工业互联网网络技术项目2 现场总线规划与应用

任务2.1认识现场总线一、任务说明任务目标介绍现场总线概念、特点、种类，认知其作用，为应用相关总线做准备，实施流程如图。任务实施流程二、知识准备-①现场总线的概念

现场总线概念是现场控制器与远程设备间，基于规范协议，通过通信电缆进行信息交换的系统，涵盖仪表、传感器、控制器及工控设备。

现场总线应用广泛应用于控制设备与控制器间的信息交换，如PLC通过通信控制变频器，实现电机启动、停止控制及实时状态读取。二、知识准备-①现场总线的概念

现场总线控制系统优势

传统控制系统对比现场总线控制系统优化了传统集散控制系统的结构，减少了对外部转换器件的依赖，实现了信号的高效传输和处理，大幅降低了安装和维护费用。信号数字化用数字信号替代模拟信号，抗干扰能力强，传输精度高。系统结构简化一对线缆可传输多个信号，减少了大量的接线和转换设备。成本显著降低大幅节约了硬件、电缆采购成本以及安装维护成本。系统可靠性高减少了中间故障点，系统运行更稳定，维护更方便。二、知识准备-①现场总线的概念现场总线速度工业以太网技术发展，速度达100Mbit/s至1000Mbit/s，满足生产与智能控制需求，信息交换更及时，支持远程控制。现场总线稳定性适应恶劣工业环境，使用屏蔽双绞线，CRC16校验，心跳协议，确保信息稳定交换，及时响应通信故障。现场总线安全性包含安全设备冗余与自检，通信信息安全，停机与报警机制，通信协议中安全内容占比增加，提升整体安全性。二、知识准备-②现场总线的特点现场总线硬件特点主站与子站主站与子站均内置智能通信模块，支持相同协议，打破了传统的集中控制模式，实现了真正的智能分布控制。附件丰富配备网关（协议转换）、交换机（集中连接）、中继器（延长距离）及终端电阻（抗干扰）等丰富附件，保障系统稳定运行。网络式连接采用屏蔽双绞线构建网络拓扑，大幅减少布线量和故障点，统一信号标准，极大地简化了系统物理结构。二、知识准备-②现场总线的特点现场总线协议特点透明协议协议公开，支持不同厂商设备互联，打破技术壁垒，实现自由组网。实时性与准确性确保控制命令和状态反馈的及时、无误，是工业控制稳定运行的生命线。环境适应性专为恶劣工业环境设计，可在高温、强电磁干扰等复杂条件下稳定运行。分布控制子站可独立完成部分控制任务，分担主站压力，显著提升系统整体性能。二、知识准备-③工业控制常用现场总线CC-Link由三菱推出，开放式总线标准数据容量大，通信速率高适用于各类自动化控制系统PROFIBUS国际化、开放式的现场总线标准应用最为广泛的协议之一适用于制造业和流程工业自动化基金会现场总线(FF)以ISO/OSI模型为基础分为低速H1和高速H2网段主要应用于过程自动化领域Modbus协议通用工业标准协议，结构简单，广泛用于控制器、仪表之间的通信。CAN总线最初为汽车工业设计，具有高可靠性和实时性，也常用于工业控制。LonWorks总线全面的测控网络平台，采用神经元芯片，适用于楼宇自动化、智能交通等领域。二、任务实施

现场总线作用连接工业设备，实现数据共享，优化控制，减少布线，增强灵活性。

现场总线优势对比传统系统，减少硬件，简化安装，提高精度，易于维护，适应性强。

工业控制现场常用如Profibus,DeviceNet,EtherCAT，特点为高速，可靠，实时性好，兼容性广。感谢聆听任务2.2通过PROFIBUS-DP连接远程IO模块一、任务说明某生产车间，为了适应现在市场需求，对现有产品进行工艺调整，需要在车间增加一套装置，计划使用博途软件通过PROFIBUS-DP连接S7-1200PLC和远程IO模块ET200S，对装置进行控制。任务实施流程图如图2-3所示。任务目标任务实施流程本任务将学习如何使用博途软件，通过PROFIBUS-DP现场总线协议，将S7-1200PLC配置为主站，并连接ET200S远程IO模块作为从站，实现分布式控制。二、知识准备-①PROFIBUS简介PROFIBUS技术定义PROFIBUS是过程现场总线，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，提供工厂综合自动化和设备智能化解决方案。PROFIBUS标准与应用PROFIBUS是国际化开放式现场总线标准，适用于多领域自动化，1996年成欧洲标准，1999年成国际标准，2001年成中国行业标准。PROFIBUS通信方式PROFIBUS的三种通信方式为：PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA。二、知识准备-②PROFIBUS-DP总线的组网及通信方式

