基于通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用解決方案

1 引言

全集成自動(dòng)化是當(dāng)前新型的完成自動(dòng)化任務(wù)的方案，通過單一全集成自動(dòng)化系統(tǒng)能解決幾乎所有的自動(dòng)化任務(wù)，僅在一個(gè)平臺(tái)上即可提供全部功能。通訊網(wǎng)絡(luò)是全集成自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，在工業(yè)企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。SIEMENS S7工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)能滿足寬范圍的不同性能和應(yīng)用要求，能在工廠的不同部門，不同自動(dòng)化站以及通過不同的級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，國內(nèi)愈來愈多的行業(yè)如冶金、電力、輕紡、啤酒、煙草等行業(yè)均采用其產(chǎn)品。西門子工控產(chǎn)品在我國有著很高的市場(chǎng)占有率，它的通信及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品有著引導(dǎo)世界工控技術(shù)潮流的作用，研究西門子工控產(chǎn)品及通訊技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用問題有著廣泛普遍的重要意義。

以太網(wǎng)是當(dāng)前最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。首先，它有廣泛的技術(shù)支持，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，因此我們對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)很熟悉，可以降低系統(tǒng)開發(fā)、培訓(xùn)及其維護(hù)費(fèi)用；再者，以太網(wǎng)可以達(dá)到很高的通訊速率，所以利用以太網(wǎng)的這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合PLC控制器，就可以構(gòu)筑全分散、全開放的工業(yè)控制系統(tǒng)，當(dāng)前很多廠家提供把PLC和以太網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)品，如西門子公司的PLC產(chǎn)品系列。西門子提供的強(qiáng)大的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案就是針對(duì)大數(shù)據(jù)量交換以及實(shí)時(shí)性要求比較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一種高級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，IT技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)了以太網(wǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)，同時(shí)也為工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展提供了更為廣闊的空間。

2 工業(yè)以太網(wǎng)

2．1 工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。

2．2 阻礙以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的技術(shù)問題逐步得到解決

以太網(wǎng)是為信息網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，并沒有考慮適用于工業(yè)環(huán)境的要求，特別是采用CSMA/CD對(duì)共享媒體進(jìn)行訪問控制信息傳送時(shí)間存在不確定性，并且沒有優(yōu)先級(jí)，無法滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求。然而近年來以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步使得阻礙以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的難題逐步得到解決。具體表現(xiàn)在：

1）以太網(wǎng)的通訊速率一再提高，為以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于同樣的通信量通訊速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，時(shí)間確定性的提高。10Mbps的以太網(wǎng)傳送1518字節(jié)需要時(shí)間不大于1.2毫秒，而1000Mbps的以太網(wǎng)只要12微妙，在以太網(wǎng)上傳輸多媒體信息要求時(shí)延不大于20－30毫秒。隨著百兆網(wǎng)（100Mbps）和千兆網(wǎng)（1Gbps）的普遍使用，現(xiàn)在萬兆網(wǎng)（10Gbps）業(yè)已問世，萬兆網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ae已于2003年6月18日正式頒布。IEEE關(guān)于以太網(wǎng)實(shí)時(shí)能力的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1D/P以及關(guān)于交換式以太網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1Q早再1998年底就得到驗(yàn)證。

2）由于終端設(shè)備和交換機(jī)端口間可采用全雙工通信線路，以及交換機(jī)內(nèi)部多對(duì)端口之間的并行交換，因此全雙工交換式以太網(wǎng)徹底擺脫了CSMA/CD的限制，克服了因CSMA/CD導(dǎo)致的確定性和實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，消除了以太網(wǎng)用于工控領(lǐng)域的最大障礙。交換式以太網(wǎng)具有傳輸帶寬高，網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)方便，低交換延時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足一般實(shí)時(shí)控制的需要。同時(shí)交換式網(wǎng)絡(luò)可支持虛擬局域網(wǎng)，從而降低組網(wǎng)成本，并提高網(wǎng)絡(luò)靈活性。

