1 引言
PLC在工业控制领域以其抗干扰能力强、稳定可靠性高、故障率低而著称，并且在数字运算、模拟量处理、人机接口和网络通讯等方面具有优越的性能。目前在控制网络系统节点计算机的使用上已成为首选的主流控制设备，基于PLC控制系统的控制通讯网络系统在工业控制领域越来越得到用户的青睐。西门子PLC在CPU运算速度、程序执行效率、面向工艺和运动控制的功能集成、实现故障安全的容错和冗余等技术方面具有优良的性能，尤其是在联网通讯能力的硬件和软件的配套技术开发上，就如何解决控制领域的“自动化孤岛”问题上取得了业界公认的成就。
为满足不同层次自动化系统的通讯控制任务的需求，西门子PLC开发的控制网络产品十分丰富，因此，在各方面存在着较大的区别。这给用户在开发西门子PLC控制网络时带来一定的困难。从SS系列PLC,S7-200, S7-300到S7-400，西门子PLC提供了PPI, MPI, Profibus.工业以大网以及AS-i等一系列网络的解决方案，从而实现了从工厂管理层、车间监控层到现场设备层等各种网络层次的通讯需求。
本文通过对西门子PLC网络产品的剖析，提出一些西门子PLC控制网络配置时的选择方法，并着重通过实际应用工程加以说明，给出了相应系统的控制网络的拓扑结构图，介绍了在具体的工程背景下如何根据控制系统的具体情况进行控制网络方案的选择。
2 西门子PLC控制网络类型
2.1 点对点接口(point to point connections)
点对点接口(point to point connections)。自由通讯方式，即可以由用户自己定义通讯协议，它可以使S7-200, 57-300PLC与任何通讯协议公开的其他设备，如:扫描仪、打印机、条码阅读器、控制器、变频器等进行通讯。可以使用的通讯协议有ASCII驱动器、3964{R)和RK512(只适用于部分 CPU)等。
2.2 PPI(point to point interface)网络
PPI(point to point interface)网络。PPI是西门子专为S7-200PLC开发的一种通讯协议，波特率为9.6kb/s,19.2kb/s, 187.5 kb/s，可以通过普通的双芯屏蔽双绞电缆进行联网，通讯接口集成于57-200CPU上。PPI是一种主一从协议，从站不主动发信息，只等待主站的要求，并根据地址信息对要求作出响应。
2.3 MPI(multi-point interface)网络
MPI(multi-point interface)网络。MPI协议是基于西门子内部标准的一种令牌网络通讯协议，也称MPI多点接口。MPI的物理层是RS-485，最大传输速率可达到12Mb/so西门子PLC通过CPU的MPI编程口相互连接以及与上位机网卡的编程口(MPI/DP口)连接即可实现MPI网，PLC通过MPI能同时连接运行STEP?的编程器、计算机、人机界面(HMI)及其它SIMATICS7, M7和C7，同时连接通讯对象的个数与CPU的型号有关。这是一种经济有效的解决方案。
2.4 Profibus网络族
Profibus网络族。Profibus是用于车间级监控和现场层的通讯系统，它符合IEC61158国际标准(是该标准中的类型3), Profibus的物理层是RS-485，最大传输速率可达到12Mb/s。最多可以与127个网络上的节点进行数据交换。网络中最多可以串接10个中继器来延长通讯距离。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合Profibus协议的产品连接到同一条Profibus网络上进行数据通讯。适应不同工程场合的需求，Profibus又由相互兼容的3个部分组成，即Pro2fibus-FMS, Profibus-DP和Profibus-PA。
2.5 工业以太网(indust rial et hernet)
工业以太网(indust rial et hernet)。按照国际标准IEEE802.3，专为工业应用专门设计的通讯网络，使用ISO和TCP/IP通讯协议，能应用工业双绞线、同轴电缆和光缆等进行通讯。它支持广域的开放型网络模型，西门子的工业以太网的传输速率为10Mbs-1/100Mb}s-1，最多1024个网络节点，网络的最大范围为1 JOkm o
AS-i接口。它符合国际标准IEC TG17B和欧洲标准EN50295，又称传感器一执行器接口(act uator sensorinterface)。它是位于自动控制最底层的网络，用来连接有AS-i接口的现场二进制设备，只能传输少量的数据。
3 西门子PLC控制网络解析
