工业互联网网络技术项目3 工业以太网规划与应用

任务3.1

利用PROFINET实现S7-1200与S7-1500通信一、任务说明任务目标任务实施流程网络架构：利用PROFINET工业以太网协议，构建主从通信网络。硬件配置：主站采用西门子S7-1500PLC，从站采用S7-1200PLC。数据交互：实现两台PLC之间的数据双向传输，各收发4个字节的数据。二、知识准备-①工业以太网的概念工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术，并采用TCP/IP，和IEEE802.3标准兼容，在应用层加入各自特有协议的通信技术，通常需要更稳定可靠的连接器、电缆以及更高的确定性,满足工业环境的要求。兼容性高基于通用标准，实现企业管理网与控制网的深度融合管理和诊断便捷强大的管理和诊断功能工业以太网支持高速、实时数据传输和通信数据实时性强结构灵活可扩展支持多种网络拓扑结构和设备连接方式多种安全机制和协议；可靠的通信协议和冗余机制安全可靠性高二、知识准备-②工业以太网的特点二、知识准备-③工业以太网协议结构应用层传输层数据段Segment网络层报文/数据包Packet网络接口层ISO/OSITCP/IP应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层链路层数据帧Frame物理层比特BitModbusTCP、EtherNet/IP、PROFINET、TCP/IP、EtherCAT、CC-LinkIE等：与不同厂商不同设备连接TCP或UDP：端到端数据传输IP：不同网段数据路由和寻址，网络互联和通信IEEE802.3标准：数据封装和数据链接，使用数据帧传输双绞线/光纤：传输比特流二、知识准备-④主流的工业以太网通信协议主流工业以太网EtherCAT德国倍福公司高实时性能（数据格式与以太网相同，无需解码）Ethernet/IP罗克韦尔自动化公司开放的工业协议，可与多种工业设备和系统互联PROFINET西门子电气高实时性能、与Profibus现场总线无缝对接、高安全机制ModbusTCP施耐德电气公司将Modbus协议转换为TCP/IP，有标准化TCP接口PROFINET通信两台设备网线直连（PROFINET接口）西门子设备之间S7通信指令：PUT/GET二、知识准备-⑤西门子S7-1200/1500系列PROFINET通信多台设备以太网交换机非西门子设备之间OUC（开放式用户）通信指令：TSEND_C/TRCV_C二、知识准备-⑤西门子S7-1200/1500系列PROFINET通信PUT指令GET指令S7指令只用在客户端必须在PLC属性中允许PUT/GET访问权限二、知识准备-⑤西门子S7-1200/1500系列PROFINET通信PUT指令（互联组态后）远程数据本地数据GET指令（互联组态后）远程数据本地数据将SD的数据（本地客户端）放到ADDR（远程服务端）中将ADDR（远程服务端）的数据取来，存到RD（本地客户端）中三、任务实施硬件设备连接设备组态通信程序的编写程序编译调试与下载三、任务实施-①硬件连接三、任务实施-②设备组态2.设备组态：S7-1200（从站）创建项目与添加设备：在博途软件中创建新项目，添加S7-1200设备。设置网络参数：在设备视图中，修改PLC的名称和IP地址，确保所有设备在同一网段。配置通信权限（关键）：在PLC的属性中，找到“连接机制”，勾选“允许来自远程对象PUT/GET通信访问”。启用“系统存储器”和“时钟存储器”2.设备组态：S7-1500（主站）创建项目与添加设备：在博途软件中创建新项目，添加S7-1500设备（按实际CPU、电源、DI、DQ、AI、AQ添加）。三、任务实施-②设备组态2.