PROFIBUS-DP定义工业自动化通信协议，用于连接传感器、执行器和控制器，实现实时数据交换和控制指令传输。

PROFIBUS-DP应用主要用于设备级控制系统与分布式I/O通信，适用于制造业自动化系统，特别是PLC与现场级分布式I/O设备间的快速数据交换。二、知识准备-②PROFIBUS-DP总线的组网及通信方式传输技术特点PROFIBUS-DP高速低成本，传输技术含RS-485双绞线等，波特率9.6Kbit/s-12Mbit/s，通信距离可达10km，支持单/多主系统，最多126站点，响应速度快，适合制造业。功能与诊断能力PROFIBUS-DP功能含循环主从与非循环主主数据传送，支持点对点或广播通信；具备三级诊断信息，可快速定位故障。系统结构与数据PROFIBUS-DP支持单主站或多主站系统，拓扑结构灵活，含总线型等及冗余通信模型，从站输入输出数据最大246字节。三、任务实施-①创建DP主站

1.S7-1200DP主站配置CM1243-5模块使S7-1200在PROFIBUS上作为DP主站，自主处理通信，减轻CPU负担。

S7-1200DP主站功能CM1243-5支持连接16个DP从站，不可作为DP从站，实现分布式I/O数据一致传输。三、任务实施-①创建DP主站

2.创建DP主站在网络视图右键单击DP主站模块CM1243-5的DP接口，操作“添加主站系统”创建DP主站。三、任务实施-②创建DP从站ET200S特性模块化DP从站，支持PROFIBUS-DP与PROFINETIO，防护等级IP20，灵活连接I/O模块。ET200S组成最多63个模块，包括电源、I/O、电机启动器，适应局部需求，快速调整满足机器要求，故障安全模块达安全类别4。三、任务实施-②创建DP从站1.创建DP从站从硬件目录选取IM151-1HF模块，拖至网络视图，连接主站接口，实现PROFIBUS通信。2.网络参数设置右击网线查看参数，可调整传输速率和PROFIBUS地址，优化DP从站性能。二、任务实施-③组态ET200S从站

组态ET200S从站双击ET200S组态从站，从硬件目录插入电源模块PM-E、DO模块和DI模块，编译存盘后下载到S7-1200CPU。二、任务实施-④组态基于GSD的DP从站GSD文件安装目的当DP从站为第三方I/O设备或博途硬件列表中找不到的西门子设备，可通过安装GSD文件将该设备添加到博途系统中。GSD文件安装步骤博途中安装第三方GSD文件（以EX-1020为例）：先关闭硬件和网络编辑器，再在“选项”菜单选“管理通用站描述文件”。安装后设备组态安装完毕后，刷新硬件目录，选择已安装的第三方DP远程I/O，组态方式参照ET200S。添加I/O模块组态完成后，添加与之匹配的I/O模块。二、任务实施-④组态基于GSD的DP从站1.在“选项”菜单中，选择“管理通用站描述文件”二、任务实施-④组态基于GSD的DP从站2.选择已安装的第三方DP远程I/O组态二、任务实施-④组态基于GSD的DP从站3.添加与之匹配的I/O模块感谢聆听任务2.3通过ModbusRTU连接传感器一、任务说明使用ModbusRTU实现S7-1200PLC与称重传感器通信及数据传输。任务目标任务实施流程本任务旨在掌握工业现场常见的串口通信技术。我们将重点学习如何使用ModbusRTU协议，在博途（TIAPortal）软件环境中完成以下核心步骤：为S7-1200PLC组态串行通信模块编写通信程序，建立主从站连接实现与XMT-808-Q称重传感器的数据交互与读取二、知识准备-①Modbus简介Modbus起源1979年Modicon(现施耐德电气)发布，原为PLC通信，成首个工业现场总线协议。21世纪初，施耐德推动基于TCP/IP的Modbus应用，移交协议至IDA，成立Modbus-IDA促进广泛应用。Modbus发展Modbus协议特性开源免费，支持多接口（RS-232、RS-485、TCP/IP），传输介质多样，消息帧格式简明，快速构建工业网络。Modbus应用地位已成为工业通信标准，广泛用于电子设备间连接，促进工业控制网络的高效运行。Modbus应用广泛应用在工业控制，尤其老系统扩展，因其简单性及易实施性，成首选方案。Modbus优势成熟可靠，易于学习使用，成本低，能连接几乎所有工业传感器与控制设备，掌握其开发具实际价值。二、知识准备-②Modbus工作模式与信息帧

