西门子工业以太网通讯技术

10.1.1 以太网技术 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网的核心思想是使用共 享的公共传输信道，这个思想源于夏威夷大学。 在局域网家族中，以太网是指遵循IEEE 802.3标准，可以在光缆和双绞线上传 输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（LAN——Local Area Network，局域网）类型。目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种： 10Base-T 以太网——传输介质是铜轴电缆，传输速率为10Mbit/s； 快速以太网——传输速率为100Mbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，兼 容10Base-T 以太网； Gigabit 以太网——扩展的以太网协议，传输速率为1Gbit/s,采用光缆或双绞线 作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以 太网的交换机和路由器设备； 10 Gigabit 以太网——2002年6月发布，是一种速度更快的以太网技术。支持智 能以太网服务，是未来广域网（WAN——Wide Area Network）和城域网 （MAN——Metropolitan Area Network）的宽带解决方案。 工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物，前者源于后者但 不同与前者。以太网技术经过多年的发展，特别是它在Internet中广泛应用， 使得它的技术更为成熟，并得到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技 术上还是产品价格上，以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势。另 为，随着技术的发展，控制网络与普通计算机网络、Internet的联系更为密切。 控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通 信能力的要求，这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网 技术的重要原因。


10.2.1 西门子支持的网络协议和服务 网络通信需要遵循一定的协议，表10-2种列出了西门子公 司不同的网络可以运行的服务。
子网（Subnets） Industrial Ethernet PG/OP通信 S7通信 服务（Services） S5兼容通信 标准通信
S7基本（S7 Basic） 通信
图10-1 工业以太网OLM



工业以太网交换机OSM、ESM OSM的产品包括：OSM TP62、OSM TP22、OSM ITP62、 OSM ITP62-LD和OSM BC08。从型号就可以确定OSM的 连接端口类型及数量，如：OSM ITP62-LD，其中ITP表 示OSM上有ITP电缆接口，“6”代表电气接口数量，“2” 代表光纤接口数量，LD代表长距离，如图10-2所示。 ESM的产品包括：ESM TP40、ESM TP80和ESM ITP80， 命名规则和OSM相同。图10-3所示为ESM TP80。
10.1 工业以太网简介
10.1.2 工业以太网与传统以太网络的比较

工业网络与传统办公室网络相比，有一些不同之处，如表 10-1所示。
办公室网络 工业网络
应用场合
拓扑结构
普通办公场合
支持线形、环形、星形等结 构 一般的实用性需求，允许网 络故障时间以秒或分钟 计 网络监控必须有专人员使用 专用工具完成
10.1.4 西门子工业以太网

西门子公司在工业以太网领域有着非常丰 富的经验和领先的解决方案。其中SIMATIC NET工业以太网基于经过现场验证的技术， 符合IEEE 802.3标准并提供10Mbit/s以及 100Mbit/s快速以太网技术。经过多年的实 践，SIMATIC NET工业以太网的应用已多 于400000个节点，偏布世界各地，用于严酷 的工业环境，并包括有高强度电磁干扰的 地区。
PROFIBUS
MPI
DP
GD
表10-2 西门子公司的网络服务
1、标准通信（Standard Communication）


标准通信运行于OSI参考模型第7层的协议，包括表10-3所 示的协议。 MAP（Manufacturing Automation Protocol，制造业自动化 协议）提供MMS服务，主要用于传输结构化的数据。 MMS是一个符合ISO/IES 9506-4的工业以太网通信标准， MAP3.0的版本提供了开放统一的通信标准，可以连接各 个厂商的产品，现在很少应用。
图10-4 CP243-1
图10-5 CP343-1

S7-400 PLC的以太网通信处理器是CP443-1系列， 按照所支持协议的不同，可以分为CP443-1、 CP443-1 ISO、CP443-1 TCP和CP443-1 IT，如图106所示。
图10-6 CP443-1
10.2掌握S7—300PLC的工业以太网 通信方法
子网（Subnets） 服务（Services） 协议 MMS~MAP3.0 Industrial Ethernet 标准通信 FMS PROFIBUS
10.1.3 工业以太网应用于工业自动化中的关键问题