设备组态：S7-1500（主站）创建项目与添加设备：在博途软件中创建新项目，添加S7-1500设备（按实际CPU、电源、DI、DQ、AI、AQ添加）。设置网络参数：在设备视图中，修改PLC的名称和IP地址，所有设备在同一网段。配置通信权限（关键）：在PLC的属性中，找到“连接机制”，勾选“允许来自远程对象PUT/GET通信访问”。启用“系统存储器”和“时钟存储器”三、任务实施-②设备组态2.设备组态网络视图中，用鼠标拖动PLC1200的网口到PLC1500的以太网网口上，连接两台PLC三、任务实施-②设备组态三、任务实施-③程序编写3.程序编写①1200和1500PLC中各自新建发送和接收数据块及变量3.程序编写①1200和1500PLC中各自新建发送和接收数据块及变量四个数据块都“取消优化的块访问”三、任务实施-③程序编写3.程序编写②客户端编写通信程序（S7指令）主站采用西门子S7-1500PLC，从站（客户端）采用S7-1200PLC。S7-1200PLC主程序：三、任务实施-③程序编写3.程序编写②客户端编写通信程序（S7指令）主站采用西门子S7-1500PLC，从站（客户端）采用S7-1200PLC。S7-1200PLC主程序：三、任务实施-③程序编写3.程序编写②客户端编写通信程序（S7指令）主站采用西门子S7-1500PLC，从站（客户端）采用S7-1200PLC。S7-1200PLC主程序：三、任务实施-③程序编写3.程序编写②客户端编写通信程序（S7指令）主站采用西门子S7-1500PLC，从站（客户端）采用S7-1200PLC。S7-1200PLC主程序：三、任务实施-③程序编写三、任务实施-④程序编译下载与调试4.程序编译下载与调试①1200和1500分别建立监控表4.程序编译下载与调试②编译、分别启用1200和1500仿真（因为是用数据验证通信是否成功，所以用仿真）三、任务实施-④程序编译下载与调试4.程序编译下载与调试③监控表观察数据是否通信成功三、任务实施-④程序编译下载与调试感谢聆听任务3.2S7-1200与V90伺服驱动器的PROFINET通信一、任务说明任务目标任务实施流程系统架构：利用PROFINET工业以太网，以西门子S7-1200PLC作为控制器，SINAMICSV90PN作为伺服驱动器，构建高精度运动控制系统。控制功能：通过启动、复位、停止、急停等按钮信号，实现对伺服电机的精确线性定位运行控制，确保运动过程的稳定性与准确性数据交互：实现两台PLC之间的数据双向传输，各收发4个字节的数据。二、知识准备-①伺服系统的概念伺服系统是指既能传递动力、改变转速和转矩，又能控制位置的控制系统。交流伺服系统主要用于需要频繁启停、高精度位置或高速控制的场合。伺服系统一般由控制器（PLC）、伺服驱动器、伺服电动机、编码器和比较环节（在伺服驱动器内部）等五部分组成，二、知识准备-②伺服驱动器的工作原理伺服驱动器内部设计有转矩（电流）、速度、位置三个闭环，其中电流环为内环，位置环和速度环为外环。电流检测器件安装在驱动器的电枢输出线上，速度、位置检测通过电动机内置的编码器实现，最终都转化为电流环，比较实际电流与设定电流之间的差别从而控制伺服电动机二、知识准备-③西门子V90伺服驱动器和电机西门子高性价比伺服方案，支持PROFINET接口与PROFIdrive协议，可直接与S7-1200等控制器通信，是实现中小型运动控制应用的理想选择。1.V90伺服驱动器分为200V和400V两个系列6.需要用报文2.与V90伺服驱动器配套的伺服电机型号为SIMOTICSS-1FL6，有低惯量（200V）和高惯量（400V）两种3.