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第 6 章 S7-200 系列 PLC 通信及网络. 本章主要介绍 SIMATIC 指令集中的常用指令及其使用方法，并以梯形图和语句表两种编程语言为例，讲授指令的结构形式、功能和相关知识。. 第 6 章 S7-200 系列 PLC 的通信及网络. 6.1 通信及网络基本知识 6.2 通信实现 6.3 网络通信 6.4 自由口通信. 6.1 通信及网络基本知识.
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第6章 S7-200系列PLC 通信及网络 • 本章主要介绍SIMATIC指令集中的常用指令及其使用方法，并以梯形图和语句表两种编程语言为例，讲授指令的结构形式、功能和相关知识。
第6章 S7-200系列PLC的通信及网络 • 6.1 通信及网络基本知识 • 6.2 通信实现 • 6.3 网络通信 • 6.4 自由口通信
6.1 通信及网络基本知识 • 处于全球市场之中的工业生产为了适应市场竞争的需要，在追求竞争力的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统。计算机集成制造系统采用系统集成、信息集成的观点组织生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动控制、网络通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。 • 为了实现这个目标，必须要将企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理等各层次智能设备互联成综合自动化网络，实现各层次的住处汇通和数据共享，即实现工业企业的“管控一体化”。
6.1 通信及网络基本知识 • 为此，企业首先必须对各种企业资源建立完善的管理网络，使各方面资源充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥其能力；其次，必须形成市场、经营、生产和研发之间紧密的协作链。 • 工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次：即管理层、监控层和现场设备层。如图所示。
6.1 通信及网络基本知识 • 其中，最上层的企业管理层网络，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。管理层上各终端设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息的交换，数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因为要求网络必须具有较大的带宽。 • 管理层网络主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）组成。
6.1 通信及网络基本知识 • 中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，以前由专用网络如令牌网组成，召集这一层网络则主要由传输速率较高的网段（如10M、100MEthernet等）组成。 • 而最底层的现场设备层网络，与变送器、执行机构等现场设备相连，采集现场数据，并将控制数据送入设备。它与以传递信息为主要目标的邮电通信技术以及其它信息网络技术相比，具有一些特殊性。由于工业自动控制网络通信的最终目的是通过传递测量和控制数据及相关信息，产生或引发物质或能量的运动和转换。
6.1 通信及网络基本知识 • 工业网络通信技术具有以下特殊性： • ① 数据传输的及时性和系统响应的实时性：通常，制造自动化系统的响应时间要求在0.01～0.5s，过程控制系统的响应时间为0.5～2s。而信息网络的响应时间则是2～6s。显然，工业通信网络的实时性要求高得多。 • ② 高可靠性：工业通信网络强调在工业环境下数据传送的完整性，对于工作在环境恶劣的工业生产现场的通信网络，必须解决环境适应性问题它包括电磁环境适应性或电磁兼容性EMC、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，它应具有本质安全的性能。
6.1 通信及网络基本知识 • 工业网络通信技术具有以下特殊性： • ③ 工业通信网络需要解决不同厂商的产品和系统在网络上相互兼容的问题，强调互可操作性，因此它在现代通信系统所基于的ISO/OSI“开放系统互连的参考模型”上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来解决这种完整的开放性通信。 • ④ 总线供电。工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。 OSI是Open System Interconnect的缩写。
6.1 通信及网络基本知识 • 工业网络通信技术具有以下特殊性： • ⑤ 广播、多播与单播通信方式：工业通信网络把公散的单一用户（变送器、执行器等）接入某个系统，其通信方式常使用广播方式、多组方式或基于客户/服务器的单播方式。在IT网络中一个自主系统与另一个自主系统只在需要通信时建立一对一的方式。 • ⑥ 现场控制层设备间传输的信息长度都比较小。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比较小，对网络传输的吞吐量要求不高。 • 正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络（如FF、Profibus、DeviceNet等）组成。
6.1 通信及网络基本知识 • 6.1.1 通信方式 • 1. 并行通信 • 并行通信方式一般发生在可编程序控制器的内部各元件之间、主机与扩展模块或近距离智能模板的处理器之间。 • 并行传送时，一个数据的所有位同时传送，因此，每个数据位都需要一条单独的传输线，信息有多少二进制位组成就需要多少条传输线，如下图所示。 • 它以计算机的字长为传输单位常见位数为8、16或32位。