3）以太網(wǎng)電纜由早期的粗同軸電纜、細(xì)同軸電纜發(fā)展到現(xiàn)在的雙絞線電纜、光纜，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和抗干擾能力。

3 SIMATIC NET工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

3．1 SIMATIC NET簡(jiǎn)介

SIEMENS公司1998年推出的SIMATIC NET是按照IEEE802.3、IEEE802.3u以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，支持10Mbps、100Mbps傳輸速率的一種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。SIMATIC NET能以最高100Mbps的傳輸速率實(shí)現(xiàn)PLC之間以及PLC和智能設(shè)備（PC、處理器）之間的數(shù)據(jù)通信。并通過TCP/IP協(xié)議，特別是SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議）用于E-Mail和HTTP（超文本傳輸協(xié)議）用于訪問Web瀏覽器，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成。SIMATIC NET是全集成自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，為完整的工業(yè)通信提供網(wǎng)絡(luò)和部件。它主要由工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS、AS-I、MPI多點(diǎn)接口和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口構(gòu)成。

SIMATIC NET提供三個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)通信，即IT通信、數(shù)據(jù)通信、過程或現(xiàn)場(chǎng)通信。IT通信通過工業(yè)以太網(wǎng)將SIMATIC集成到現(xiàn)場(chǎng)的辦公自動(dòng)化環(huán)境內(nèi)；數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備之間或自動(dòng)化設(shè)備和智能設(shè)備（PC、處理器）之間的數(shù)據(jù)交換；過程和現(xiàn)場(chǎng)通信用來將執(zhí)行器和傳感器連接到自動(dòng)化系統(tǒng)。SIMATIC NET提供同軸網(wǎng)絡(luò)、雙絞線網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)三種網(wǎng)絡(luò)，并為每種網(wǎng)絡(luò)形式提供了完備的網(wǎng)絡(luò)部件。

3．2 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)

SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)是用于大型集散控制系統(tǒng)的高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最高通信速率可達(dá)100Mbps，通訊距離為1.5Km（同軸電纜）或4.5Km（光纖）網(wǎng)絡(luò)可連接多于1000個(gè)節(jié)點(diǎn)。它是基于IEEE802.3的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)，采用CSMA介質(zhì)訪問控制協(xié)議。節(jié)點(diǎn)之間通過連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由主動(dòng)站建立連接，被動(dòng)站加以確認(rèn)。PG/PC和PLC之間可建立無窮多個(gè)連接，而每個(gè)PLC最多可建立16個(gè)PLC－PLC連接。每一個(gè)連接最多一次可發(fā)送240個(gè)字節(jié)；傳送的數(shù)據(jù)為：I/O地址，中間寄存器和DB數(shù)據(jù)塊?？砂次?、字節(jié)、字、雙字等方式讀寫。

工業(yè)以太網(wǎng)由獨(dú)立的網(wǎng)段組成，每個(gè)網(wǎng)段最多500m，最多可連接100個(gè)站點(diǎn)，網(wǎng)段之間用中繼器連接。兩站之間最多接兩個(gè)中繼器，構(gòu)成1000米得遠(yuǎn)程中繼站。每個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE通過耦合器連接到網(wǎng)上，DTE可以是工作站PC和編程器PG，S7、S5、M7等系列得PLC設(shè)備，以及其他支持ISO傳輸?shù)姆俏鏖T子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)通訊接口設(shè)備為自帶CPU的CP（通訊處理器）模塊，在它的固件中固化了ISO參考模型的1到7層協(xié)議。CP完成所有的通訊任務(wù)，可大大減輕DTE的CPU負(fù)擔(dān)。S7-300一般采用CP343-1板，S7-400一般采用CP443-1板。PC/PG上一般裝有網(wǎng)卡CP1613，也可以用CP1413、CP1511、CP1411。

