西门子s7-200网络通讯的入门知识

西门子s7-200网络通讯的入门知识

在网络中使用主站和从站。

S7-200支持主-从通讯方式并且可以配置为主站或者从站。STEP7-Micrco/WIN只能是主站。

提示：当使用WindowsNT和PC/PPI电缆时，在网络上不能有其他主站。

主站：网络上的主站器件可以向网络上的其他器件发出要求。主站也可以对网络上的其他主站的要求做出响应。典型的主站器件包括：STEP7-Micro/WIN、TD200等hmi产品和S7-300或S7-400plc.当S7-200需要从另外一个S7-200读取信息时被定义为主站(点对点通讯)。

提示：如果网络上有其他的主站，TP070将无法工作。
从站：配置为从站的器件只能对其他主站的要求做出响应，自己不能发出要求。对于多数情况，S7-200被配置为从站。作为主站，S7-200响应主站要求。主站可以是操作面板或者STEP7-Micrco/WIN等。

西门子S7-200PLC网络通信协议及特点

S7-200具有强大而又灵活的通信能力，它可以实现PPI协议，MPI协议，自由口通信，还有可以通过profibus-DP协议、AS-I接口协议、modem通信-PPI或者MODBUS协议及ETHERNET与其他设备通信。

PPI协议：
PPI通信协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议。内置于S7-200CPU中。PPI协议物理上基于RS-485口，通过屏蔽双绞线就可以实现PPI通讯。PPI协议是一种主-从协议。主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不能主动发出信息。主站靠PPI协议管理的共享连接来与从站通讯。PPI协议并不限制与任意一个从站的通讯的主站的数量，但在一个网络中，主站不能超过32个。PPI协议最基本的用途是让西门子STEP7-Micro/WIN编程软件上传和下载程序和西门子人机界面与PC通信。

MPI协议：
MPI协议，其英文全名为Multi-point-Interface。在PLC之间可组态为主／主协议或主／从协议．如何操作依赖于设备类型：如果控制站都是s7—300／400系列PLC，那么就建立主／主连接关系，因为MPI协议支持多主站通讯，所有的s7—300 CPU都可配置为网络主站，通过主／主协议可以实现PLC之间的数据交换。如果某些控制站是s7—200系列PLC，则可以建立主／从连接关系，因为s7—200 CPU是从站，用户可以通过网络指令实现s7—300 CPU对s7200 CPU的数据读写操作。

自由口通信

自由口通讯是指plc提供了串行的通讯硬件，和用于定制通讯协议的相关指令，在控制系统中，当要和plc连接的控制设备的通讯协议已知时，可以在plc中进行编程定制通讯协议，和控制设备进行数据通讯。本文主要介绍西门子s7-200的自由口和计算机的串口进行的通讯，计算机中采用visual basic进行编程，从而实现计算机与可编程控制器的直接控制。该通讯方式具有效率高、容易实现、通讯硬件简单、容易配置等特点在工业控制领域中被广泛应用。

自由口编程的一般原则： 
1、SM0.1 触发端口初始化，连接发送完成和接收完成中断(中断事件9 和23)。
2、SM0.0 触发RCV 指令。
3、XMT 指令用上升沿触发，并在指令运行前先保证端口 0 的停止接收。
4、根据将要接收信息的不同，合理设置SMB87～SMB94。
5、必须满足发送结束条件(如字节个数，结束字符等)才能产生9号中断。

