兰州西门子S7-200代理商

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如果把金字塔结构与NBS模型或ISO模型比较一下，就会发现，PLC及其网络发展到现在，已经能够实现NBS模型/ISO模型要求的大部分功能，至少可以实现4级以下的功能。

PLC要提供金字塔功能或者说要实现NBC/ISO模型要求的功能，采用单层子网显然是不行的。因为不同层次实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，导致他们对通信的要求也就不一样。在上层所传送的主要是些生产管理信息，通信报文长，每次传输的信息量大，要求的通信的范围也比较广，但对通信实时性的要求却不高。而在底层传送的主要是过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及可靠性的要求比较高。中间层对通信的要求正好居于两者之间。 

由于各层对通信的要求相差甚远，如果采用单级子网，只配置一种通信协议，势必顾此失彼，无法满足所有各层通信的要求。只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求。

PLC网络的分级与生产金字塔的分层不是一一对应的关系，相邻几层的功能，若对通信要求相近，则可合并，有一级子网去实现。采用多级复合结构不仅使通信具有适应性，而且具有良好的可扩展性，用户可以根据投资情况及生产的发展，从单台PLC到网络，从底层向高层逐步扩展。下面具几个有代表性公司的PLC网络。

一、A-B公司的PLC网络

A-B公司是大的PLC制造商，占据全美市场份额45%。图1表示了A-B公司的PLC网络，采用的是3级总线复合型拓扑结构。底一级为远程I/O系统，负责收集现场信息，驱动执行器，在远程I/O系统中配置周期I/O通信机制。中间一级为高速数据通道DH+（或DH，DHⅡ），负责过程监控，在高速数据通道中配置令牌总线通信协议。高一级可选用Ethernet（以太网）或者MAP网，这一级负责生产管理。在Ethernet网中配置以太网协议，在MAP网中配置MAP规约。

图1 A-B公司的PLC网络

二、SIEMENS公司的PLC网络

西门子公司是欧洲大的PLC制造商，在大中型PLC市场上，西门子与A-B公司的产品齐全。图2表示了西门子公司的S7系列PLC网络，采用3级总线复合型结构，底一级为远程I/O链路，负责与现场设备通信，在远程I/O链路中配置周期I/O 通信机制。中间一级为Profibus现场总线或主从式多点链路。前者是一种新型现场总线，可承担现场、控制、监控三级的通信，采用令牌方式与主从轮询相结合的存取控制方式；后者是一种主从式总线,采用主从轮询使通信。高一层为工业以太网，负责传送生产管理信息。在工业以太网通信协议的下层中配置以802.3为核心的以太网协议，在上层向用户提供TF接口，实现AP协议与MMS协议。

图2 SIEMENS公司的S7系列PLC网络

三、MODICON公司的PLC网络

20世纪90年代初德国奔驰集团属下的AEG公司全资收购了MODICON公司，现在称之为AEG-MODICON。MODICON的PLC产品在美国市场上所占份额居第二位。图3表示了AEG-MODICON的PLC网络，采用了3级总线复合型的拓扑结构。其高一级为Ethernet或MAP网，分别配置Ethernet（DECent）协议及MAP规约，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O方式通信，负责PLC与现场设备的通信。中间一级为Modbus+或者Modbus网，配置Modbus协议，采用主从方式通信。

图3 AEG-MODICON公司的PLC网络

四、松下电工公司的PLC网络

日本松下电工公司推出的FP系列PLC是世界PLC市场上的一匹黑马，大有后来居上之势.图4表示了松下电工公司的PLC网络,这是一种4级子网的复合型网络，即可采用总线/总线/总线/总线4级复合，也可采用总线/总线/环/总线4级复合。 copyright plc资料网

松下电工的PLC网络高一级为以太网，配置以太网协议，可与商用以太网互联，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O通信方式与现场设备交换信息。中间两级负责过程监控，无论环形还是总线型，其应用层均采用MEWTOCOL协议。

图4 松下电工公司的PLC网络

五、GE-FANUC公司的PLC网络

近美国的通用电气公司（GE）与日本的数控FANUC公司合并成立了GE-FANUC公司，其PLC产品在美国市场所占份额居第三位。GE-FANUC的PLC网络产品是在标准化方面进展快的产品，图5表示了GE-FANUC的PLC网络。