3.3 S7通訊

S7通訊是SIMATIC S7 PLC之間得最佳化通訊協(xié)議，它也允許用戶通過S7協(xié)議連接PC和工作站。每個(gè)作業(yè)的用戶的最大用戶數(shù)據(jù)量可到64K（中等到大型的數(shù)據(jù)量）。可以被MPI、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)所支持，是西門子公司開發(fā)的基于應(yīng)用層的一個(gè)協(xié)議。S7通訊提供了簡(jiǎn)明、強(qiáng)有力的通訊服務(wù)和與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的用戶接口，用于工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS和MPI。需要安裝SIMATIC Net軟件，目前最新版本是V6.2。

4 數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)

S7通信協(xié)議不公開，管理計(jì)算機(jī)和調(diào)試計(jì)算機(jī)上第三方軟件編制的程序如何實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與西門子S7 300/400 PLC之間的信息通訊是個(gè)棘手的問題。為了允許PC機(jī)和工作站上的應(yīng)用程序與西門子S7系列產(chǎn)品進(jìn)行S7通訊，西門子公司提供了一個(gè)SAPI-S7應(yīng)用程序接口，通過它可以靈活而方便地跟西門子S7系列產(chǎn)品進(jìn)行通信。安裝SIMATIC Ner軟件后，會(huì)在系統(tǒng)system32目錄下生成一個(gè)s732.dll文件，該動(dòng)態(tài)鏈接庫提供了大量基于WindowsNT、Window95/98、Windows3.11和MS-DOS的函數(shù)，這樣就使得用戶解決PLC和PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理問題變?yōu)榭赡堋Ｍㄐ啪幊贪▋蓚€(gè)部分：（1）CP連接組態(tài)（2）PLC與上位機(jī)通信編程。

4．1 CP連接組態(tài)

可采用step7軟件或step7軟件中用于工業(yè)以太網(wǎng)的NCMS7軟件對(duì)CP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。通訊處理器CP可連接PC，PC/PG上一般裝網(wǎng)卡CP1613。在Windows控制面板下的“set PC/PG”下安裝所用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，并設(shè)協(xié)議、站號(hào)、波特率、是否為主站，完成對(duì)VFDs（Virtual Field Device）和S7 connections的配置。

4．2 PLC和上位機(jī)的通訊編程

S7-300/400PLC有以下各類資源：①輸入點(diǎn)I：接收外部開關(guān)量信號(hào) ②輸出點(diǎn)Q：輸出給外部的開關(guān)量信號(hào) ③內(nèi)部輔助點(diǎn)M：存放所需中間結(jié)果 ④時(shí)間繼電器T ⑤計(jì)數(shù)器 ⑥數(shù)據(jù)塊DB：存放程序數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域 ⑦外設(shè)輸入PI：主要接收模擬量輸入信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換⑧外設(shè)輸出PQ：給出模擬兩輸出值。要讀/寫這些資源，首先要建立PLC和PC機(jī)的連接。

4．2．1 初始化與PLC的連接

SAPI-S7應(yīng)用程序接口提供的管理服務(wù)模塊（Administrative Services）提供了一些可供讀出配置信息和登錄/退出通訊系統(tǒng)的函數(shù)，下面作一些簡(jiǎn)要介紹：

？ s7_get_device（） ：通過此函數(shù)，用戶程序可以查詢所有已安裝的CP的CP名。

？ s7_get_vfd（） ：通過此函數(shù)，用戶程序可以查詢?nèi)我恢付–P的所有已配置的VFD。

？ s7_init（）：通過此函數(shù)，用戶程序可登錄通訊系統(tǒng)。

？ s7_get_cref（） ：此函數(shù)提供了一個(gè)指向所選S7 connection名的指針。

？ s7_get_conn（）：此函數(shù)返回已登錄VFD的所有S7 connection名和指向他們的指針。

？ s7_shut（）：通過此函數(shù)，用戶程序可退出通訊系統(tǒng)。

一個(gè)應(yīng)用程序可以登錄一個(gè)或多個(gè)CP的若干個(gè)VFD，只有當(dāng)應(yīng)用程序登錄CP及其所選的VFD，在配置期間指定給該VFD的所有連接才是有效的。