伺服驱动器和伺服电机之间的运动数据传输可以采用电位控制或通信控制两种方式4.V90伺服驱动器有PTI和PROFINET（PN）两个版本5.V90PN伺服驱动器有分布式控制（EPOS）和集中控制（TO）两种运动控制模式二、知识准备-③西门子V90伺服驱动器和电机二、知识准备-③西门子V90伺服驱动器和电机V90控制模式对比EPOS分布式控制控制逻辑在V90驱动器内部，通过调用FB284功能块控制。配置简单，但功能相对有限，适合简单点位控制。TO工艺对象控制(推荐)控制逻辑在S7-1200PLC内部，通过创建“工艺对象”和标准化的PLC_Open指令控制。功能强大、灵活，支持复杂运动控制。二、知识准备-④运动控制常用编程指令常用术语1.线性轴：在一定长度范围内做直线运动。2.旋转轴：可以无限旋转的运动，在使用时需要设定当前位置和旋转目标位置的模态值，可以实现沿特定方向移动或沿最短路径移动等。3.原点回零：建立机械和运动轴之间的基础原点的对应关系。4.绝对定位：依据目标偏移原点的距离进行定位。必须先原点回零。5.相对定位：依据目标偏移当前位置的距离进行定位。7.点动（JOG）：给定点动速度或距离，手动操作伺服电机动作6.软件限位/硬件限位：用来限定轴的运行范围。软件限位（程序），硬件限位（磁性开关、传感器等）二、知识准备-④运动控制常用编程指令常用指令必用指令二、知识准备-④运动控制常用编程指令常用指令根据运动形式选用指令三、任务实施硬件设备连接设备组态轴工艺控制编程轴工艺组态程序编译调试与下载三、任务实施-①硬件连接三、任务实施-②设备组态1.创建项目与添加设备：在博途软件中创建新项目，添加S7-1200设备。2.根据实物型号，添加V90伺服驱动器三、任务实施-②设备组态1.创建项目与添加设备：在博途软件中创建新项目，添加S7-1200设备。2.根据实物型号，添加V90伺服驱动器3.修改电脑、PLC、V90的IP地址在同一子网。1.创建项目与添加设备：在博途软件中创建新项目，添加S7-1200设备。2.根据实物型号，添加V90伺服驱动器3.修改电脑、PLC、V90的IP地址在同一子网。4.启动系统和时钟存储器，启用连接机制。5.V90添加标准报文3报文。6.连接PLC与V90。三、任务实施-②设备组态1.创建项目与添加设备：在博途软件中创建新项目，添加S7-1200设备。2.根据实物型号，添加V90伺服驱动器3.修改电脑、PLC的IP地址在同一子网。4.启动系统和时钟存储器，启用连接机制。5.V90添加标准报文3报文。6.连接PLC与V90。7.修改V90硬件的IP和名称。三、任务实施-②设备组态1.新增对象并命名三、任务实施-③轴工艺组态2.修改工艺对象参数1.新增对象并命名1.基本参数→常规2.基本参数→驱动器三、任务实施-③轴工艺组态3.基本参数→编码器4.扩展参数→机械4.扩展参数→机械三、任务实施-③轴工艺组态2.修改工艺对象参数1.新增对象并命名新增输入变量5.扩展参数→位置限制三、任务实施-③轴工艺组态2.修改工艺对象参数1.新增对象并命名6.扩展参数→动态→常规7.扩展参数→动态→急停三、任务实施-③轴工艺组态2.修改工艺对象参数1.新增对象并命名8.扩展参数→回原点→主动三、任务实施-③轴工艺组态2.修改工艺对象参数1.新增对象并命名三、任务实施-④轴工艺程序编写1.添加函数块并设置三、任务实施-④轴工艺程序编写1.添加函数块并设置2.函数块中编写运动控制程序1.函数块→工艺→MotionControl2.添加配置MC_Power三、任务实施-④轴工艺程序编写1.添加函数块并设置2.函数块中编写运动控制程序3.添加配置MC_Reset4.添加配置MC_Home三、任务实施-④轴工艺程序编写1.添加函数块并设置2.函数块中编写运动控制程序5.添加配置MC_Halt三、任务实施-④轴工艺程序编写1.添加函数块并设置2.函数块中编写运动控制程序6.添加配置运动形式指令三、任务实施-④轴工艺程序编写1.