 网络参数设置打开 NetPro 设置网络参数 选中一CPU 点击鼠标右键 选择 InsertNewConnection 建立新的连接 在连接类型中 选择 S7connection 连接 如图10