Modbus通信流程主设备发起查询，从设备被动响应，通信需主设备请求触发，支持单播与广播模式。单播模式详情主设备对单一从设备通信，从设备唯一地址确保独立寻址，事务处理含请求与响应报文。广播模式特点主设备向所有从设备发送写指令，从设备不回响应，地址0预留，用于识别广播通信，遵循Modbus标准。Modbus的工作模式作为一种单主/多从(Master/Slave)的通信协议，Modbus协议规定在同一时间，总线上只能有一个主设备能初始化传输(查询)，但可以有一个或多个(最多247个)从设备根据主设备查询提供的数据做出相应反应。二、知识准备-②Modbus工作模式与信息帧

ModbusRTU起始位至少3.5个字符时间的静默间隔，标志着一帧数据的开始，用于同步通信。

ModbusRTU解码接收地址域时，各设备解码判断是否为自身地址，最后字符后3.5字符时间停顿标定消息结束。

ModbusRTU帧格式典型RTU帧包括起始位、设备地址、功能码、数据、CRC校验和结束符，结构清晰，确保通信准确。二、知识准备-③Modbus的寄存器与功能码

Modbus寄存器概念Modbus寄存器源于PLC概念，现泛指内存区域，用于存储协议数据，按数据类型和读写特性分四类。Modbus寄存器地址PLC地址为Modbus变种，用十进制五位描述，首位标识类型，转换为十六进制寻址地址，如40001对应0x0000，避免通信冲突需不同命令访问。

Modbus功能码分类分为公共、用户自定义和保留功能码，公共功能码确保唯一性和一致性测试。

Modbus操作类型功能码包括位操作和字操作，位操作最小单位为一位，字操作最小单位为两个字节。二、知识准备-④称重传感器设置

1.智能显示控制仪面板说明XMT-808-Q智能显示控制仪面板含测量值（PV）、设定值（SV）窗口，报警指示区及设置、移位/清零、增减按键。

2.按键操作说明设置SET键：测量状态按后输密码进参数设置，再按进下一项，完成后按返回；移位/清零O键：测量状态按实现清零，设置状态按实现闪烁位移位；增加▲键：设置状态按数字增加，长按快速增加；减少▼键：设置状态按数字减少，长按快速减少。

3.通信参数设置方法按下设置键，输入密码12，按表2-6设通信参数：RS（通信方式）、Addr（0-99）、baud.（波特率）、Prot（协议）。三、任务实施-①PLC串行通信模块组态

1.项目组态准备目的是匹配设备型号、订货号、固件版本及硬件参数，为编程做准备，步骤为新建项目、添加新设备，注意订货号和固件版本与设备一致。

2.通信板配置S7-1200CPU本体无RS-485接口需手动添加，添加后配置参数，MB_COMM_LOAD指令生效则以指令为准，还需查看硬件标识符供参数化指令用。三、任务实施-②PLC读取传感器数据

2.PLC程序编写添加MB_COMM_LOAD和MB_MASTER指令，组态端口使用ModbusRTU协议，参数化指令，新建DB块，触发MB_MASTER读取数据，测试读取结果。

3.通信指令使用通过MB_COMM_LOAD指令配置端口，MB_MASTER指令使PLC作为Modbus主站，访问从站设备数据，读取1号站点40001开始的2个寄存器值。

1.PLC与传感器