系统网络和现场总线技术

第二章系统网络和现场总线技术2.1系统网络通信及拓扑方式2.1.1系统通信要求在整个监控系统中，一共有3种类型的通信要求，它们是:1,PLC与执行设备之间的通信送水泵的PLC为了精确控制，需要与控制水泵机组运行频率的变频器之间进行通信，PLC将输出频率值传送给变频器，控制变频器的输出频率。直接数字化的数据传送方式可以避免模拟量控制带来的误差，同时也防止变频器的运行对模拟信号控制带来的干扰，使系统的控制更加准确可靠。2,PLC与上位}lL之IeJ的通1A要在上位机上对整个系统进行监控，PLC与上位机之间的通信是不可避免的。PLC所构成的网络是整个监控系统得以实现的基础，也是所有数据进行采集、测量、处理和传输的具体实现者。而上位机是监控系统和人进行交互的枢纽。因此，建立PLC与上位机之间高效可靠的通信网络是系统的操作管理人员对整个监控系统进行有效科学管理的基础。3、构成客户机/服务器关系的上位机之间的通信监控系统中有几台工控机，它们的功能并不相同。它们按照客户机/服务器的工作方式进行功能划分，有一台PC作为WinCC服务器，负责上位机系统中的数据处理、Web信息发布、与PLC网络进行数据通信。其它的PC作为客户机，它们不与PLC直接进行通信，要显示和处理的数据从作为服务器的PC中来，并把数据处理的结果存储到服务器的数据库中。这样的划分是因为这些PC的功能不同，有的作为工程师站，有的作为监视站。工程师站可以对系统进行实际的操作，如系统启动、停机、参数设置等。监视站只能进行信息显示、监视、系统浏览，而不能进行实际操作。4,WinCC服务器、局域网WEB服务器、网络用户之间的通信WinCC服务器通过Web服务器与Internet网相连，将监控信息发布到Internet网上，从而使网络用户能够通过Internet网对整个系统进行监控，这样专家就可以实现远程诊断故障，同时实现系统共享互联网上的信息资源。2.1.2系统网络拓扑方式按照整过系统对通信的要求，结合SIEMEN(西门子)数据通信方式的考虑，决定系统的网络以如下方式设计:一、PLC与变频器、ET200M之间采用PROFIBUS-DP标准现场总线技术方式1、组成考虑到数据传输的效率，在恒压供水系统中的PLC57-315-2DP与变频器之间采用PROFIBUS-DP(PROFIBUS-DP介绍见2.2“现场总线技术简介”)的方式进行通信设计，如图2-1所示。主机为一台S7-300型的PLC}CPU为315-2DP，这种CPU带有一种集成的DP总线接口。DP总线上连接主要设备为:分布式I/O一ET-200M，矢量控制变频器等。PLC中的数据频率通过这种通信方式传送给变频器，来控制变频器的输出频率，其实变频器的输出频率也可以通过模拟电压或模拟电流信号的方式进行控制。但采用模拟量控制时容易受到现场干扰信号的影响，精度也受限制。采用数据通信的方式不仅能够解决上述问题，还能够为以后的PLC与变频器之间更多数据的通信奠定一个良好的基础，数据只需要在软件上稍作修改，而不需要调整现场设备，特别是系统不能停电时，这显得更为重要。2、工作原理DP即分布式外围设备(DecentralizedPeriphery)，在参考模型中使用第1,2层和用户层(用户自定义)。用于工厂和楼宇自动化中实现自动控制系统和分散的外部设备((I/O)及智能现场仪表之间的高速数据通信。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备(如I/O、变频器、阀门等)进行通信，多数数据交换是周期性的。PROFIBUS-DP提供的数据链路层的服务如表2-1所示:PROFIBUS-DP是一个主站/从站(Master/Slave)线系统。主站是有一个自动控制仪表/系统(1类主站)或一个PC(2类主站)来完成。1类主站也完成自动化调节功能，通过循环的和非循环的报文对现场的仪表进行全面的访问。2类主站在需要时用非循环报文与1类主站交换数据(上，下装数据，诊断信息)，同现场仪表交换数据。