1 引言

    PLC在工業控制領域以其抗干擾能力強、穩定可靠性高、故障率低而著稱，并且在數字運算、模擬量處理、人機接口和網絡通訊等方面具有優越的性能。目前在控制網絡系統節點計算機的使用上已成為首選的主流控制設備，基于PLC控制系統的控制通訊網絡系統在工業控制領域越來越得到用戶的青睞。西門子PLC在CPU運算速度、程序執行效率、面向工藝和運動控制的功能集成、實現故障安全的容錯和冗余等技術方面具有優良的性能，尤其是在聯網通訊能力的硬件和軟件的配套技術開發上，就如何解決控制領域的“自動化孤島”問題上取得了業界公認的成就。

    為滿足不同層次自動化系統的通訊控制任務的需求，西門子PLC開發的控制網絡產品十分豐富，因此，在各方面存在著較大的區別。這給用戶在開發西門子PLC控制網絡時帶來一定的困難。從SS系列PLC,S7-200,  S7-300到S7-400，西門子PLC提供了PPI,  MPI,  Profibus.工業以大網以及AS-i等一系列網絡的解決方案，從而實現了從工廠管理層、車間監控層到現場設備層等各種網絡層次的通訊需求。

    本文通過對西門子PLC網絡產品的剖析，提出一些西門子PLC控制網絡配置時的選擇方法，并著重通過實際應用工程加以說明，給出了相應系統的控制網絡的拓撲結構圖，介紹了在具體的工程背景下如何根據控制系統的具體情況進行控制網絡方案的選擇。

2 西門子PLC控制網絡類型

    2.1 點對點接口(point to point connections)

    點對點接口(point to point connections)。自由通訊方式，即可以由用戶自己定義通訊協議，它可以使S7-200, 57-300PLC與任何通訊協議公開的其他設備，如:掃描儀、打印機、條碼閱讀器、控制器、變頻器等進行通訊。可以使用的通訊協議有ASCII驅動器、3964{R)和RK512(只適用于部分 CPU)等。

    2.2 PPI(point to point interface)網絡

    PPI(point to point interface)網絡。PPI是西門子專為S7-200PLC開發的一種通訊協議，波特率為9.6kb/s,19.2kb/s,  187.5 kb/s，可以通過普通的雙芯屏蔽雙絞電纜進行聯網，通訊接口集成于57-200CPU上。PPI是一種主一從協議，從站不主動發信息，只等待主站的要求，并根據地址信息對要求作出響應。

    2.3 MPI(multi-point interface)網絡

    MPI(multi-point interface)網絡。MPI協議是基于西門子內部標準的一種令牌網絡通訊協議，也稱MPI多點接口。MPI的物理層是RS-485，最大傳輸速率可達到12Mb/so西門子PLC通過CPU的MPI編程口相互連接以及與上位機網卡的編程口(MPI/DP口)連接即可實現MPI網，PLC通過MPI能同時連接運行STEP?的編程器、計算機、人機界面(HMI)及其它SIMATICS7, M7和C7，同時連接通訊對象的個數與CPU的型號有關。這是一種經濟有效的解決方案。

    2.4 Profibus網絡族

    Profibus網絡族。Profibus是用于車間級監控和現場層的通訊系統，它符合IEC61158國際標準(是該標準中的類型3), Profibus的物理層是RS-485，最大傳輸速率可達到12Mb/s。最多可以與127個網絡上的節點進行數據交換。網絡中最多可以串接10個中繼器來延長通訊距離。其開放性可以允許眾多的廠商開發各自的符合Profibus協議的產品連接到同一條Profibus網絡上進行數據通訊。適應不同工程場合的需求，Profibus又由相互兼容的3個部分組成，即Pro2fibus-FMS, Profibus-DP和Profibus-PA。

    2.5 工業以太網(indust rial et hernet)

    工業以太網(indust rial et hernet)。按照國際標準IEEE802.3，專為工業應用專門設計的通訊網絡，使用ISO和TCP/IP通訊協議，能應用工業雙絞線、同軸電纜和光纜等進行通訊。它支持廣域的開放型網絡模型，西門子的工業以太網的傳輸速率為10Mbs-1/100Mb}s-1，最多1024個網絡節點，網絡的最大范圍為1 JOkm o

    AS-i接口。它符合國際標準IEC TG17B和歐洲標準EN50295，又稱傳感器一執行器接口(act uator sensorinterface)。它是位于自動控制最底層的網絡，用來連接有AS-i接口的現場二進制設備，只能傳輸少量的數據。

3 西門子PLC控制網絡解析

    3.1 網絡解析

    在西門子PLC的眾多的網絡類型中，它們之間功能各異、千差萬別，各自都存在著一定的優缺點，但都是為滿足不同層次的控制網絡的需求而設計的。總體而言，控制網絡可以分為兩大類;一類是符合國際標準的通訊網絡，即工業以太網、Profibus, AS-i接口;另一類是西門子子公司自己開發的專用通訊網絡，即MPI, PPI，點對點接口。在用戶選擇控制網絡時，首先考慮的是確定網絡的具體類型。