PROFIBUS-DP协议：
一．PROFIBUS – DP用于现场层的高速数据传送。
主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-Dp还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。
①传输技术：RS－485双绞线．双线电缆或光缆。波特率从9.6K bit/s到12Mbit/s。
②总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主－从传送。支持单主或多主系统。总线上最站点(主－从设备)数为126。
③通信：点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)。循环主－从用户数据传送和非循环主－主数据传送。
④运行模式：运行．清除．停止。
⑤同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。
⑥功能：DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过部线对DP主站(DPM1)进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。
⑦可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD＝4进行。DP从站带看门狗定时器(WatchdogTimer)。对DP从站的输入／输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
⑧设备类型：第二类DP主站(DPM2)是可进行编程．组态．诊断的设备。第一类DP主站(DPM1)是中央可编程控制器，如PLC．PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器．阀门等。
(1)PROFIBUS – DP基本特征
① 速率：在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s 输入和512bit/s输出，在12Ｍbit/s时只需1毫秒。
② 诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：
(本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高．压力过低。
(模块诊断操作：一个站点的某具体I/O模块故障。
(通过诊断操作：一个单独输入／输出位的故障。
(2)PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括：站数．站地址．输入／输出地址．输入／输出数据格式．诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种坏同类型设备：
① 一级DP主站(DPM1)：一级DP主站是中央控制器，它在预定的周期内与分散的站(如DP从站)交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。
② 二级DP主站(DPM2)：二级DP主站是编程器．组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。
③ DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备(I／O设备．驱动器．HMI．阀门等)。
④ 单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。
⑤ 多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPMI．指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入／输出映象，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。
(3)系统行为
系统行为主要取决于DPM1的操作状态，这此状态由本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态：
(停止：在这种状态下，DPM1和DP从站之间没有数据传输。
(清除：在这种状态下，DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。
(运行：在这种状态下，DPM1处于数据传输阶段,循环数据通信时，DPM1从DP站读取输入信息并向从站写入输出信息。
① DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DP从站。
② 如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误，DPM1将所有有关的DP从站的输出数据立即转入清除状态，而DP从站将不在发送用户数据。在次之后,DPM1转入清除状态。
(4)DPM1和DP从站间的循环数据传输
DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系作出规定，确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。
DMP1和DP从站之间的数据传送分三个阶段：参数设定．组态．数据交换。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，DP从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型．数据格式．长度以及输入输出数量必须与实际组态一致。
(５)DPM1和系统组态设备间的循环数据传输
除主－从功能外，PROFIBUS－DP允许主－主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。
(６)同步和锁定模式
除DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外，DP主站设备也可向单独的DP从站．一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开DP从站的同及锁定模式，用于DP从站的事件控制同步。
主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。
锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可以通过非锁定命令退出锁模式。
(７)保护机制
对DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能“使能”，DPM1将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。
二.扩展DP功能
DP扩展功能是对DP基本功能的补充，与DP基本功能兼容。
(1)DPM1与DP从站间非循环的数据传输。
(2)带DDLM读和DDLM写的非循环读／写功能，可 读写从站任何希望数据。
(3)报警响应，DP基本功能允许DP从站用诊断信息向主站自发地传输事件，而新增的DDLM－ALAM－ACK功能被用来直接响应从DP从站上接收的报警数据。
(4)DPM2与从站间的非循环的数据传输。

三、电子设备数据文件(GSD)

为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件(电子设备数据库文件)方式将这些品的功能参数(如I／O点数．诊断信息．波特率．时间监视等)。标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据GSD所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。

GSD文件可分为三个部分：
(1)总规范：包括了生产厂商和设备名称．硬件和软件版本．波特率．监视时间间隔．总线插头指定信号。
(2)与DP有关的规范：包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数．上装／下装能力。
(3)与DP从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如输入／输出通道数．类型．诊断数据等。

四．PROFIBUS-DP行规

PROFIBUS –DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了PROFIBUS－DP如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异。因为与应用有关的含义在行规中均作了精确的规定说明。下面是PROFIBUS－DP行规，括弧中数字是文件编号：
(1)NC／RC行规(3.052)
(2)编码器行规(3.062)
(3)变速传动行规(3.071)
(4)操作员控制和过程监视行规(HMI)

AS-I接口协议：

AS-I的意思源自actuator-sensor-interface。可以解释为：在执行器，传感器和PLC之间的接口。被公认为是一种最好的，最简单的和最低成本的底层现场总线，它通过高柔性和高可靠性的单根电缆把现场具有通信能力的传感器和执行器连接起来。它可以在简单应用中自成系统，也可以通过连接模块与各种高层总线连接。它取代了传统自控系统中繁琐的底层连线，实现了现场设备信号的数字化和故障诊断的现场化，智能化，大大提高了整个系统的可靠性，节约安装，调试和维护成本。

1990年，在德国政府的支持下，由11个传感器和执行器方面的制造商开始研发AS-I，并一起颁布了它的机械和电气标准。随后，AS-I联合会在1991年建立，该联合会对各厂家的产品进行测试和认证，只有合格的产品才会被授予AS-I的标志进行销售。 