3.1 网络解析
在西门子PLC的众多的网络类型中，它们之间功能各异、千差万别，各自都存在着一定的优缺点，但都是为满足不同层次的控制网络的需求而设计的。总体而言，控制网络可以分为两大类;一类是符合国际标准的通讯网络，即工业以太网、Profibus, AS-i接口;另一类是西门子子公司自己开发的专用通讯网络，即MPI, PPI，点对点接口。在用户选择控制网络时，首先考虑的是确定网络的具体类型。
一般说来，符合国际标准的通讯网络，如:工业以太网、Profibus，其传输速度、传输距离和传输容量都远远优于专用通讯网络，并且功能强大，构成网络时的互连互操作性好、灵活性大。但往往需要增加较多的软硬件的设施，一次性投资成本较大，并且技术应用的开发过程也较为复杂。
例如，对于符合国际标准的通讯网络工业以太网是用于管理层和单元层的通讯系统，用于对时间要求不太严格，需要传送大量数据的通讯场合，可以通过网关来连接远程。但是，工业以太网是普通以太网技术在控制网络延伸的产物。采用的是CSMA/CD介质访问控制方式，其本质上是非实时的，不能满足工业自动化领域对通信实时性的要求，因此，工业以太网一直被认为不适合在底层控制网络中使用。又如符合国际标准的通讯网络Profibus，在性能的各方面明显优于PPI和MPI网络，其电气传输距离可达9.6km，若采用光缆传输距离可达90km，传输速率可达12Mb/s。对于非西门子设备要与Profibus控制网络互连，只要该设备支持Profibus的相关协议同时能够提供GSD文件亦可进行通讯。但相对而言，其软硬件投资较大，开发成本较高。MPI通讯是当通讯速率要求不高、通讯数据量不大时采用的一种简单经济的通讯方式。通过它可以构成小型的PLC控制通讯网络，实现PLC之间少量的数据交换，不需要额外的硬件和软件开销就可实现网络化，成本低，用法简单，是西门子PLC一种经济有效的网络解决方案。又如S7-200系列PLC之间利用PPI协议进行通讯时非常方便，不需要额外增加任何软硬件，只用NETR/ NETW两条语句即可进行通讯，但其传输容量和传输速率较低。
3.2 网络功能
西门子PLC控制网络主要能实现以下几种网络通讯功能。
(1)S5兼容通讯。发送i接收口(在Prot7bus场合，经过FDI一实现)主要用来优化S1MA TICSS和S7系列PLC之间的通讯，也可以用于S7系列PLC之间进行通讯。它只能通过Profibus和工业以太网实现。
(2)S7通讯。提供简单、功能强大的通讯任务。S7通讯可通过MPI. Profibus和工业以太网实现，每个任务的有用数据量最大为64k字节。
(3)S7基本通讯。这是S7系列PLC(S7-300, S7-400)CPU中集成的通讯功能软件模块集(SFC)。S7基本通讯由MPI网实现，SFC由用户编程调用。
(4)PG/OP通讯。分别是PG和OP与PLC进行数据通讯来进行组态、编程、监控以及人机交互等操作服务。PPI、MPI、 Profibus和工业以太网等都支持PG/ OP通讯。
(5)标准通讯。由不同的制造商提供的不同类型自动化系统之间(例如PLC与PC之间)的通讯。也可以与装有FMS接口的现场设备进行通讯。对于Profibus网络，标准通讯是指FMS通讯‘它可以实现不同供应商的PLC之间的通讯。
在实际的工程应用中，必须根据控制网络中各节点的硬件的配置情况、通信的数据量、通讯接口的支持能力等因素来确定适宜的通讯功能。以S7-300系列PLC之间联网通讯为例在Profi2bus网络中就可以利用“S7通讯”、“SS兼容通讯”、“标准通讯”等若干种通讯功能来实现。若一般数据量(240字节以内)的通讯任务，就可选择“S5兼容通讯(FDL通讯)”功能而不必选择“S7通讯”(可达到64k字节)。
3.3 网络链接
目前，西门子PLC控制网络主要有如下4种网络通讯接口的连接方式。
(1)PG/PC通讯卡。用于控制网络上PG/PC'侧的连接，它们可以将PCi/PC连接到相应的网络中，其种类较多，选择和使用时一定要特别小公区别它们之间的功能差异。例如C P5613( A2 )是自带微处理器的PCI卡，用于将PC和SIMA TIC编程器连接到Profibus网络上，传输速率最大为12Mb/s, CP仅可以为主站。而CP5614(A2)也是自带微处理器的PC' I卡，也用于将PC和，2MA TIC'编程器连接到Profibus网络上，传输速率最大为13Mb/s，但其CP即可以为主站，也可以为从站。又如CIS511自身不带微处理器，是用于将PG/PC和带PCMCIA槽的笔记本电脑连接到MPl和Profibus网络上。又如CP5611自身不带微处理器的PCI卡，主要用于PLC及网络的编程和组态，是一种单网络协议模式。