添加函数块并设置2.函数块中编写运动控制程序3.主程序中调用函数块，添加外部变量控制程序三、任务实施-④轴工艺程序编写1.添加函数块并设置2.函数块中编写运动控制程序3.主程序中调用函数块，添加外部变量控制程序三、任务实施-⑤程序编译下载调试1.修改目标位置和移动速度值三、任务实施-⑤程序编译下载调试1.修改目标位置和移动速度值2.编译下载调试三、任务实施-⑤程序编译下载调试1.修改目标位置和移动速度值2.编译下载调试感谢聆听任务3.3通过ModbusTCP实现PLC与RFID模块通信一、任务说明任务目标任务实施流程通信协议：使用ModbusTCP工业以太网协议进行数据交互。硬件配置：以S7-1200PLC作为客户端（主站），DLRF-7075ARFID模块作为服务端（从站）。核心任务：建立稳定的通信连接，并实现对RFID标签数据的读取和写入操作。二、知识准备-①ModbusTCPModbusTCP是由施耐德电气于1996年推出的基于以太网和TCP/IP的工业通信标准，采用客户端(Client)/服务端(Server)一问一答的通信模式。Modbus有TCP/IP和串行通讯两种。ModbusTCP基于以太网和TCP/IP，ModbusRTU和ModbusASCII则是使用异步串行传输（通常是RS-232/422/485。对于ModbusTCP而言，主站通常称为Server，从站称为Client；而对于ModbusRTU和ModbusASCII来说，主站是Master，从站是Slave。①②③整体结构MBAP报文头帧结构二、知识准备-②ModbusTCP数据帧结构1.ModbusTCP整体结构：是在ModbusRTU协议上加入MBAP报文头；2.ModbusTCP协议由7字节MBAP报文头+功能码、数据段组成，默认使用502端口通信.二、知识准备-②ModbusTCP数据帧结构3.MBAP报文头包含事务处理标识、协议标识、长度、单元标识符共7个字节信息.4.帧结构是由功能码+数据段组成。功能码03(0x03)：读保持寄存器（最常用的读取操作）功能码16(0x10)：写多个寄存器（最常用的写入操作）二、知识准备-③ModbusTCP报文示例二、知识准备-④ModbusTCP通信指令1200PLC作为ModbusTCP客户端时，调用该指令主动发起对服务端的读写请求1200PLC（服务端）调用该指令，处理客户端的连接请求、接收等。三、任务实施RFID配置PLC通信三、任务实施-①RFID配置基本信息：ModbusTCP的通信协议中，分为客户端（主站）与服务端（从站），在本任务中，RFID模块为服务端，使用ModbusTCP与RFID模块间的数据交互。RFID读卡器的IP地址为9。三、任务实施-①RFID配置1.硬件连接：使用一根网线将计算机的网口与RFID模块的网口直接连接。2.修改计算机IP（0）：与RFID（9）同一网段3.配置RFID：IP地址和端口号→连接12Connect/disconnect三、任务实施-①RFID配置1.硬件连接：使用一根网线将计算机的网口与RFID模块的网口直接连接。2.修改计算机IP（0）：与RFID（9）在同一网段状态页：显示有RFID卡3.配置RFID：IP地址和端口号→连接读写的数据信息RFID卡配置信息1.1200PLC中调用指令：添加并复制“MB_CLIENT”指令块（1个为读、1个为写，同一个RFID，所以是复制，用相同的DB背景块）。三、任务实施-②PLC通信1.1200PLC中调用指令：添加并复制“MB_CLIENT”指令块（1个为读、1个为写，同一个RFID，所以是复制，用相同的DB背景块）。三、任务实施-②PLC通信2.