4．2．2讀/寫PLC內(nèi)部資源

初始化與PLC的連接成功后，就可以對(duì)PLC進(jìn)行讀寫操作。對(duì)PLC存儲(chǔ)區(qū)即數(shù)據(jù)塊DB的讀寫是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的最基本操作。SAPI-S7應(yīng)用程序接口提供的變量服務(wù)模塊（Variable Services）提供了一些讀寫函數(shù)，由于篇幅有限，現(xiàn)選一些經(jīng)常用到的函數(shù)作一些簡(jiǎn)單介紹。

？ s7_cycl_read（）：此函數(shù)通知服務(wù)方準(zhǔn)備對(duì)單存儲(chǔ)單元循環(huán)讀一個(gè)變量。

？ s7_get_cycl_read_ind（）：此函數(shù)接收來自服務(wù)方發(fā)送的數(shù)據(jù)。

？ s7_multiple_read_req（）：此函數(shù)通知服務(wù)方準(zhǔn)備對(duì)多存儲(chǔ)單元讀一個(gè)或多個(gè)變量。

？ s7_get_multiple_read_cnf（）：此函數(shù)接收來自服務(wù)方的一個(gè)或多個(gè)變量的值。

？ s7_multiple_write_req（）：此函數(shù)通知服務(wù)方準(zhǔn)備對(duì)多存儲(chǔ)單元寫一個(gè)或多個(gè)變量。

？ s7_get_multiple_write_cnf（）：此函數(shù)接收來來自服務(wù)方的執(zhí)行上述寫請(qǐng)求的結(jié)果。

需要特別注意的是：S7 300/400PLC遵循“高地址、低字節(jié)”的規(guī)律，這與某些習(xí)慣用法不同。例如在C++Builder6中，變量類型為word的變量，它的數(shù)據(jù)存放順序是“低地址，低字節(jié)”的規(guī)律。因此在對(duì)所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作或給PLC數(shù)據(jù)塊中寫數(shù)據(jù)字時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的處理。

［table］［/table］ 為解決上位機(jī)不能因前臺(tái)的信息處理而中斷后臺(tái)的監(jiān)聽等問題，可采用多線程編程技術(shù)，將對(duì)PLC內(nèi)部資源的讀/寫功能模塊交給一個(gè)后臺(tái)線程來完成。多線程編程技術(shù)能提高CPU利用率，加快信息處理，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中應(yīng)用多線程技術(shù)是完全必要的。

4．2．3 后臺(tái)讀/寫線程模塊部分代碼

·

·

case S7_ABORT_IND：

Synchronize（my_get_abort_ind）;

break;

case S7_VFD_STATE_CNF：

Synchronize（my_get_vfd_state_cnf）;

Synchronize（my_abort）;

break;

case S7_VFD_USTATE_IND：

Synchronize（my_get_vfd_ustate_ind）;

break;

default ：

·····

}

}while（ret ！= last_event_expected）

5 總結(jié)

運(yùn)用C++Builder6.0編寫的PLC控制調(diào)試程序，具有用戶界面友好，人機(jī)交互方便，數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)大靈活的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。通過調(diào)用S7通訊提供的SAPI-S7應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與S7300/400PLC基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊，不僅數(shù)據(jù)傳輸率快，而且數(shù)據(jù)傳輸正確率高。在對(duì)PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試過程中大大縮短了調(diào)試周期，提高了工作效率。此通訊技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)西門子工控產(chǎn)品的應(yīng)用以及工業(yè)以太網(wǎng)的推廣應(yīng)用有著廣泛普遍的重要意義。

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