自動化技術(shù)

1．SIMOTION工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)
西門子工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通常使用的物理傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線（FC TP）,、工業(yè)屏蔽雙絞線（ITP）和光纖,。

1.1 屏蔽雙絞線（Fast Connection Twist Pair）
FC TP快速連接雙絞線用于將DTE快速連接到工業(yè)以太網(wǎng)上，配合西門子FC TP RJ45接頭使用,，連接方式如圖1所示：

圖1： FC TP電纜與TP RJ45接頭

將雙絞線按照TP RJ45接頭標(biāo)示的顏色插入連接孔中,，快捷,、方便地將DTE設(shè)備連接到工業(yè)以太網(wǎng)上。使用FC雙絞線從DTE到交換機最長通信距離為100米（DTE到DTE）,。也可以使用普通RJ45接頭,，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕跓o干擾情況下最長通信距離為5米,。
RJ－45連接有兩種連接方式,，交叉連接（如圖2所示）和直通連接（如圖3所示）。交叉連接用于網(wǎng)卡之間的連接或集線器之間的連接,；直通線用于網(wǎng)卡與集線器之間或網(wǎng)卡與交換機之間的連接,。Siemens交換機由于采用了自適應(yīng)技術(shù)，可以自動檢測線序,，故通過交換機可以選擇任意一種電纜進行連接,。

圖2 交叉線連接

圖3 直通線連接

SIMOTION 帶有RJ45接頭，建議使用西門子FC TP和FC TP RJ45接頭,。

1.2 工業(yè)屏蔽雙絞線 （Industrial Twisted Pair）
屏蔽雙絞線如圖4所示,，它有白/藍和白/橙兩對雙絞屏蔽線。外部包有屏蔽層和絕緣層,，用于連接有ITP端口的以太網(wǎng)設(shè)備,。通過ITP電纜連接的兩個設(shè)備的最遠距離為100米。

圖4 ITP電纜結(jié)構(gòu)圖

連接ITP電纜的連接頭有兩種,，即 9 針或 15 針的Sub－D 接頭,，如圖所示5、6：

     
圖5 Sub－D 9針接頭                                                 圖6 Sub－D 15針接頭

使用Sub－D 接頭進行連接的網(wǎng)絡(luò)連接牢固,，不易松動,。其連線方法及9/15 接頭的轉(zhuǎn)換可以查閱西門子手冊 。同樣ITP 電纜也會有交叉連接的情況,，可以直接定購 ITP XP 標(biāo)準電纜 ,。
SIMOTION只有RJ45以太網(wǎng)接口，通常不使用工業(yè)雙絞線ITP,。

1.3光纖
按光在光纖中的傳輸模式不同,，光纖可分為單模光纖和多模光纖。
多模光纖：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm),，可傳多種模式的光,。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率,，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了,。因此,，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近,，一般只有幾公里。
單模光纖：中心玻璃芯較細(芯徑一般為9或10μm),，只能傳一種模式的光,。因此，其模間色散很小,，適用于遠程通訊,，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求,， 即譜寬要窄,，穩(wěn)定性要好。
光纖技術(shù)只允許點對點的連接,，即一個發(fā)送裝置只對應(yīng)一個接收裝置,。因而兩個站點之間需要有發(fā)送和接收兩根光纖進行連接。所有SIMATIC NET 標(biāo)準的光纜都是兩根光纖,。光纖的連接頭有很多種如圖7所示：

圖7 光纖的連接頭

其中各種連接頭都有各自的優(yōu)點,，例如：ST 連接頭安裝簡易，比較適合于現(xiàn)場連接,，（西門子BFOC接頭就是ST 接頭）,；FC 接頭有一個不固定的套環(huán)，可以提供較好的機械的隔離,；SC 連接頭適合緊密連接,，其推拉設(shè)計可以避免在安裝過程中的光纖平面受損，應(yīng)用比較普遍,。在西門子的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,，大多光纖鏈路設(shè)備使用BFOC接頭。
光纖通訊應(yīng)用于工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點：
隔離電氣的站點或網(wǎng)段
沒有電氣的接地問題
沒有屏蔽電流
數(shù)據(jù)傳輸不受外界電磁干擾
不受雷電的影響
不會產(chǎn)生電磁干擾
重量輕
根據(jù)光纖的類型不同,，長距離的通訊依然可以保持高的通訊波特率
帶有RJ45接頭的SIMOTION 可以直接連接到交換機的電氣接口上,，交換機之間可以通過光纖連接，增加通信距離和抗干擾性,。