PROFIBUS-DP按照主从方式运行时，主要有以下两种状态:运行:输入和输出数据循环传送。1类主站由DP从站读取输入信息并向DP从站写入信息。清除:1类主站读取DP从站的输入信息并使输出信息保持为故障一一安全状态。总线传输技术为;NRZ,RS485;介质为双绞线，双绞电缆，光缆;波特率为:9.6kbps-12Mbps，总线上每段最多32个站，共126个主从设备。在1.SMbps时传输距离为2000M，使用光缆为21.730km;在12Mbps时距离为100m。拓扑结构有;线型、心型和环型。DP是一种适合于所有自动化行业的总线类型，主从结构使这种总线具有低廉的造价，极高的速率。本系统中，以一台57-300型的PLC(CPU为315-2DP)作为主站，变频器及I/O设备ET200M作为从站。二、PLC,WinCC服务器、监控机之间采用工业以太网方式1、组成PLC,WinCC服务器、监控机之间采用工业以太网如图2-2所示设计。成计盯米用J四IJ于户品土业以太}xxJ阴ESMTP80父}}}JLo,WinCC}lu'}'},器、监控机内各插一块西门子CP1613通讯处理器，通过CP1613通讯处理器与ESMTP80相连，PLC通过CP343-1IT通讯处理器与ESMTP80相连。下面对CP343-1IT,CP1613通讯处理器及ESM作简要介绍:(1)、CP343-1IT:CP343-1IT通讯处理器可以实现SIMATIC57-300和57-400以及工业以太网(10/100Mbit/s)的相互连接，这种连接是全双工连接并可依靠自适应进行自动转换。CP343-1IT具有以下通讯功能:.用SIMATICS7实现S7通讯;.SEND/RECEIVE(SS一兼容通讯);.PG/OP通讯(在网络或WAN上进行网络CPU编程);.使用SIMATICS7发送电子邮件;.利用Web浏览器对过程和操作数据进行访问。CP343-1IT运用工业以太网可以独立处理数据的传输，并且集成有工业双绞线连接收发器。CP模板产品可以使用标准的Web浏览器对过程数据进行访问(密码保护)，降低了客户端方面的软件成本。在本地或世界范围内可以通过电子邮件对事件控制信息进行传送。运用广域网的TCP/IP功能通过电话网络实现网络编程也是毫无问题的。由于具有1OOM位/秒的自适应功能，CP模板产品适用于大型系统;由于与SS通讯功能兼容又可将现有系统方便地集成到新系统中。(2),CP1613通讯处理器CP1613通讯处理器可为SIMATIC网络编程设备或IPCs提供工业以太网连接，也可以使用于带PCI插槽的通用计算机中。它有如下通讯功能:.在SIMATICS7中实现S7通讯;.PG通讯(通过网络或WAN网进行网络CPU编程);.SEND/RECEIVE(SS兼容通讯)。CP1613是工业和办公室通讯集于一身的理想产品。它可运行ISO传输协议和TCP/IP(集成于板中)。CP1613允许频繁的大数据量的流量吞吐。这就为PC的其它应用比如HMI的运行留下了空间。即插即用和自适应的功能使CP1613易于操作。CP1613适合运用于大型网络组态和冗余通讯，因为它有很多连接资源并可用OPC作为通讯界面。(3)、工业以太网的ESMESM(电气交换模块)用来构建100Mbit/s交换网络，并可节省成本。网络分割(将网络划分为若干部分或网段)并将各网段连接到ESM，使得实现现有网络的负载分担成为可能，从而改善网络的性能。包含在ESM中的网络冗余管理器，用来构建冗余工业以太网环型结构，并可通过交换技术实现高速的介质冗余(重新配置时间最大为0.3秒)。构建电气环网要用2个ESM的双绞线端口。环的数据传输速率为100Mbit/s，每个环中最多允许使用50个ESMo除了有两个环网端口，ESM还有另外6个端口(具有ITP或RJ45两种接口)，这些端口用来连接终端设备和网段。ESM的使用使得网络拓扑很容易适应工厂的结构。带ESM的网络结构可以是线型和星型。