工業(yè)數(shù)字化實(shí)踐:西門子PLC多層次通信方案介紹

1.1概述

通常自動(dòng)化“金字塔”是用于描述工業(yè)環(huán)境中工廠的不同自動(dòng)化水平。本文介紹自動(dòng)化“金字塔”中各層級(jí)與S7 PLC控制器的各種通信方式。通過(guò)對(duì)通信協(xié)議和通信類型進(jìn)行概述，介紹這些通信協(xié)議和通信類型如何將控制器連接到自動(dòng)化“金字塔”中的各個(gè)層級(jí)。

自動(dòng)化“金字塔”

從現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)的分布式IO、驅(qū)動(dòng)器等一步步提升到云級(jí)層級(jí)，不同層級(jí)有著類似存儲(chǔ)解決方案需求和其他一些應(yīng)用程序需求。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)

在現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)，除了眾所周知的PROFINET和PROFIBUS協(xié)議之外，還存在一些其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，這些總線系統(tǒng)有些對(duì)于S7 PLC控制器是直接支持，有些需要使用西門子產(chǎn)品組合的不同網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品支持。

除了標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)外，S7 PLC 控制器還支持多個(gè)其他總線系統(tǒng)，通過(guò)PN/*-鏈路模塊將這些總線轉(zhuǎn)換為PROFINET IO。這些PN/*鏈路模塊就像標(biāo)準(zhǔn)IO設(shè)備一樣由IO控制器處理，最終，其他總線系統(tǒng)連接的傳感器、執(zhí)行器、電機(jī)或任何其他設(shè)備，就像使用SIMATIC控制器下的標(biāo)準(zhǔn)IO設(shè)備一樣使用。

西門子總線系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是連接的整個(gè)配置都是可以在TIA博途中完成。例如CAN、BACnet等在TIA 博途中存在對(duì)應(yīng)設(shè)置的參數(shù)界面。另外的優(yōu)點(diǎn)是來(lái)自其他現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備診斷現(xiàn)在也是PROFINET診斷的一部分。如果這些總線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，PROFINET也會(huì)接收到診斷警報(bào)。

西門子總線系統(tǒng)連接方案

第三方總線系統(tǒng)連接方案

各種總線系統(tǒng)

在上圖中可以看到不同總線系統(tǒng)的概述，這些系統(tǒng)可以通過(guò)鏈路模塊或通信模塊連接到PROFINET。在左上方可以看到IO-Link和AS-i接口。它們都可以通過(guò)CMs進(jìn)行連接，CMs可用于西門子分散和中央外圍模塊（如ET 200SP）的不同系統(tǒng)。

· IO-Link主要用于工廠自動(dòng)化中的智能傳感器和執(zhí)行器。

· AS-i接口則用于過(guò)程、建筑和工廠自動(dòng)化等不同行業(yè)中的傳感器和執(zhí)行器。

其他總線都可通過(guò)PN/*鏈路模塊連接。這些鏈路模塊的外觀類似于S7-1200

·CAN總線主要應(yīng)用于汽車等特殊領(lǐng)域，例如在汽車中控制不同的電機(jī)和傳感器

數(shù)據(jù)，同時(shí)也作為一種廉價(jià)的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于不同的自動(dòng)化系統(tǒng)中。

· BACnet適用于在建筑、船舶和空調(diào)系統(tǒng)中使用。

· M-Bus主要用于樓宇自動(dòng)化，特別是用于能源采集和消耗傳感器。

SAEJ1939作為重型車輛、船舶和發(fā)電系統(tǒng)中傳感器的非常堅(jiān)固的總線。

1.3控制器層級(jí)

正如前面看到的，使用S7 PLC控制器有許多可能性將其連接到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備?，F(xiàn)在離開場(chǎng)層級(jí)繼續(xù)來(lái)到控制器層級(jí)?？刂破髦g實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸信息，比如通過(guò)開放式用戶通信，這使得西門子S7 PLC控制器與所有自動(dòng)化系統(tǒng)通信成為可能。

自動(dòng)化“金字塔”的控制層級(jí)

對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，PROFINET標(biāo)準(zhǔn)中有一個(gè)可選功能，即I-Device。

此功能允許S7控制器同時(shí)作為IO設(shè)備和IO控制器，因此允許C2C通信。

如下圖所示，I-Devices可以處理從屬IO設(shè)備，并將其作為自己的IO設(shè)備。

PROFINETI-Device通信

最后，可以在IO控制器之間交換RT數(shù)據(jù)。除了通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)PROFINET行為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)外，還可以交換PROFINET數(shù)據(jù)記錄，以便通過(guò)ROFINET優(yōu)先級(jí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸更多數(shù)據(jù)。