6.1 通信及网络基本知识 • 2. 串行通信 • 串行通信多用于可编程序控制器与计算机之间，多台可编程序控制器之间的数据传送。传送时，数据的各个不同位分时使用同一条传输线，从低位开始一位接一位按顺序传送，数据有多少位就需要传送多少次，如下图所示。
6.1 通信及网络基本知识 • (1)串行通信线路的工作方式 • 串行通信按信息在设备间的传送方向又为分单工、半双工和全双工三种方式。分别如下图中的（a）、（b）和（c）所示。
6.1 通信及网络基本知识 • (2)串行通信数据的收发方式 • 串行通信按时钟可分为同步传送和异步传送两种方式。 • 同步传送：传送数据时不需要增加冗余的标志位，有利于提高传送速度，但要求有统一的时钟信号来实现发送端和接收端之间的严格同步，而且对同步时钟信号的相位一致性要求非常严格。 • 异步传送：允许传输线上的各个部件有各自的时钟，在各部件之间进行通信时没有统一的时间标准，相邻两个字符传送数据之间的停顿时间长短是不一样的，它是靠发送信息时同时发出字符的开始和结束标志信号来实现的，如图所示。
6.1 通信及网络基本知识 • （3）异步串行通信 • 异步串行通信的数据格式： • 由一组不定“位数”数组组成，包括标志位又称起始位、字符数据位、奇偶校验位、停止位。
6.1 通信及网络基本知识 • 3. 串行通信接口标准 • 波特率：衡量数据传送速度的指标。波特率（又称鲍率）：是指从一设备发到另一设备的波特率，即每秒钟多少比特bits per second (bit/s)。典型的波特率是300, 1200, 2400, 9600, 115200, 19200等bit/s。一般通信两端设备都要设为相同的波特率，但有些设备也可以设置为自动检测波特率。 • 串行通信技术标准是EIA－232、EIA-422和EIA－485，也就是以前所称的RS-232、RS-422和RS-485。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在工业通信领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
6.1 通信及网络基本知识 • 3. 串行通信接口标准 • EIA-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。EIA-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。EIA-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。标准规定，EIA－232的传送距离要求可达50英尺（约15米），最高速率为20kbps。 • EIA-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（约1219米），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。一般在100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps。 • EIA-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。
6.1 通信及网络基本知识 • 6.1.2 现场总线技术 • 1.现场总线概念 • 现场总线（Field Bus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。 • 现场总线（Field Bus）主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
6.1 通信及网络基本知识 • 6.1.2 现场总线技术 • 这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求；具有多分支结构，智能化测量，不同设备之间实现信息共享，各单元设备均属于总线上的一个节点；还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。 • 由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。
6.1 通信及网络基本知识 • 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS-现场总线控制系统。一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统一方面突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
6.1 通信及网络基本知识 • 2. PROFIBUS简介 • 现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O和网络设备构成。现场控制涉及PROFIBUS协议PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA两个部分。 • PROFIBUS-DP是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-DP可以连接远程I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备，一条PROFIBUS-DP总线可以最多连接123个从站设备。PROFIBUS-DP的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2公里，最多可以采用9个中继器，最远通讯距离可达9公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3公里。