一般网络的级联深度和区域大小会因传输延时而受到限制，采用ESM，整个网络的范围可达5公里。两模块间或模块到站点之间带Sub-D连接器的ITP电缆的最大长度为100米。双绞线电缆的最大长度:TP双绞线为10米;当与RJ45接插座和FCTP电缆相连时最大可达100米。2、工业以太网简介(1)、特点工业以太网是为工业应用而专门设计的，它是一种遵循国际标准IEEE802.3开放式的以太网、多供应商、高性能的区域和单元级网络。工业以太网将自动化系统相互连接，而且还将自动化系统连接到PC机和工作站。工业以太网能够以局达100Mbit/S的速度买现厂泛的、升放的网络解决万案。目前，以太网在世界范围内的局域网(LAN)市场上基于主导地位。以太网具有如下重要特点:启动快速，因为简化了网络连接方法。灵活性大，因为现有设备可以不受影响地随时扩展。.可靠性高，因为采用了冗余的网络拓扑结构。.无限的通信性能，因为使用交换技术可根据用户需求提供可伸缩的性育旨。.覆盖极为广泛的企业应用，可从办公室到生产现场。.在整个公司范围实现通信，因为以太网可连接到广域网(WAN)，例如:综合服务数字网(ISDN)或因特网。.投资可靠，因为该系统正不断得到进一步开发，而且完全向下兼容。(2、网络解决万案工业以太网可采用双绞线(TP)和光纤(FO)等传输技术，1OMbit/s以太网可以是线型或星型拓扑结构，并使用光学链接模块(OLM)和电气链接模块(ELM，这些网络拓扑结构也可组合应用。光纤交换模件(OSM)或电气交换模件(ESM)适用于网络管理系统。它有下面的界面和接口:.模件本身的信号界面.使用串行口和PC机通过命令行(CLI一命令行接口)进行的终端仿真。.使用浏览器的网络访问(基于Web的管理)。带有浏览器的PC机可以通过网络选择OSM模件进行访问。使用SNMP连接通过网络从网络管理工作站到OSM的网络访问。如果需要一种传输速率更高(达100Mbit/s)或者范围更广的网络，则可将快速以太网技术与交换系统结合使用，快速以太网是在已成热的以太网技术基础上进一步发展而来。(3)、通讯选项一个中心要素是HMI(人机界面)系统(例如SIMATICWinCC)使用工业以太网与SIMATICS7进行通讯，采用S7通讯来实现。这个功能可直接访问控制器的数据不再需要调用PLC的其它功能。S7通讯系统从PLC发送数据到HMI系统是一个循环的过程。控制器之间交换过程数据是通过SEND/RECEIVE实现的。在57-300/400和SIMATICS7之间通过SEND/RECEIVE可以进行简便的，事件控制的数据传输。通过使用CP343-1IT模块，系统状态信息可以通过INTERNET在本地或全世界范围内发送。3,IP地址分配该系统由双网卡构成，工业以太网CP343-1地址如图2-3和INTERNET地址如图2-4.三、系统与Internet网的连接1、解决方案对于网络访问的连接，SIMATICNET提供了三种不同的解决方案。(1)、使用ISDN路由器的网络访问需要高性能的可靠连接时，可以使用ISDN。该方案显著的优点是:.稳定的传输质量.快速的连接建立时间.可达128K位/秒的高速传输速率此外，自动数字识别和回传功能确保了信息传递的安全性。(2)、使用模拟路由器的网络访问如果没有安装ISDN或考虑到安装ISDN的成本，我们推荐使用通过模拟电话线连接的路由器。这种模拟路由器可以连接到任何一种电话插槽上。但是这种解决方案的连接建立相对来说比较慢，传输速率也比较低(最快为56K位/秒)，取决于电话线路的质量，并且象自动数字连接等一些安全功能也不能实现。(3)、使用Internet的网络访问当需要考虑长距离通讯的连接成本时，推荐使用Internet的网络访问。2、本系统采用的Internet网络应用方案本系统中，网络访问方案如图2-5所示。采用INTERNET网络访问。3、实现Internet网络监控通过WINCC的Web发布功能设置实现Internet网络