還可以使用I-Device功能在控制器之間交換安全數(shù)據(jù)，以傳遞安全信號(hào)，如緊急停止或安全相關(guān)的光屏障。

接著以三個(gè)例子來(lái)介紹一下開放用戶通信：

· TCP協(xié)議，它可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)基于TCP更多的應(yīng)用層協(xié)議。例如，HTTP、MQTT、FTP等。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和不同加密方法還可實(shí)現(xiàn)TCP安全的可能性。在TCP中實(shí)現(xiàn)了許多適合于線路控制的協(xié)議。

· UDP協(xié)議，這是一種基于消息的輕量級(jí)協(xié)議，它還包含多播功能的可能性，用于向定義的收件人組發(fā)送例如報(bào)警消息。

· Modbus協(xié)議，這是一個(gè)廣泛被使用的協(xié)議，許多制造商為其制造控制器和設(shè)備。Modbus可用于基于TCP或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

所有這些協(xié)議均可以默認(rèn)在S7控制器中實(shí)現(xiàn)，并且可以與TIA博途中的功能塊一起使用。

TCP、UDP和Modbus協(xié)議

1.4 操作和管理層層級(jí)和云級(jí)

控制層級(jí)以上討論的是MES、SCADA或其他不同的管理和工程系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在歷史上更受IT控制，因此大多數(shù)系統(tǒng)都基于PC或服務(wù)器架構(gòu)之上。未來(lái)將出現(xiàn)像Industrial Edge這樣的網(wǎng)關(guān)，它將處理來(lái)自下級(jí)的數(shù)據(jù)，并將它們作為預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭@些系統(tǒng)。

然而，也有一些協(xié)議可用于直接與這些系統(tǒng)通信，如用于Web服務(wù)器訪問(wèn)的HTTP、用于線路集成的OPC UA和用于程序下載、診斷、配置和許多其他目的的西門子S7協(xié)議。

自動(dòng)化“金字塔”的操作和管理層級(jí)

對(duì)于從設(shè)備到管理和操作層級(jí)的連接，有西門子Opcenter Connect。此產(chǎn)品可以使用不同的通信驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)議來(lái)從機(jī)器中獲取需要的數(shù)據(jù)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，Opcenter包含OPC UA、HTTP或S7協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序。

OPCUA與PROFINET在工廠中完美配合

Opcenter是西門子的MES解決方案，為工廠的數(shù)字化提供不同的功能，如：

·高級(jí)計(jì)劃和調(diào)度

·制造執(zhí)行

·質(zhì)量管理

·制造智能與性能

·研究、開發(fā)和實(shí)驗(yàn)室

西門子Opcenter

在自動(dòng)化金字塔的最后一個(gè)層級(jí)，云級(jí)，這里簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)級(jí)別中最常用的協(xié)議：MQT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）。

當(dāng)前MQTT已經(jīng)成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主導(dǎo)協(xié)議，得到了廣泛的關(guān)注。Eclipse Mosquitto 提供了MQTT協(xié)議的輕量級(jí)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，適用于從全功率機(jī)器到嵌入式和低功率機(jī)器的所有情況。

通過(guò)這個(gè)協(xié)議， S7 PLC控制器具有直接連接到云系統(tǒng)的可能性。西門子產(chǎn)品組合中也具有不同的產(chǎn)品和解決方案，具體選擇取決實(shí)際需求。

下圖是西門子SIMATIC產(chǎn)品連接到云的可行的方案：

通過(guò)SIMATIC控制器中的功能塊實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議

通過(guò)CC系列網(wǎng)關(guān)連接SIMATIC控制器到云級(jí)

1.5總結(jié)

從上面的內(nèi)容可以看出，西門子SIMATIC控制器具有多樣的通信方案，連接自動(dòng)化“金子塔”中的各個(gè)層級(jí)。其提供的不僅僅是用于控制所有類型機(jī)器和工廠的強(qiáng)大硬件，也是垂直 OT/IT 與 各層設(shè)備通信的重要中樞。人工智能和邊緣等未來(lái)技術(shù)也被集成和融合到SIMATIC控制器中。這使得 SIMATIC 控制器成為創(chuàng)新通信解決方案的完美基礎(chǔ)，是全集成自動(dòng)化的最重要的組成部分。

審核編輯 ：李倩