2．SIMOTION工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
通過西門子交換機組成的以太網(wǎng)有三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：1）總線型,；2）星型；3）冗余環(huán)網(wǎng),。圖8所示為SCALANCE 200組成的冗余環(huán)網(wǎng),。

圖8 冗余環(huán)網(wǎng)示例

3．配置SIMOTION以太網(wǎng)接口

3.1在硬件配置中設(shè)定以太網(wǎng)接口
在SCOUT界面中點擊SIMOTION CPU，右鍵點擊“Open HW configuration”進入硬件配置界面,，例如D435,，X120和X130為以太網(wǎng)接口，雙擊選擇的通信接口,，在彈出的界面中定義IP地址和子網(wǎng)掩碼,，如圖9所示：

圖9 設(shè)定通信接口

注意：
即使建立兩條以太網(wǎng),，兩個以太網(wǎng)通信接口不能設(shè)置在相同的網(wǎng)段中或相同的IP地址。

3.2 在線聯(lián)機設(shè)定以太網(wǎng)接口
將編程器連接到SIMOTION 以太網(wǎng)接口上,，在控制面板“Setting the PG/PC Interface”接口中將訪問點指向使用的編程網(wǎng)卡例如“S7ONLINE（STEP7）->TCP/IP -> Intel(R) PRO/1000 MT ”,。打開SIMATIC Manager，使用菜單命令“PLC”->“Edit Ethernet Nodes”在界面中選擇“Browse”鍵瀏覽網(wǎng)絡(luò)上所有的站點,，如圖10所示：

圖10 瀏覽網(wǎng)絡(luò)上的站點

每一個接口在硬件的前面板標(biāo)有網(wǎng)卡的MAC地址,，選擇站點，在“Edit Ethernet Nodes”界面中設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼,，點擊“Assign IP Configuration”鍵傳送設(shè)定的命令,。如圖11所示：

圖11設(shè)置站點地址

IP地址設(shè)置完成后，可以使用以太網(wǎng)接口編程,。

4．編寫通信程序
通過以太網(wǎng)進行站點間的通信有兩種方式：1）UDP,；2)TCP。

4.1 UDP通信方式
UDP通信協(xié)議不需要在通信前建立連接,，在發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)報文中帶有通信方的IP地址和端口號,。通信函數(shù)存儲于在“Communication”->“Data transfer”目錄下，在發(fā)送方調(diào)用發(fā)送函數(shù)的示例程序如圖12所示（使用LAD編寫）：

圖12 UDP發(fā)送程序

發(fā)送函數(shù)參數(shù)解釋如下：
SourcePort
發(fā)送方的端口號,，數(shù)據(jù)類型UINT,，例如2001。

DestinationAddress
接收方的IP地址,，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組,，ARRAY [0..3] OF USINT，在4個字節(jié)中輸入接收方的IP地址,，例如192,、168、0,、122,，表示IP地址為192.168.0.122。

DestinationPort
接收方的端口號,，數(shù)據(jù)類型UINT,，例如2000。

CommunicationMode
通信模式,，“EnumUdpCommunicationMode”枚舉數(shù)據(jù)類型,，有兩種選擇:
(1)“CLOSE_ON_EXIT”，通信完成后釋放通信資源,；
(2) “DO_NOT_CLOSE_ON_EXIT”,， 通信完成后仍占用通信資源。

DataLength
發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)類型UDINT,，最大長度1400字節(jié),。

Data
發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組,，ARRAY [0..1399] OF BYTE。

OUT
發(fā)送函數(shù)狀態(tài)信息,，數(shù)據(jù)類型DINT,。
在數(shù)據(jù)接收方調(diào)用接收函數(shù)的示例程序如圖13所示：

圖13 UDP接收程序

接收函數(shù)參數(shù)解釋如下：
Port
定義本方的端口號，數(shù)據(jù)類型為UINT,。定義的端口號必須與發(fā)送方參數(shù)“DestinationPort”的端口號相同,。

CommunicationMode
通信模式，與發(fā)送函數(shù)通信模式相同,。

NextCommand
枚舉數(shù)據(jù)類型,，元素中包括“IMMEDIATELY ”、“WHEN_COMMAND_DONE”和“ABORT_CURRENT_COMMAND”,。
“IMMEDIATELY”：接收命令與后續(xù)所要執(zhí)行的命令同步執(zhí)行,。
“WHEN_COMMAND_DONE”：接收命令執(zhí)行或失敗后執(zhí)行后續(xù)的命令，異步執(zhí)行,。
“ABORT_CURRENT_COMMAND”：終止當(dāng)前的任務(wù)后執(zhí)行執(zhí)行后續(xù)的命令,。

ReceiveVariable
數(shù)據(jù)接收區(qū)，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組,，ARRAY [0..1399] OF BYTE,。