AS-I特点和技术规范
通常来说，AS-I具有以下几方面优点： 
1．简单
主站和从站的内部程序都是生产厂商预先在设备中写好的，用户只需按照要求做好基本的设置即可。而且传输电缆的连接也非常简单，不需要做传统的剥线等繁琐的工作。
2．成本低
和传统的底层接线和设备维护相比，AS-I可节约近40%的成本。在传统的接线中，每个装置的各个信号都要分别连接控制器或PLC，有些装置还需要提供辅助电源。所有这些都需要大量的接线，既增加了成本，也需要很多的时间，而且会增加使用中的故障率，不易维护。AS-I系统从根本上消除了这种缺陷，不仅省去大量的电缆连接，也省去了各种电缆槽、桥架和大量的端子，而且还提供了高智能的诊断功能。
以下数字可以看出AS-I总线与传统接线方式之间，惊人的成本差距： ·AS-I安装成本小于传统方式的5% ·组装成本小于传统方式的75% ·材料成本大约为传统方式的20% 
3．可靠性高
数据通信的可靠性是现场总线通信的最重要因素。和其他总线一样，AS-I也采取了许多抗干扰措施，比如APM(Alternating Pulse Modulation，交变脉冲调制)调制技术和差错校验AS-I对网络和从站设备提供不间断的监控，此外还具有极强的诊断功能。从设备硬件到软件都按照高可靠性的规范和协议进行开发和制造，这些都保证了AS-I系统的高可靠性。 
4．速度快
AS-I对整个系统的最大扫描时间不超过5ms，甚至超过了很多控制器的最小响应时间。 
AS-I的技术数据和传输协议遵循EN 50295标准。主要包括： 
·必须是标准化的接口，以便不同制造商的产品可以方便的互联。
·通信技术必须是低成本的，通信设备必须小型化，以便现场传感器和执行器可以最大限度的小型化和简单化。 ·具有坚固的网络拓扑，不需要屏蔽和终端电阻，即使在恶劣环境中也能保证通信的可靠性。 ·网络中只有1个主站，最多31个从站，每个从站有4位I/O可以利用。 ·最多124个I/O传感器和执行器。 ·主从站间采用循环方式进行访问。 ·循环时间最大5ms。
·网络连接电缆为双芯、非屏蔽、1.5mm²的黄色异型电缆或圆形电缆。最大长度为100m。使用中继器可扩展到300m。但最多只能使用两个中继器。
·供电电源30VDC(29.5V—31.6V)。辅助电源也可为24VDC。从站能得到的最大供电容量为8A。

AS-I总线属于单主站系统。因此，在一个系统中，只能有1个主站，最多31个从站。如果还需要更多的从站，就要安装另一个AS-I系统，通过增加一个主站的方式来扩展系统。 2. 3 AS-I基本模块

AS-I系统由不同功能的模块组成，主要可以分为主站、从站、供电电源和网络元件。 
下面将具体介绍每种模块的功能和特点： 
·主站
AS-I是单主站系统，主站能在精确的时间间隔内完成和从站的通信任务，包括数据交换、参数设置和诊断等功能。AS-I主站的这些功能是由它内部的ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)和微处理器一起实现的。
主站装置可以是PLC、PC或各种网关，其中网关最为重要(如Siemens CP343模块)。网关可以把AS-I系统连接到更高层的网络中(如PROFIBUS)。网关作为AS-I主站的同时，也是高层网络中的从站。 
·从站
AS-I从站的作用是连接现场I/O。但从站也分为两种，一种是智能型装置，另一种是普通I/O设备。
在智能型装置中，集成有通信用的ASIC，它们可以直接连接在AS-I中，并具有诊断功能。 对于普通I/O设备来说，如果想接入AS-I系统，必须提供一个带有ASIC的AS-I模块，I/O设备与这些模块连接。
·供电电源
供电电源为30VDC，必须使用专用的AS-I电源，并且直接与数据线连接。(电工技术之家 www.dgjs123.com)AS-I从站正常工作的电压至少在26.5V以上。一个从站消耗的电流在100mA以上，一个分支上的所有从站消耗电流大约为2A，AS-I电缆能提供的最大容量为8A。当消耗的电流过大时，需要添加辅助电源。辅助电源为24VDC，用一个双芯黑色无屏蔽的电缆将辅助电源与从站连接起来。辅助电源线同样使用穿刺技术连接。