新建数据块，添加数据变量1.1200PLC中调用指令：添加并复制“MB_CLIENT”指令块（1个为读、1个为写，同一个RFID，所以是复制，用相同的DB背景块）。三、任务实施-②PLC通信2.新建数据块，添加数据变量3.指令块配置：MB_MODE：0读1写MB_DATA_ADDR:读453249、写4573451.1200PLC中调用指令：添加并复制“MB_CLIENT”指令块（1个为读、1个为写，同一个RFID，所以是复制，用相同的DB背景块）。三、任务实施-②PLC通信2.新建数据块，添加数据变量3.指令块配置：MB_MODE：0读1写MB_DATA_ADDR:读453249、写4573454.修改RFID设备ID号为1：修改DB1.1200PLC中调用指令：添加并复制“MB_CLIENT”指令块（1个为读、1个为写，同一个RFID，所以是复制，用相同的DB背景块）。三、任务实施-②PLC通信2.新建数据块，添加数据变量3.指令块配置：MB_MODE：0读1写MB_DATA_ADDR:读453249、写4573454.修改RFID设备ID号为1：修改DB5.读写RFID卡信息：下载程序→修改写数据→发送写入请求；发送读取请求→读取信息感谢聆听任务3.4通过开放式用户通信连接扫码器一、任务说明任务目标任务实施流程本任务将利用开放式用户通信（OUC）中的TCP协议，构建一个高效的数据采集系统。服务端(Server)：西门子S7-1200PLC，负责被动监听并接收数据。客户端(Client)：ScanHome扫码器，负责主动发起连接并发送条码信息。核心目标：建立稳定的通信链路，实现条码数据的实时读取与解析。二、知识准备-①开放式用户通信OUC核心概述Socket通信机制PLC与第三方设备（扫码器/计算机）交互的标准方式，S7-1200支持三种协议。核心价值提供灵活、可编程的工业通信能力，打破设备间的通信壁垒。三种协议对比TCP协议

面向连接，传输可靠，需先建立连接ISO-on-TCP

面向消息流，西门子私有，仅适用于PLC间通信。UDP协议

无连接，速度快，适用于广播或小数据量传输。本任务实施方案协议选型：TCP选择最通用、最可靠的TCP协议作为通信基础。应用场景实现PLC与扫码器之间的稳定数据交互，确保每一条扫描数据都能被准确接收，避免丢包。二、知识准备-②开放式用户通信指令TSEND_C：主动发送TRCV_C：主动接收二、知识准备-②开放式用户通信指令TSEND_C指令（互联组态后）TRCV_C指令（互联组态后）DATA：本地数据（I、Q、DB块或M）P#：指针型REQ：时钟存储器1CONT：1CONNECT：组态建立一发一收对应关系三、任务实施扫码器配置PLC通信三、任务实施-①扫码器配置基本信息：本任务使用ScanHome扫码器，设置的IP地址为00三、任务实施-①扫码器配置1.硬件连接：使用一根网线将计算机的网口与扫码器直接连接。2.修改计算机IP（0）与扫码器（00）同一网段3.配置扫码器：自动连接→设备编辑→系统配置→连接配置→确认12三、任务实施-①扫码器配置1.硬件连接：使用一根网线将计算机的网口与扫码器直接连接。2.修改计算机IP（0）与扫码器（00）同一网段3.配置扫码器：自动连接→设备编辑→系统配置→连接配置→确认三、任务实施-①扫码器配置1.硬件连接：使用一根网线将计算机的网口与扫码器直接连接。2.修改计算机IP（0）与扫码器（00）同一网段3.配置扫码器：自动连接→设备编辑→系统配置→连接配置→确认→重新启动34561.1200PLC中调用指令：添加“TRCV_C”指令块。三、任务实施-②PLC通信1.1200PLC中调用指令：添加“TRCV_C”指令块。三、任务实施-②PLC通信2.新建数据块，添加参数1.1200PLC中调用指令：添加“TRCV_C”指令块。三、任务实施-②PLC通信2.