6.1 通信及网络基本知识 • PROFIBUS-PA 是低速现场级网络，通讯速率为31.25kb/s，支持点对点连接、总线型、混合型、树型拓扑结构。PROFIBUS-PA主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。可以采用屏蔽双绞线电缆，也可采用非屏蔽双绞线电缆，可通过总线供电。 • PROFIBUS现场总线系统的优点 • ① 开放性 PROFIBUS是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过250家公司可以生产超过2000种支持PROFIBUS的系统和设备。PROFIBUS的开放性保证了不同制造厂商的产品的互连，例如西门子公司的DCS或PLC 可以通过PROFIBUS连接第三方的远程I/O、智能设备和仪表，这些连接只需要产品制造商提供相应的GSD文件或EDD文件，然后进行简单组态即可实现。
6.1 通信及网络基本知识 • 目前国际知名的自动化系统制造商如： • SIEMENS、ABB、EMERSON等和知名的仪表制造商如：SIEMENS、EMERSON等都可以提供丰富的支持PROFIBUS的产品。在电力行业知名的DCS制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON、FOXBORO等都支持PROFIBUS现场总线，知名的PLC品牌如：SIEMENS、MODICON、AB也都可以支持PROFIBUS总线。 • ② 可靠性 • PROFIBUS现场总线已安装运行节点数超过1000万个，大大高于其它现场总线系统。 • PROFIBUS是IEC61158 的重要组成部分，并于2001年成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001。
6.1 通信及网络基本知识 • PROFIBUS的可靠性表现在以下几个方面： • PROFIBUS总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。 • 采用PROFIBUS总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。 • PROFIBUS连接智能设备，减少了A/D转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障。 • PROFIBUS上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和 PROFIBUS接头，减少接线风险；同时PROFIBUS接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯。 • 支持冗余总线系统，提高系统可靠性。
6.1 通信及网络基本知识 • ③ 灵活扩展 • 采用PROFIBUS总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活，主要表现在以下几个方面： • a 拓扑结构灵活，可以支持总线型、星型、树型、冗余环型等多种拓扑结构。 • b 支持光纤和双绞线作为通讯介质，采用多模光纤时，两个光电模块间的距离可达3KM，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达26KM ；采用双绞线不加中继的最远通讯距离可达1KM，采用中继时最远可达9KM。 • c 一条PROFIBUS-DP总线最多可以连接123个DP从站，所有满足PROFIBUS-DP通讯规约的设备都可以连接到系统中。
6.1 通信及网络基本知识 • d 目前全球有超过1200家公司可以生产超过2000种支持PROFIBUS的产品，因此具有很强的开放性和可扩展性。 • e 提供多种接口设备，用于将冗余DP总线转换成单DP总线和将冗余DP总线转换成PA总线，可以将DP总线转换成As-i总线等，非常便于扩展。 • f PROFIBUS同时可以支持PROFI-safe协议，一条总线上既可以传输标准数字信号，也可以同时传输故障安全的信号。 • g 提供可用于危险领域的接口模块，可以支持在危险区域的应用。 • 实时性采用PROFIBUS总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP 总线的传输速率可达12M，是目前通讯速率最高的现场总线。
6.2 通信实现 • 6.2.1 网络概述 • 网络结构 • （1）简单网络 • 多台设备通过传输线相连，可以实现多备间的通信，形成网络结构。下图就是一种最简单的网络结构，它由单主设备和多个从设备构成。
6.2 通信实现 • 6.2.1 网络概述 • （2）多级网络 • 现代大型工业企业中，一般采用多级网络的形式，可编程序控制器制造商经常用生产金字塔结构来描述其产品可实现的功能。 • 这种金字塔结构的特点是：上层负责生产管理，底层负责现场检测与控制，中间层负责生产过程的监控与优化。国际标准化组织（ISO）对企业自动化系统确立了初步的模型，如下图所示。
6.2 通信实现 • 6.2.2 通信协议 • （1）通用协议 • 国际标准化组织ISO（International Standard Organization）于1978年提出了开放系统互联OSI（Open Systems Interconnection）的模型，它所用的通信协议一般为7层，如下图所示。
6.2 通信实现 • 6.2.2 通信协议 • （2）公司专用协议 • 低层子网和中层子网一般采用公司专用协议，尤其是最底层子网，由于传送的是过程数据及控制命令，这种信息较短，但实时性要求高。公司专用协议的层次一般只有物理层、链路层及应用层，而省略了通用协议所必须的其他层，信息传送速率快。 • 西门子公司的生产金字塔由4级组成，由下到上依次是：过程测量与控制级、过程监控级、工厂与过程管理级、公司管理级。S7系列的网络结构如下图所示。
6.2 通信实现 • 6.2.3 S7-200通信类型及协议 • （1）通用协议 • （2）公司专用协议 • PPI协议 • MPI协议 • PROFIBUS协议 • 自由口协议 • （3）通信类型
6.2 通信实现 • 可编程序控制器常见的有以下类型： • 把计算机或编程器作为主站、把操作员界面作为主站和把PLC作为主站等类型，这几种类型又各有两种连接：单主站和多主站。 • 见下图.