    一般說來，符合國際標準的通訊網絡，如:工業以太網、Profibus，其傳輸速度、傳輸距離和傳輸容量都遠遠優于專用通訊網絡，并且功能強大，構成網絡時的互連互操作性好、靈活性大。但往往需要增加較多的軟硬件的設施，一次性投資成本較大，并且技術應用的開發過程也較為復雜。

    例如，對于符合國際標準的通訊網絡工業以太網是用于管理層和單元層的通訊系統，用于對時間要求不太嚴格，需要傳送大量數據的通訊場合，可以通過網關來連接遠程。但是，工業以太網是普通以太網技術在控制網絡延伸的產物。采用的是CSMA/CD介質訪問控制方式，其本質上是非實時的，不能滿足工業自動化領域對通信實時性的要求，因此，工業以太網一直被認為不適合在底層控制網絡中使用。又如符合國際標準的通訊網絡Profibus，在性能的各方面明顯優于PPI和MPI網絡，其電氣傳輸距離可達9.6km，若采用光纜傳輸距離可達90km，傳輸速率可達12Mb/s。對于非西門子設備要與Profibus控制網絡互連，只要該設備支持Profibus的相關協議同時能夠提供GSD文件亦可進行通訊。但相對而言，其軟硬件投資較大，開發成本較高。MPI通訊是當通訊速率要求不高、通訊數據量不大時采用的一種簡單經濟的通訊方式。通過它可以構成小型的PLC控制通訊網絡，實現PLC之間少量的數據交換，不需要額外的硬件和軟件開銷就可實現網絡化，成本低，用法簡單，是西門子PLC一種經濟有效的網絡解決方案。又如S7-200系列PLC之間利用PPI協議進行通訊時非常方便，不需要額外增加任何軟硬件，只用NETR/ NETW兩條語句即可進行通訊，但其傳輸容量和傳輸速率較低。

    3.2 網絡功能

    西門子PLC控制網絡主要能實現以下幾種網絡通訊功能。

    (1)S5兼容通訊。發送i接收口(在Prot7bus場合，經過FDI一實現)主要用來優化S1MA TICSS和S7系列PLC之間的通訊，也可以用于S7系列PLC之間進行通訊。它只能通過Profibus和工業以太網實現。

    (2)S7通訊。提供簡單、功能強大的通訊任務。S7通訊可通過MPI. Profibus和工業以太網實現，每個任務的有用數據量最大為64k字節。

    (3)S7基本通訊。這是S7系列PLC(S7-300,  S7-400)CPU中集成的通訊功能軟件模塊集(SFC)。S7基本通訊由MPI網實現，SFC由用戶編程調用。

    (4)PG/OP通訊。分別是PG和OP與PLC進行數據通訊來進行組態、編程、監控以及人機交互等操作服務。PPI、MPI、 Profibus和工業以太網等都支持PG/ OP通訊。

    (5)標準通訊。由不同的制造商提供的不同類型自動化系統之間(例如PLC與PC之間)的通訊。也可以與裝有FMS接口的現場設備進行通訊。對于Profibus網絡，標準通訊是指FMS通訊‘它可以實現不同供應商的PLC之間的通訊。

    在實際的工程應用中，必須根據控制網絡中各節點的硬件的配置情況、通信的數據量、通訊接口的支持能力等因素來確定適宜的通訊功能。以S7-300系列PLC之間聯網通訊為例在Profi2bus網絡中就可以利用“S7通訊”、“SS兼容通訊”、“標準通訊”等若干種通訊功能來實現。若一般數據量(240字節以內)的通訊任務，就可選擇“S5兼容通訊(FDL通訊)”功能而不必選擇“S7通訊”(可達到64k字節)。

    3.3 網絡鏈接

    目前，西門子PLC控制網絡主要有如下4種網絡通訊接口的連接方式。

    (1)PG/PC通訊卡。用于控制網絡上PG/PC'側的連接，它們可以將PCi/PC連接到相應的網絡中，其種類較多，選擇和使用時一定要特別小公區別它們之間的功能差異。例如C P5613( A2 )是自帶微處理器的PCI卡，用于將PC和SIMA TIC編程器連接到Profibus網絡上，傳輸速率最大為12Mb/s, CP僅可以為主站。而CP5614(A2)也是自帶微處理器的PC' I卡，也用于將PC和，2MA TIC'編程器連接到Profibus網絡上，傳輸速率最大為13Mb/s，但其CP即可以為主站，也可以為從站。又如CIS511自身不帶微處理器，是用于將PG/PC和帶PCMCIA槽的筆記本電腦連接到MPl和Profibus網絡上。又如CP5611自身不帶微處理器的PCI卡，主要用于PLC及網絡的編程和組態，是一種單網絡協議模式。