(2)PLC的专用通讯模块(处理器)。用于控制网络上PLC侧的连接，它们是智能化的通讯模块，能将PLC连接到相应的网络中去，能大大的减轻PLC的CPU的通讯负担。这些通讯模块(处理器)包含通讯处理器(CP)、接口模块(IM)、接口子模块(IF)。该部分模块(处理器)种类繁多，功能各异，在选择时须要仔细区别。例如在Profibus控制网络中，通讯处理器CP342_;可以将S7-300 PLC连接到Profibus-DP现场总线系统;('P443-5基本通讯处理器可以使S7-400 PL(连接到Profihus网络电EM277通讯模块可将S 7-300 PLC(仅为DP从站)连接到Profibus-DP总线系统。又如l M360/36 I，IM3C,5接口模块(IM)是用于57-300 PLC(CPU314以上)主机架和最多3个扩展机架之间的通讯接口。
(3)PLC主机自身集成的编程接口。西门子S7系列PLC主机上编程接口在控制网络中可以兼作通讯接口，编程通讯只是其通讯的功能之一。例如57-200系列PLC编程接口同时也可以是PPI和MPI控制网络的通讯接口。
(4)PLC主机自身集成的通讯接日。有些机型的西门子PLC主机上除编程接口外，还设计有专用的通讯接口。例如57-300系列PLC中的CPU315-2DP机型，其主机上自身集成有Profi?bus-DP通讯接口，用于连接分布式I/O设备，其DP通讯接口既可以组态为主站，也可以组态为从站。
3.4 传输介质
根据不同的应用类型，多种传输介质可以用于西门子PLC控制网络中。有时在一个控制网络中不同的传输介质可以组合使用，例如Pro2fibus-DP网络的传输介质可以采用以下3种方式:
(1)电气数据传输。可通过标准的圆形截面，带PE或PUR护套、防卤化设计的屏蔽双绞线电缆、地下电缆或专用于防爆区域的特殊电缆来传输数据;
(2)光缆数据传输。通过玻璃或塑料纤维光缆，传输距离可以大为提高，既可以用于户内，也可以用于户外;
(3)无线数据传输。通过比M(红外线链接模块)可以实现15m范围内的无线数据传输。
4 邯郸钢铁应用案例
435烧结电控系统中，将整个控制系统分为主PLC站和两个监控站，PLC主站下有5个远程从站。如图1所示。
图1 钢铁烧结炉电控网络
由图1可见整个PLC网络系统由两级子网组成。由于整个电控系统控制点多、设备分布较为分散、连锁关系复杂多变，根据项目的实际情况采用Profibus-DP的通讯方式，主要承担PLC主站与其各自远程从站E丁200M的通讯任务。主站C P U414-2 D P利用其本身集成的Protibus-DP口连接到Profibus-DP总线上，选择ET200M模块作为远程I/O从站(直接面向现场信号)与Profibus-DP现场总线相连。
而PLC主站及上位机组成监控系统网络，考虑到该控制网络系统通讯的数据量较小站点数较少，通讯距离相对较短，所以确定以MPI方式组成控制网络，虽然MPI每个网段长仅为SOm(通讯速率为187.Skb/s时)，但通过S485中继器的扩展方式通讯距离可以扩展为100m(通讯速率为187.Skb/s时)，完全可以满足该项目远程的监控任务，并且具有较高的性能价格比。若采用符合国际标准的通讯网络，如Profibus网络，虽然性能优越，通用互连性好，但其硬件组态成本投资较高，技术开发难度加大，从实用性和经济性上考虑，不采用符合国际标准的通讯网络。上位PC机通过CPS6日网卡与主站PLC连接，并通过WinCC'组态软件进行组态，主要完成整个系统的现场监控终端数据的实时采集、监测、控制、数据存储、数据查询和报警等功能。
5 结束语
西门子PLC控制网络体系结构复杂，其能提供的网络产品(包含软件和硬件)十分丰富。有的控制网络简单、经济，设计和开发周期短;有的控制网络结构复杂、开发技术难度较大、软件和硬件开销较高，但这些产品都是为不同档次的自动化控制任务而设计的。面对一个具体的监控任务时，一定要综合考虑各方面的因素，对控制任务进行需求分析后再确定具体的控制网络方案。例如要考虑系统对实时性高低的要求、站点之间是否需要传输大量的数据、站点的数量和通讯距离、是否对传输速率有较高要求、是否需要同时支持多种协议等方面酌情选择适当的网络解决方案，以避免不必要的浪费或选择不能满足监控任务的控制网络。焦化备煤的在控制网络方案选择之初充分地考虑了各自的监控需求，确定了较为适宜的控制网络，投产运行后，系统稳定可靠、投资合理，达到了良好的效果。
(审核编辑: 沧海一土)