图5 GE-FANUC公司的PLC网络

由图5可见，GE-FANUC的公司PLC网络有两种结构。一种是右侧的4级总线复合型拓扑结构，一种是左侧的2级总线复合型拓扑结构。

GE-FANUC的公司PLC网络高一级子网为GEnet MAP宽带局域网，采用全MAP3。0协议，通信速度高达10Mb/s，用于传输生产管理信息。

Genius网是GE 2级结构的底层子网，他相当于系统90-70可编程控制器的远程I/O链路，负责与现场单元交换数据，采用GE-FANUC专用协议。

GE 4级复合结构的第3级子网为GEnet MMS Ethernet网或者GEnet MAP载带网，前者采用Ethernet协议，后者采用MAP3.0协议。第2级为CCM网，采用GE的CCM专用协议及RTU协议，按主从方式通信，第1级子网为SNP望，这是一条多点链路，采用SNP协议，按主从方式工作。

从上述五家有代表性的公司的PLC网络结构分析中可以清楚地看到，PLC网络采用复合型拓扑结构，大多数由3级总线或4级总线复合而成。

一、自动化的发展

若干年前自动化应用主要关注的是控制技术，那时候的工程师们主要依靠电力继电器来发展自动化应用。然而，经济的增长要求那些关心控制技术发展的工程师增加对大规模产品和质量的更高程度的关心。作为被关注的这个变化中的一部分，开发出了不可编程的逻辑控制器。但是自动化工程师们很快发现， 这些设备 的不可编程特性，给设计真正的自动化系统带来了难处。因为这个，就发明了PLC（可编程逻辑控制器）PLC被设计为独立进行操作，但是它同时还提供了一个控制端口，来与计算机进 行连接和配置。从PLC这个简短的历史可以看出，自动化的发展更关注的是 控制技术，而不是通讯技术。 http://www.plcclub.com

然而，在近的十年中，系统的规模越大，建立这个系统的花费也更昂贵。在自动化系统中，应用了不同的通讯技术，比如Fieldbus，Ethernet和Profibus。控制工程师们开始考虑将所有的设备连接到一个平台下的可能性，这样就可以直接从所有的设备收集信息，而不需要协议之间的转换。从这个道理来看，通讯和网络成为未来发展的重要的部分。将设备网络化带来了众多的好处，其中包括：增加了数据分析，性价比，提高了通讯的质量，增长了生产力。 Ethernet是目前为流行的网络技术！

二、整合以太网技术的PLC以太网会带来什么好处呢？

首先，很多的工程师对以太网都比较熟悉。这样他们就不需要花费额外的 时间来学习新技术。其次， 以太网的 协同工作能力可以方便的与商业应用进行连接，如 ERP和CIM，可以跨越距离通过广域网来进行远程控制。再次，利用不同的媒介，比如无线，光纤，交换机，可以实现以太网的冗余应用。后，以太网的带宽未来将可以 从10M达到10G。

有了上面这些好处，控制工程师将会乐意采用以太网技术来进行他们的自动化应用，通过以太网来连 接他们的PLC。在自动化技术中采用以太网技术的趋势被称作“工业以太网”。 http://www.plcclub.com

典型应用和以太网的拓扑网络是星形拓扑：

从上图我们可以看到，PLC直接与工业以太网交换机相连接。交换机提供了可靠的控制网络，特别是他们的坚固的设计，无风扇特性和高MTBF来确保连续的操作。此外，如果需要更加可靠的媒介连接， 您可以建立双星形网络拓扑来实现媒介的冗余，如下图所示：

尽管系统有了媒介冗余，特别是使用了光纤之后，费用将会更多。为了解决这个两难的局面，环形拓扑就出现了。

三、什么是冗余的以太环网？为什么我们需要恢复的时间少于1秒？

单环拓扑为系统提供了冗余，并且隔离了通讯的错误。在使用工业以太网交换机时，以太冗余环网将自动的修复连接。这种类型的基础构架性价比更高，但是却与双星形拓扑网络有着同样效果的媒介冗余。此外，它的恢复时间少于1秒，这为网络的稳定性提供了保障。

四、别的冗余系统

我们将如何为PLC应用建立一个别可靠性的冗余系统呢？在工业以太网应用中，重要的是网络的可靠性。控制工程师们可以通过双环网上的RJ45端口来将设备连接到两个独立的环上，从而建立个双环网实现别的冗余，来同时提供服务器的冗余，媒介的冗余和设备的冗余。

五、应用

• 变电站

• 金属加工厂的过程控制和生产管理

• 钢铁厂的过程控制和生产管理

• 化工厂的过程控制和生产管理

• 食品厂的过程控制和生产管理

• 半导体工厂的生产管理

• 采矿业

• 天然气/石油工业

• 水/污水处理 自动化工厂

• 其他的PLC应用

在PLC及其网络中存在两类通信：一类是并行通信，另一类是串行通信，并行通信一般发生在可编程序控制器的内部，它指的是多处理器PLC中多台处理器之间的通信，以及PLC中CPU单元与智能模板的CPU之间的通信。前者是在协处理器的控制与管理下，通过共享存储区实现多处理器之间的数据交换；后者则是经过背板总线（公用总线）通过双口RAM实现通信。PLC的并行通信由于发生在PLC内部，对应用设计人员不必多加研究，重要的是了解PLC网络中的串行通信。