6.2 通信实现 • 1.PPI协议 • PPI通信协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的一个通信协议。主要应用于对S7-200的编程，S7-200之间的通信以及S7-200与HMI产品的通信。可以通过PC/PPI电缆或两芯屏蔽双绞线进行联网。支持的波特率为9.6KB/s、19.2KB/s和187.5KB/s。 • PPI是一个主/从协议。在这个协议中，主站（其他CPU、编程器或TD200文本显示器）向从站发送申请，从站进行响应。一般情况下，S7-200作为从站，自己不发送数据，也不初始化信息，当主站发出申请或者查询时，从站才响应。
6.2 通信实现 • 2.MPI协议 • S7-200可以通过通信接口连接到MPI网上，如图所示，主要应用于S7-300/400CPU与S7-200通信的网络中。应用MPI协议组成的网络，通信支持的波倍率为19.2KB/s或187.5KB/s。通过此协议，实现作为主站的S7-300/400 CPU与S7-200的通信，在MPI网络中，S7-200作为从站，从站之间不能通信，S7-300/400作为主站，当然主站也可以是编程器或HM1产品。
6.2 通信实现 • 2.MPI协议 • MPI可以是主/主协议，也可以是主/从协议，这取决于设备的类型。如果设备是S7-300 CPU，MPI就建立主/主协议，因为所有的S7-300 CPU都可以是网络的主站，但如果设备是S7-200 CPU，MPI 就建立主/从协议，因为S7-200 CPU 是从站。
6.2 通信实现 • 右图单主站结构网络 • 右图多主站结构网络
6.2 通信实现 • 3.Profibus协议 • 在S7系列的CPU中，CPU222、CPU224、CPU226都可以通过增加EM277 Profibus-DP扩展模块的方法增加DP网络协议。 • Profibus协议用于分布式I/O设备（远程I/O）的高速通信。许多厂家在生产类型众多的Profibus设备。这些设备包括从简单的输入或输出模块到复杂的电机控制器和PLC。 • 协议支持的波特率为9600B/s到12MB/s。
6.2 通信实现 • 4.用户自定义协议（自由口通信模式） • 自由通信口(Freeport Mode)模式是S7-200PLC一个很有特色的功能。S7-200PLC的自由口通信，即用户可以通过用户程序对通信口进行操作，自己定义通信协议（例如ASCII协议）。应用此种通信方式，使S7-200PLC可以与任何通信协议、具有串口的智能设备和控制器（例如打印机、条形码阅读器、调制解调器、变频器、上位PC机等）进行通信，当然也可以用于两个CPU之间简单的数据交换。该通信方式可以使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加灵活、方便。当连接的智能设备具有RS-485接口时，可以通过双绞线进行连接；如果连接的智能设备具有RS-232接口时，可以通过PC/PPI电缆连接起来进行自由口通信。此时通信支持的波倍率为1.2~115.2KB/s。
6.2 通信实现 • 6.2.4 通信设备 • （1）通信口 • S7-200CPU主机上的通信口是符合欧洲标准EN50170中PROFIBUS标准的RS-485兼容9针D型接口。接口引脚如图所示，端口0或端口1的引脚与PROFIBUS的名称对应关系如表所示。
6.2 通信实现 （2）
6.2 通信实现 • （2）网络连接器 • 网络连接器可以用来把多个设备很容易地连接到网络中。网络连接器有两种类型：一种是仅提供连接到主机的接口，另一种增加了一个编程接口。带有编程口的连接器可以把编程器或操作员面板直接增加到网络中，编程口传递主机信号的同时，为这些设备提供电源，而不用另加电源。 • （3）通信电缆 • 网络电缆—PC/PPI电缆，下表为各开关与参数关系对应表。
6.2 通信实现 • （4）网络中继器 • 网络中继器在Profibus可以用来延长网络的距离、允许给网络加入设备、隔离不同网络段，每个中继器为网络段提供偏置和终端匹配。 • 每个网络中最多可以有9个中继器，每个中继器最多可再增加32个设备。
6.2 通信实现 • （5）调制解调器 • 用调制解调器可以实现计算机或编程器与PLC主机之间的远距离通信。以11位调制解调器为例，通信连接如下图所示。
6.2 通信实现 • 6.2.5 确立通信方案 • 包括根据实际通信需要选择单主站或多主站，同时确定各站的编号；选择实现通信的硬件，如选择用PC/PPI电缆，还是用CP卡、MPI卡、EM 277通信模块或调制解调器等。 • 这几种通信硬件的性能如表所示。
6.2 通信实现 • 1. 参数组态 • 通信设置 • 如图所示通信设置状态
6.2 通信实现 • 如图通信设置
6.2 通信实现 • 2.安装或删除通信接口 • （1）安装接口 • （2）删除接口
6.2 通信实现 • 在通信设置图所示的对话框，单击Properties按钮，将弹出参数设置对话框，如右图所示。其中有两个选项卡：MPI选项卡和Local Connection选项卡。