新建数据块，添加参数3.指令块参数配置1.1200PLC中调用指令：添加“TRCV_C”指令块。三、任务实施-②PLC通信2.新建数据块，添加参数3.指令块参数配置4.扫码器数据解析转换感谢聆听任务3.5应用协议网关实现ModbusRTU到PROFINET协议的转换一、任务说明任务目标任务实施流程核心设备：使用SG-PN_MOD-221协议转换网关作为“翻译官”。协议互联：实现ModbusRTU（串口）设备与PROFINET（以太网）网络的无缝对接。具体任务：采集温湿度传感器数据，并通过PROFINET网络将数据传输至PLC中进行处理。二、知识准备-①协议转换网关电源接口(PowerInterface)支持12-24VDC宽电压供电，5.08压线端子排/DC2.1插头两种电源接线形式，确保工业现场供电稳定。PN接口(PROFINETInterface)配备两个百兆RJ45网口，用于连接PROFINET网络，实现高速数据交换。串行接口(SerialInterface)支持RS-232/485协议，用于连接ModbusRTU从站设备（如传感器、仪表等）。SG-PN_MOD-221网关整机三、任务实施温湿度传感器配置PLC通信硬件接线三、任务实施-①温湿度传感器配置1.RH系列温湿度传感器，按照说明书设置参数2.波特率：9600；Modbus站号112三、任务实施-②硬件接线RS-485连接：传感器(A,B)↔网关(A2,B2)网络连接：网关PN接口↔PLCPROFINET接口(直连)1.将协议转换网关的GSD文件导入博途软件并安装三、任务实施-③PLC通信1.将协议转换网关的GSD文件导入博途软件并安装三、任务实施-③PLC通信2.协议转换网关组态：配置协议参数，实现网关与PLC、网关与传感器通信第1步：协议转换网关与PLC硬件组态1.将协议转换网关的GSD文件导入博途软件并安装三、任务实施-③PLC通信2.协议转换网关组态：配置协议参数，实现网关与PLC、网关与传感器通信第2步：修改协议转换网关IP1.将协议转换网关的GSD文件导入博途软件并安装三、任务实施-③PLC通信2.协议转换网关组态：配置协议参数，实现网关与PLC、网关与传感器通信读取两个寄存器地址数据第3步：配置协议转换网关参数1.将协议转换网关的GSD文件导入博途软件并安装三、任务实施-③PLC通信2.协议转换网关组态：配置协议参数，实现网关与PLC、网关与传感器通信第4步：通信数据解析转换传感器数据为实际值的10倍，需在程序中除以10以还原真实数值。感谢聆听任务3.6实现RS-485转Wi-Fi一、任务说明任务目标任务实施流程解决布线不便场景下的工业数据采集难题，通过无线技术实现从传统有线设备到工业网络无缝连接。信号转换：使用Elfin-EW11串口服务器将RS-485信号转为Wi-Fi信号。网络接入：通过TP-LINK工业级无线AP接收信号并接入以太网。数据读取：PLC最终通过ModbusTCP协议获取温振变送器数据。二、知识准备-①温振变送器1.作用采集温度和X、Y、Z三轴振动数据温振变送器二、知识准备-①温振变送器2.串行接口（RS485）根据说明书配置寄存器地址；根据说明书接电源线和通信线。二、知识准备-①温振变送器3.配置与计算机连接→选择正确的COM口→测试波特率→读取相关数据1.作用RS-485和Wi-Fi协议转换Elfin-EW11串口服务器二、知识准备-②Elfin-EW11串口服务器二、知识准备-②Elfin-EW11串口服务器2.接线RJ45端子将RS-485和串口服务器连接RJ45端子接电源和RS4851.作用提供稳定Wi-Fi覆盖，将信号接入有线以太网二、知识准备-③无线接入点TL-AP1900DG工业级无线AP2.特点输入：Wi-Fi信号输出：以太网LAN口三、任