OUT
接收函數(shù)信息，包括接收數(shù)據(jù)的源地址和端口,、狀態(tài)信息等,，數(shù)據(jù)類型為結(jié)構(gòu)體，接收函數(shù)信息參考表1：

表1：接收函數(shù)信息

4.2 TCP通信方式
TCP通信方式在發(fā)送接收數(shù)據(jù)前必須建立通信連接,，連接需要在通信雙方編程建立,。主動連接的一方作為客戶端，被動連接的一方作為服務(wù)器,。下面以SIMOTION D435與S7-300 CP343-1通信為例介紹TCP通信方式,。

4.2.1在PLC側(cè)建立通信連接
在STEP7項目下創(chuàng)建S7-300站點，插入以太網(wǎng)通信處理器CP343-1,，選擇與SIMOTION在相同的網(wǎng)絡(luò)上,。在NETPRO中點擊CPU，在下面的連接表中插入一個連接如圖14所示：

銷售西門子RS485DP接頭
圖14 建立TCP連接

連接的站點選擇“Unspecified”,，連接方式選擇“TCP connection”,，點擊“Apply”鍵確認進入連接屬性界面，如圖15所示：

圖14 配置TCP常規(guī)信息

在“General Information”欄中，“Block Parameters”參數(shù)顯示CP343-1的地址及連接號,，這兩個參數(shù)也是PLC調(diào)用發(fā)送和接收通信功能塊賦值參數(shù),。“Active connection establishment”選項決定通信雙方哪一個是主動連（客戶端），哪一個是被動連接（數(shù)據(jù)服務(wù)器）,。選擇該選項為主動連接,，在SIMOTION 側(cè)需要調(diào)用函數(shù)“_tcpOpenServer”與PLC建立連接，如果沒有選擇該選項為被動連接,，在SIMOTION 側(cè)需要調(diào)用函數(shù)“_tcpOpenClient” 與PLC建立連接,。本例中選擇PLC為數(shù)據(jù)服務(wù)器，SIMOTION為客戶端,。
點擊“Address”欄配置SIMTION的IP地址及端口號,，如圖15所示：

圖15 配置通信方IP地址

配置完成后將配置選項下載到PLC中。

4.2.2在SIMOTION側(cè)建立通信連接
與PLC在NETPRO中創(chuàng)建連接不同,，在SIMOTION側(cè)需要調(diào)用函數(shù)建立連接,，通信函數(shù)存儲于在“Communication”->“Data transfer”目錄下，函數(shù)調(diào)用的示例程序參考圖16：

圖16 SIMOTION側(cè)建立TCP連（客戶端）

函數(shù)參數(shù)解釋如下：
Port
SIMOTION 端口號,，數(shù)據(jù)類型UINT,，在NETPRO中定義為2001。

ServerAddress
PLC的IP地址,，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組,，ARRAY [0..3] OF USINT，在4個字節(jié)中輸IP地址,，例如192,、168、1,、112,，表示IP地址為192.168.1.112。

ServerPort
PLC的端口號,，數(shù)據(jù)類型UINT,，例子程序中在NETPRO定義為2000。

NextCommand
枚舉數(shù)據(jù)類型,，元素中包括“IMMEDIATELY ”,、“WHEN_COMMAND_DONE。
“IMMEDIATELY”：接收命令與后續(xù)所要執(zhí)行的命令同步執(zhí)行,。
“WHEN_COMMAND_DONE”：接收命令執(zhí)行或失敗后執(zhí)行后續(xù)的命令,，異步執(zhí)行。

OUT
調(diào)用函數(shù)返回信息,，包括調(diào)用狀態(tài)和連接號,。數(shù)據(jù)類型為結(jié)構(gòu)體（StructRetTcpOpenClient）,，返回信息參考表2：

表2：TCP 客戶端連接函數(shù)返回信息

連接函數(shù)調(diào)用一次,，得到連接號后停止調(diào)用。
注意：此函數(shù)調(diào)用需用上升沿信號進行使能,。

4.2.3在PLC側(cè)編寫通信程序
通信連接建立后,，在通信雙方需要編寫通信函數(shù)或通信功能塊。在S7-300 PLC側(cè)OB35中（間隔發(fā)送）調(diào)用發(fā)送功能塊FC5 AG_SEND(“Libraries”->“Standard Library”->“SIMATIC_NET_CP”->“CP300”,，示例程序如下：

CALL "AG_SEND"
ACT :=TRUE
ID :=1
LADDR :=W#16#100
SEND :=P#DB1.DBX 0.0 BYTE 60
LEN :=60
DONE :=M1.2
ERROR :=M1.3
STATUS:=MW2