1、通信实时性问题 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上 是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业 自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为 不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切 实的解决方案。 2、对环境的适应性与可靠性的问题 以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其 环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人 士所特别关心的。在产品的设计时要特别注重材质、元器 件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐 射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工 业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像 RJ45一类的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带 锁紧机构的连接件，使设备具有更好抗振动、抗疲劳能力。
工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高
支持线形、环形、星形等结构，并便于各 种结构的组合和转换，简单的安装， 最大的灵活性和模块性，高扩展能力 极高的实用性需求，允许网络故障时间＜ 300ms以避免生产停顿 网络监控成为工厂监控的一部分，网络模 块可以被HMI软件如Win CC监控，故 障模块容易更换
图10-2 OSM ITP62-LD
图10-3 ESM TP80



（3）通信处理器 常用的工业以太网通信处理器（CP——Communicaton Processer，通信 处理单元），包括用在S7 PLC站上的处理器CP243-1系列、CP343-1系 列、CP443-1系列等。 CP243-1是为S7-200系列PLC设计的工业以太网通信处理器，通过 CP243-1模块，用户可以很方便地将S7-200系列PLC通过工业以太网进 行连接，并且支持使用STEP7-Micro/WIN 32软件，通过以太网对S7200进行远程组态、编程和诊断。同时，S7-200也可以同S7-300、S7400系列PLC进行以太网的连接。如图10-4所示。 S7-300系列PLC的以太网通信处理器是CP343-1系列，按照所支持协议 的不同，可以分为CP343-1、CP343-1 ISO、CP343-1 TCP、CP343-1 IT 和CP343-1 PN，如图10-5所示。
1、基本类型


（1）10Mbit/s工业以太网 应用基带传输技 术，基于IEEE 802.3，利用CSMA/CD介质 访问方法的单元级、控制级传输网络。传 输速率为10Mbit/s，传输介质为同轴电缆、 屏蔽双绞线或光纤。 （2）100Mbit/s快速以太网 基于以太网技 术，传输速率为100Mbit/s，传输介质为屏 蔽双绞线或光纤。


（2）网络部件 工业以太网链路模块OLM、ELM 依照IEEE 802.3标准，利用电缆和光纤技术，SIMATIC NET连接模块使得工业以太网的连接变得更为方便和灵活。 OLM（光链路模块）有3个ITP接口和两个BFOC接口。 ITP接口可以连接3个终端设备或网段，BFOC接口可以连 接两个光路设备（如OLM等），速度为10Mbit/s。如图101所示。 ELM（电气链路模块）有３个ITP接口和1个AUI接口。通 过AUI接口，可以将网络设备连接至LAN上，速度为 10Mbit/s。
2、网络硬件 （1）传输介质 网络的物理传输介质主要根据网 络连接距离、数据安全以及传输速率来选择。通 常在西门子网络中使用的传输介质包括： 2芯电缆，无双绞，无屏蔽（例如：AS-interface bus） 2芯双绞线，无屏蔽 2芯屏蔽双绞线（例如：PROFIBUS） 同轴电缆（例如：Industrial Etherenet） 光纤（例如：PROFIBUS/ Industrial Etherenet） 无线通信（例如：红外线和无线电通信） 在西门子工业以太网络中，通常使用的物理传输 介质时屏蔽双绞线（TP——Twisted pair）、工业 屏蔽双绞线（ITP——Industrial Twisted pair）以及 光纤。
可用性Leabharlann 网络监控和维护表10-1 工业网络与传统办公室网络的比较




工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络 应用的需要。工业现场对工业以太网产品的要求包括： 工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气 体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要 求耐腐蚀、防尘和防水。 工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需 要采取防爆措施保证安全生产。 工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具 有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应 性或电磁兼容性（EMC——Electro Magnetic Compatibility） 等。 工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准， 大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。 采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要 求。工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内， 并容易更换。