    (2)PLC的專用通訊模塊(處理器)。用于控制網絡上PLC側的連接，它們是智能化的通訊模塊，能將PLC連接到相應的網絡中去，能大大的減輕PLC的CPU的通訊負擔。這些通訊模塊(處理器)包含通訊處理器(CP)、接口模塊(IM)、接口子模塊(IF)。該部分模塊(處理器)種類繁多，功能各異，在選擇時須要仔細區別。例如在Profibus控制網絡中，通訊處理器CP342_;可以將S7-300 PLC連接到Profibus-DP現場總線系統;('P443-5基本通訊處理器可以使S7-400 PL(連接到Profihus網絡電EM277通訊模塊可將S 7-300 PLC(僅為DP從站)連接到Profibus-DP總線系統。又如l M360/36 I，IM3C,5接口模塊(IM)是用于57-300 PLC(CPU314以上)主機架和最多3個擴展機架之間的通訊接口。

    (3)PLC主機自身集成的編程接口。西門子S7系列PLC主機上編程接口在控制網絡中可以兼作通訊接口，編程通訊只是其通訊的功能之一。例如57-200系列PLC編程接口同時也可以是PPI和MPI控制網絡的通訊接口。

    (4)PLC主機自身集成的通訊接日。有些機型的西門子PLC主機上除編程接口外，還設計有專用的通訊接口。例如57-300系列PLC中的CPU315-2DP機型，其主機上自身集成有Profi?bus-DP通訊接口，用于連接分布式I/O設備，其DP通訊接口既可以組態為主站，也可以組態為從站。

    3.4 傳輸介質

    根據不同的應用類型，多種傳輸介質可以用于西門子PLC控制網絡中。有時在一個控制網絡中不同的傳輸介質可以組合使用，例如Pro2fibus-DP網絡的傳輸介質可以采用以下3種方式:

    (1)電氣數據傳輸。可通過標準的圓形截面，帶PE或PUR護套、防鹵化設計的屏蔽雙絞線電纜、地下電纜或專用于防爆區域的特殊電纜來傳輸數據;

    (2)光纜數據傳輸。通過玻璃或塑料纖維光纜，傳輸距離可以大為提高，既可以用于戶內，也可以用于戶外;

    (3)無線數據傳輸。通過比M(紅外線鏈接模塊)可以實現15m范圍內的無線數據傳輸。

4 邯鄲鋼鐵應用案例

    435燒結電控系統中，將整個控制系統分為主PLC站和兩個監控站，PLC主站下有5個遠程從站。如圖1所示。

圖1 鋼鐵燒結爐電控網絡

    由圖1可見整個PLC網絡系統由兩級子網組成。由于整個電控系統控制點多、設備分布較為分散、連鎖關系復雜多變，根據項目的實際情況采用Profibus-DP的通訊方式，主要承擔PLC主站與其各自遠程從站E丁200M的通訊任務。主站C P U414-2 D P利用其本身集成的Protibus-DP口連接到Profibus-DP總線上，選擇ET200M模塊作為遠程I/O從站(直接面向現場信號)與Profibus-DP現場總線相連。

    而PLC主站及上位機組成監控系統網絡，考慮到該控制網絡系統通訊的數據量較小站點數較少，通訊距離相對較短，所以確定以MPI方式組成控制網絡，雖然MPI每個網段長僅為SOm(通訊速率為187.Skb/s時)，但通過S485中繼器的擴展方式通訊距離可以擴展為100m(通訊速率為187.Skb/s時)，完全可以滿足該項目遠程的監控任務，并且具有較高的性能價格比。若采用符合國際標準的通訊網絡，如Profibus網絡，雖然性能優越，通用互連性好，但其硬件組態成本投資較高，技術開發難度加大，從實用性和經濟性上考慮，不采用符合國際標準的通訊網絡。上位PC機通過CPS6日網卡與主站PLC連接，并通過WinCC'組態軟件進行組態，主要完成整個系統的現場監控終端數據的實時采集、監測、控制、數據存儲、數據查詢和報警等功能。

5 結束語

    西門子PLC控制網絡體系結構復雜，其能提供的網絡產品(包含軟件和硬件)十分豐富。有的控制網絡簡單、經濟，設計和開發周期短;有的控制網絡結構復雜、開發技術難度較大、軟件和硬件開銷較高，但這些產品都是為不同檔次的自動化控制任務而設計的。面對一個具體的監控任務時，一定要綜合考慮各方面的因素，對控制任務進行需求分析后再確定具體的控制網絡方案。例如要考慮系統對實時性高低的要求、站點之間是否需要傳輸大量的數據、站點的數量和通訊距離、是否對傳輸速率有較高要求、是否需要同時支持多種協議等方面酌情選擇適當的網絡解決方案，以避免不必要的浪費或選擇不能滿足監控任務的控制網絡。焦化備煤的在控制網絡方案選擇之初充分地考慮了各自的監控需求，確定了較為適宜的控制網絡，投產運行后，系統穩定可靠、投資合理，達到了良好的效果。