PLC网络是由几级子网 复合而成，每级子网中都配置不同的协议，其中大部分是各公司的专用通信协议。

各级子网的通信过程是由通信协议决定的，从根本上讲，要搞清楚某级PLC子网的通信就必须彻底剖析它采用的通信协议，这个工作量很大，更何况大多数又都是各个公司的专用协议，繁琐的协议规定常会掩盖问题的本质，通常会遇到这样的情况：两个公司的两种专用协议，从协议的规定、帧格式等表面现象看可能有明显得不同，然而他们关于如何实现通信的思路却极为相似，如出一辙。 抓住他们的同一性，就会把表面上孤立无关的事务串联起来，正是基于这样一种思想，我们引入了“通信方法”这一概念。

PLC网络的各级子网无论采用总线结构、还是环形结构，他的通信介质是共享资源。挂在共享介质上的各站要想通信，首先要解决共享通信介质使用权的分配问题，这就是常说的存取控制或称访问控制。

一个站取得了通信介质使用权，并不等用完成了通信过程，还有怎样传送数据的问题，这就是常说的数据传送方式，比如说采用的数据传送方式是否先建立一种 逻辑连接，然后再传送？所采用的数据传送方式发给对方的数据是否要对方应答？发出去的数据是由一个站收，或者多个站收，还是全体接收？诸如此类就是所谓的数据传送方式。

这里所谓的通信方法=存取控制方式＋数据传送方式。本来存取控制方式与数据传送方式都是通信协议有关层次的内容，这里专门把他们抽出来加以介绍。是因为用它们来描述一种通信过程与人们意念上有关的概念非常接近。对于局域网来说，存取控制方式与数据传送方式是其通信协议Zui核心的内容。

工业局域网对实时性是有要求的，各级子网对实时性的的要求不同，通常越靠底层的子网对实时性要求越高，越靠近上层的子网对实时性的要求越低。 copyright plc资料网

实时性通常采用“响应时间”来定量描述。响应时间是指某一系统对输入作出响应所需的时间，以ms、s、min，h为计量单位。响应时间很短，就标志着系统的实时性越好。

PLC网络中，各站通过通信子网互联在一起，当某站对子网请求通信时，他对响应是时间是有要求的，不同站对实时性的要求可能不同，同一站不同通信任务对实时性的要求也可能不同。一项通信任务的实时性得到满足是指其响应时间小于规定的时限；一个站的实时性合乎要求是指该站提出的所有通信任务在指定的时限内都能获得响应。整个通信子网的实时性符合要求是指分布在子网上每一个站的每项通信任务的实时性均得到保证。

要保证PLC网络的实时性必须满足下列三个时间约束条件：

1、必须限定每个站每次取得通信权的时间上限制，以防止某一站长时间霸占子网而导致其他各站实时性恶化。

2、应当保证在某一固定的时间周期内，通信子网上的每个站都有机会取得通信权，这将为每个站提供基本实时性。

3、对于重要的站可优先服务，对某项紧急通信任务应当给予优先处理，应当可以用静态（固定）的方式赋予某站以较高的优先权，应当可以用动态（临时）方式赋予某些紧急任务以较高的优先权。

PLC网络的实时性首先是由它所选用的存取控制方式来保证的。此外提高实时性还可以通过减少通信协议的层数来实现，一般靠近底层的子网采用只包含3层通信协议的他塌缩结构。这正是为了提高实时性。另外选择适当的数据传送方式对于提高实时性有明显的效果，发送数据要求对方答应，比无 应答服务慢的多，要求连接又要有应答的服务则更慢，而广播式通信Zui快。当然不能只考虑实时性，还要考虑可靠性。

可编程控制器的远程I/O链路就是一种PLC控制网络，在远程I/O链路中采用“周期I/O方式”交换数据。远程I/O链路按主从方式工作，可编程控制器带的远程I/O主单元在远程I/O链路中担任主站，其他远程I/O单元皆为从站。在主站中设立一个“远程I/O缓冲区”，采用信箱结构，划分为n个分箱与每一个从站一一对应，每个 分箱再分为两格，一格管发送，一个管接收。主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式，按顺序与各从站交换数据，把与其对应的分箱中发送分格的数据送给从站，从从站中读取数据存入与其对应的分箱的接收分格中，这样周而复始，是主站中的“远程I/O缓冲区”得到周期性的刷新。