工业数字化实践:西门子PLC多层次通信方案介绍

写在前面

前面我们整体解读了工业现场总线、工业以太网和工业无线：

最详细的工业网络通讯技术与协议总结解读（现场总线、工业以太网、工业无线）

也解读了PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT等7种主流工业以太网：

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同时还介绍了各种工业协议与工业网络相关的知识：

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今天我们来聊一聊工业数字化实践之西门子PLC多层次通信方案介绍~

1.1 概述



通常自动化“金字塔”是用于描述工业环境中工厂的不同自动化水平。本文介绍自动化“金字塔”中各层级与S7 PLC控制器的各种通信方式。通过对通信协议和通信类型进行概述，介绍这些通信协议和通信类型如何将控制器连接到自动化“金字塔”中的各个层级。



自动化“金字塔”

从现场层级的分布式IO、驱动器等一步步提升到云级层级，不同层级有着类似存储解决方案需求和其他一些应用程序需求。

1.2 现场层级



在现场层级，除了众所周知的PROFINET和PROFIBUS协议之外，还存在一些其他现场总线系统，这些总线系统有些对于S7 PLC控制器是直接支持，有些需要使用西门子产品组合的不同网关产品支持。

除了标准总线系统外，S7 PLC 控制器还支持多个其他总线系统，通过PN/*-链路模块将这些总线转换为PROFINET IO。这些PN/*链路模块就像标准IO设备一样由IO控制器处理，最终，其他总线系统连接的传感器、执行器、电机或任何其他设备，就像使用SIMATIC控制器下的标准IO设备一样使用。

   

西门子总线系统的一个优点是连接的整个配置都是可以在TIA博途中完成。例如CAN、BACnet等在TIA 博途中存在对应设置的参数界面。另外的优点是来自其他现场总线的设备诊断现在也是PROFINET诊断的一部分。如果这些总线系统出现故障，PROFINET也会接收到诊断警报。



西门子总线系统连接方案



第三方总线系统连接方案



各种总线系统

在上图中可以看到不同总线系统的概述，这些系统可以通过链路模块或通信模块连接到PROFINET。在左上方可以看到IO-Link和AS-i接口。它们都可以通过CMs进行连接，CMs可用于西门子分散和中央外围模块（如ET 200SP）的不同系统。

· IO-Link主要用于工厂自动化中的智能传感器和执行器。

· AS-i接口则用于过程、建筑和工厂自动化等不同行业中的传感器和执行器。

其他总线都可通过PN/*链路模块连接。这些链路模块的外观类似于S7-1200

· CAN总线主要应用于汽车等特殊领域，例如在汽车中控制不同的电机和传感器

数据，同时也作为一种廉价的现场总线应用于不同的自动化系统中。

· BACnet适用于在建筑、船舶和空调系统中使用。

· M-Bus主要用于楼宇自动化，特别是用于能源采集和消耗传感器。

SAEJ1939作为重型车辆、船舶和发电系统中传感器的非常坚固的总线。

1.3 控制器层级



正如前面看到的，使用S7 PLC控制器有许多可能性将其连接到现场级设备。现在离开场层级继续来到控制器层级。控制器之间实时数据传输信息，比如通过开放式用户通信，这使得西门子S7 PLC控制器与所有自动化系统通信成为可能。



自动化“金字塔”的控制层级

对于实时数据交换，PROFINET标准中有一个可选功能，即I-Device。

此功能允许S7控制器同时作为IO设备和IO控制器，因此允许C2C通信。

如下图所示，I-Devices可以处理从属IO设备，并将其作为自己的IO设备。



PROFINET I-Device通信

最后，可以在IO控制器之间交换RT数据。除了通过标准PROFINET行为传输的数据外，还可以交换PROFINET数据记录，以便通过ROFINET优先级在网络上传输更多数据。

还可以使用I-Device功能在控制器之间交换安全数据，以传递安全信号，如紧急停止或安全相关的光屏障。

接着以三个例子来介绍一下开放用户通信：

· TCP协议，它可以用来实现基于TCP更多的应用层协议。例如，HTTP、MQTT、FTP等。根据传输的数据量和不同加密方法还可实现TCP安全的可能性。在TCP中实现了许多适合于线路控制的协议。

· UDP协议，这是一种基于消息的轻量级协议，它还包含多播功能的可能性，用于向定义的收件人组发送例如报警消息。

· Modbus协议，这是一个广泛被使用的协议，许多制造商为其制造控制器和设备。Modbus可用于基于TCP或点对点通信。

所有这些协议均可以默认在S7控制器中实现，并且可以与TIA博途中的功能块一起使用。



TCP、UDP和Modbus协议

1.4 操作和管理层层级和云级



控制层级以上讨论的是MES、SCADA或其他不同的管理和工程系统。这些系统在历史上更受IT控制，因此大多数系统都基于PC或服务器架构之上。未来将出现像Industrial Edge这样的网关，它将处理来自下级的数据，并将它们作为预处理数据传输到这些系统。

然而，也有一些协议可用于直接与这些系统通信，如用于Web服务器访问的HTTP、用于线路集成的OPC UA和用于程序下载、诊断、配置和许多其他目的的西门子S7协议。



自动化“金字塔”的操作和管理层级

对于从设备到管理和操作层级的连接，有西门子Opcenter Connect。此产品可以使用不同的通信驱动程序的协议来从机器中获取需要的数据。举个例子来说，Opcenter包含OPC UA、HTTP或S7协议的驱动程序。



OPC UA 与PROFINET在工厂中完美配合

Opcenter是西门子的MES解决方案，为工厂的数字化提供不同的功能，如：

          · 高级计划和调度

          · 制造执行

          · 质量管理

          · 制造智能与性能

          · 研究、开发和实验室



西门子Opcenter

在自动化金字塔的最后一个层级，云级，这里简单介绍一下这个级别中最常用的协议：MQT（消息队列遥测传输协议）。

当前MQTT已经成为工业物联网的主导协议，得到了广泛的关注。Eclipse Mosquitto 提供了MQTT协议的轻量级服务器实现，适用于从全功率机器到嵌入式和低功率机器的所有情况。

通过这个协议， S7 PLC控制器具有直接连接到云系统的可能性。西门子产品组合中也具有不同的产品和解决方案，具体选择取决实际需求。

下图是西门子SIMATIC产品连接到云的可行的方案：



通过SIMATIC 控制器中的功能块实现MQTT协议



通过CC系列网关连接SIMATIC 控制器到云级

1.5 总结



从上面的内容可以看出，西门子SIMATIC控制器具有多样的通信方案，连接自动化“金子塔”中的各个层级。其提供的不仅仅是用于控制所有类型机器和工厂的强大硬件，也是垂直 OT/IT 与 各层设备通信的重要中枢。人工智能和边缘等未来技术也被集成和融合到SIMATIC控制器中。这使得 SIMATIC 控制器成为创新通信解决方案的完美基础，是全集成自动化的最重要的组成部分。

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