通信函數(shù)FC5的參數(shù)含義：

ACT ：為1觸發(fā),。
ID ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù)。
LADDR ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù),。
SEND : 發(fā)送區(qū)。最大通信數(shù)據(jù)為8192字節(jié),。與SIMOTION之間最大4096個字節(jié),。
LEN : 實際發(fā)送數(shù)據(jù)長度。
DONE ：每次發(fā)送成功,，產(chǎn)生一個上升沿,。
ERROR ：錯誤位。
STATUS：通訊狀態(tài)字,。
示例程序中S7-300 PLC發(fā)送DB1中前60個字節(jié),。

在通信方CPU OB1中調(diào)用接受函數(shù)FC6 AG_RECV(“Libraries”->“Standard Library”->“SIMATIC_NET_CP”->“CP300”，示例程序如下：

CALL "AG_RECV"
ID :=1
LADDR :=W#16#100
RECV :=P#DB2.DBX 0.0 BYTE 60
NDR :=M10.1
ERROR :=M10.2
STATUS:=MW12
LEN :=MW14

通信函數(shù)FC6的參數(shù)含義：
ID ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù),。
LADDR ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù),。
RECV : 接收區(qū)。接收區(qū)應(yīng)等于發(fā)送區(qū),。
NDR : 每次接收到新數(shù)據(jù),，產(chǎn)生一個上升沿。
ERROR ：錯誤位,。
STATUS：通訊狀態(tài)字,。
LEN : 實際接收數(shù)據(jù)長度。
示例程序中S7-300 PLC將接收的數(shù)據(jù)存儲于本地數(shù)據(jù)區(qū)DB2的前60個字節(jié)中,。

4.2.4在SIMOTION側(cè)編寫通信程序
在PLC側(cè)調(diào)用發(fā)送和接收功能塊,，在SIMOTION側(cè)相應(yīng)調(diào)用發(fā)送和接收函數(shù)與之相匹配，通信函數(shù)存儲于在“Communication”->“Data transfer”目錄下,，發(fā)送函數(shù)調(diào)用的示例程序參考圖17,，發(fā)送函數(shù)與PLC的接收功能塊相匹配。

圖17 調(diào)用發(fā)送函數(shù)

發(fā)送函數(shù)參數(shù)解釋如下：

ConnectionId
參考_TcpOpenClient函數(shù)建立的連接,。

NextCommand
枚舉數(shù)據(jù)類型,，元素中包括“IMMEDIATELY ”、“WHEN_COMMAND_DONE。
“IMMEDIATELY”：接收命令與后續(xù)所要執(zhí)行的命令同步執(zhí)行,。
“WHEN_COMMAND_DONE”：接收命令執(zhí)行或失敗后執(zhí)行后續(xù)的命令,，異步執(zhí)行。

DataLength
發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)長度,，數(shù)據(jù)類型為UDINT,，例子中為60，發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)Data中前60個字節(jié),。

Data
發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū),，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組，ARRAY [0..4095] OF BYTE,。

OUT
輸出通信狀態(tài),，數(shù)據(jù)類型為DINT。

接收函數(shù)調(diào)用的示例程序參考圖18,，接收函數(shù)與PLC的發(fā)送功能塊相匹配,。

圖18 調(diào)用接收函數(shù)

接收函數(shù)參數(shù)解釋如下：

ConnectionId
參考_TcpOpenClient函數(shù)建立的連接。

NextCommand
枚舉數(shù)據(jù)類型,，元素中包括“IMMEDIATELY ”,、“WHEN_COMMAND_DONE。
“IMMEDIATELY”：接收命令與后續(xù)所要執(zhí)行的命令同步執(zhí)行,。
“WHEN_COMMAND_DONE”：接收命令執(zhí)行或失敗后執(zhí)行后續(xù)的命令,，異步執(zhí)行。

ReceiveVariable
數(shù)據(jù)接收區(qū),，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組,，ARRAY [0..4095] OF BYTE，最大4096字節(jié),。

OUT
調(diào)用函數(shù)返回信息,，包括調(diào)用狀態(tài)和接收的字節(jié)數(shù)量。數(shù)據(jù)類型為結(jié)構(gòu)體（StructRetTcpReceive）,，返回信息參考表3：

表3： 接收函數(shù)返回信息

注意：
PLC的接收區(qū)和發(fā)送區(qū)必須與SIMOTION的接收區(qū)和發(fā)送區(qū)相同,。

UDP示例程序參考附帶文件“SIMOTION_UDP”.ZIP
TCP示例程序參考附帶文件“SIMOTION_TCP”.ZIP