工业以太网

7.1.7　工业以太网

SIMATIC NET是西门子公司的网络产品的总称，它包含了三个主要的层次。如图7-9所示，SIMATIC NET的顶层为工业以太网，它是基于国际标准IEEE 802.3的开放式网络。以太网可以实现管理-控制网络的一体化，可以集成到互联网，为全球连网提供条件。以太网在局域网（LAN）领域中的市场占有率高达80%，通过广域网（例如ISDN或Internet），可以实现全球性的远程通信。网络规模可达1024站，距离可达1.5km（电气网络）或200 km（光纤网络）。符合IEEE 802.3u标准的100 Mbit/s的高速以太网发送信息显著加快，占用总线的时间极短。

图7-9　西门子工业网络

工业以太网将控制网络集成到信息技术（IT）中，可以与使用TCP/IP协议的计算机传输数据，使用E-mail和Web技术，允许用户在工业以太网的Socket接口上编制自己的协议，可从在网络中的任何一点进行设备启动和故障检查，使用冗余网络可以构成冗余系统。西门子提供以太网通信模块或通信处理器，远程访问路由器用于在广域网连接的两个以太网之间实现远程通信。

1．现场总线PROFIBUS

PROFIBUS是开放式的现场总线，它是用于车间级和现场级的国际标准，传输速率为最大12Mbit/s，响应时间的典型值为1 ms，使用屏蔽双绞线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可以接127个从站。它已被纳入现场总线的国际标准IEC 61158和EN50170中，并于2001年被定为我国的国家标准（JB/T10308.3-2001）。2003年底，工厂自动化和流程自动化应用系统所安装的PROFIBUS节点设备已突破了1000万个。

PROFIBUS由3部分组成，即PRQFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布式外部设备），PROFIBUS-PA（Process Automation，过程自动化）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，现场总线报文规范）。

（1）PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS定义了主站与主站之间的通信模型，它使用OSI 7层模型的第1层、第2层和第7层。应用层（第7层）包括现场总线报文规范FMS和低层接口LLI（Lower LayerInterface）。LLI协调不同的通信关系，并提供不依赖于设备的第2层访问接口。第2层（总线数据链路层）提供总线存取控制和保证数据的可靠性。FMS主要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据，处理单元级（PLC和PC）的多主站数据通信，为解决复杂的通信任务提供了很大的灵活性。

（2）PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信，可以取代4～20mA模拟信号传输。

PROFIBUS-DP使用第1层、第2层和用户接口层，第3～7层未使用，这种精简的结构确保了高速数据传输。直接数据链路映像程序DDLM提供对第2层的访问。用户接口规定了设备的应用功能、PROFIBUS-DP系统和设备的行为特性。PROFIBUS-DP特别适合于PLC与现场级分布式I/O（例如西门子的ET 200）设备之间的通信。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式以及这两种方式的组合。

（3）PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，描述了现场设备行为的PA行规。由于传输技术采用IEC 1158-2标准，确保了本质安全和通过总线对现场设备供电，它可以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。使用PA/DP耦合器可以将PROFIBUS-PA设备很方便地集成到PROFIBUS-DP网络中。

PROFIIBUS-PA使用屏蔽双绞线电缆，由总线提供电源。总线供电方式支持本质安全防爆，对应每个PA链路可以连接最多10个现场设备。采用总线供电方式不支持本质安全防爆，对应每个PA链路可以连接30个现场设备。此外基于PROFIBUS，还推出了用于运动控制的总线驱动技术PROFI-drive和故障安全通信技术PROFI-safe。

2．现场总线AS-i和EIB

西门子通信网络的底层包括AS-i和EIB，INSTABUS EIB是楼宇安装总线系统，符合国际标准CEN TC247。

AS-i是执行器-传感器接口（Actuator sensor Interface）的简称，是传感器和执行器通信的国际标准（EN 50295和IEC62026-2），响应时间小于5 ms，使用未屏蔽的双绞线，由总线提供电源，最长通信距离为300m，最多62个从站。

AS-i用两芯电缆连接现场的传感器和执行器，当前世界上主要的传感器和执行器生产厂家都支持AS-i接口，其电气和技术规范对所有感兴趣的公司公开。AS-i是单主站系统，西门子的SIMATIC系统提供通信处理器作为主站，控制过程或现场通信。采用DP/AS-i链接模块可以将AS-i作为PROFIBUS-DP的子网。

（1）通过AS-i网络的过程通信

AS-i位于自动控制系统的最底层，特别适合于连接需要传送开关量的传感器和执行器。AS-i属于主从式网络，每个网段只能有一个主站。主站是网络通信的中心，负责网络的初始化以及设置从站的地址和参数等。AS-i从站是AS-i系统的输入通道和输出通道，它们仅在被AS-i主站访问时才被激活。接到命令时，它们触发动作或者将现场信息传送给主站。

AS-i所有分支电路的最大总长度为100m，可以用中继器延长。传输介质可以是屏蔽的或非屏蔽的两芯电缆，支持总线供电，即两根电缆可以同时作信号线和电源线。

DP/AS-i网关（Gateway）用来连接PROFIBUS-DP和AS-i网络。CP 2413是用于PC（个人计算机）的标准AS-i主站。

西门子的“LOGO”微型控制器可以接入AS-i网络，此外西门子还提供各种各样的AS-i产品，例如气动控制模块，电机启动器，能源与通信现场安装系统，带AS-i接口的接近开关、按钮与指示灯组成的人机接口等。

（2）AS-i主站通信处理器CP 243-2

CP 243-2是SIMATIC S7-200（CPU 22x）的AS-i主站通信处理器，最多可以连接31个AS-i从站。S7-200可以接两个CP 243-2，每个CP 243-2的AS-i网络最多有124点数字量输入（DI）和124点数字量输出（DO），通过AS-i网络可以增加S7-200的数字量输入、输出的数。

CP 243- 2有2个端子直接与AS-i接口电缆相连，前面板的LED显示所有连接的和激活的从站状态与准备状态。两个按钮用来切换运行状态，并可以设置当前的组态。

在S7-200的映像区中，CP 243-2占用1个数字量输入字节作为状态字节，1个数字量出字节作为控制字节。通过用户程序，用状态字节和控制字节设置模块的工作模式。

模块还要占用8个模拟量输入字和8个模拟量输出字。根据工作模式的不同，CP 243-2在S7-200模拟地址区既可以存储AS-i从站的I/O数据或诊断值，也可以执行主站功能，例如改变一个从站地址。通过按钮可以设置连接所有的AS-i从站。