Modem通信：
(调制解调器模块EM241简介)    
调制解调器模块又称Modem模块。EM241提供国际电话线接口，用于将S7－200PLC连接到模拟电话线上，实现与远程设备的通信。它支持S7－200和STEP7－Micro/WIN之间的远程编程和诊断、Modbus RTU协议、数字和文本寻呼，以及SMS短消息服务，允许CPU和CPU之间、或CPU和Modbus设备之间的数据传送，有密码保护功能和安全回拨功能。  

STEP7－Micro/WIN编程软件提供Modem模块扩展向导，来建立S7－200和远程设备的远程调制解调器或Modem模块的连接，可以实现通过电话交换机和电话网络的远距离通讯。Modem模块的组态存储在CPU中。        EM241是一个支持V.34标准(33.6kbit/s)的10位调制解调器，它与大多数调制解调器兼容，但是不能与11位调制解调器通信。用户可以通过Modem模块前端的6位4线RJ11接口将模块连接到电话线上。模块需要外界直流24V电源，可以使用CPU的传感器电源或外接的电源，模块的接地端应连接到系统的地线。

作为扩展模块挂在S7-200 CPU上。EM241必须用在模拟的音频电话系统中，可以是公共电话网，也可以是小交换机系统。EM241上设置了标准的RJ11电话接口。EM241不支持与11位调制解调器通信。EM241只支持模拟音频电话系统，不支持数字系统(如ISDN)。

EM241需要STEP 7- Micro/WIN V3.2 SP1版本以上的编程软件才能支持。Micro/WIN中包括一个Modem Expansion Wizard(Modem调制解调器向导)用来对EM241配置编程。

EM241的主要作用是：Ø    通过电话网进行远程的编程和调试等工作，编程计算机上必须安装调制解调器。Ø    通过电话网进行S7-200 CPU之间的数据通信。Ø    通过电话网进行S7-200 CPU与上位计算机软件间的通信。Ø    EM241支持两种通信协议：Ø    PPI协议：用于远程编程、调试，以及CPU之间的通信。Ø    Modbus RTU从站协议：支持与上位计算机的通信

USS协议：
USS 通信协议简介:
USS (Universal Serial Interface, 即通用串行通信接口) 是西门子专为驱动装置开发的通信协议，多年来也经历了一个不断发展、完善的过程。最初 USS 用于对驱动装置进行参数化操作，即更多地面向参数设置。在驱动装置和操作面板、调试软件(如 DriveES/STARTER)的连接中得到广泛的应用。近来 USS 因其协议简单、硬件要求较低，也越来越多地用于和控制器(如 PLC)的通信，实现一般水平的通信控制。

注意： USS 提供了一种低成本的，比较简易的通信控制途径，由于其本身的设计，USS 不能用在对通信速率和数据传输量有较高要求的场合。在这些对通信要求高的场合，应当选择实时性更好的通信方式，如 PROFIBUS-DP 等。在进行系统设计时，必须考虑到 USS 的这一局限性。
例如，如果在一些速度同步要求比较高的应用场合(如造纸生产线)，对十几甚至数十台变频器采用 USS 通信控制，其效果可想而知。

USS 协议的基本特点：
支持多点通信(因而可以应用在 RS 485 等网络上)
采用单主站的“主－从”访问机制
一个网络上最多可以有 32 个节点(最多 31 个从站)
简单可靠的报文格式，使数据传输灵活高效
容易实现，成本较低

USS 的工作机制是，通信总是由主站发起，USS 主站不断循环轮询各个从站，从站根据收到的指令，决定是否、以及如何响应。从站永远不会主动发送数据。
从站在以下条件满足时应答：
接收到的主站报文没有错误，并且 本从站在接收到主站报文中被寻址
上述条件不满足，或者主站发出的是广播报文，从站不会做任何响应。
对于主站来说，从站必须在接收到主站报文之后的一定时间内发回响应。否则主站将视为出错。
USS 字符帧格式
USS 的字符传输格式符合 UART 规范，即使用串行异步传输方式。USS 在串行数据总线上的字符传输帧为 11 位长度，包括：
起始位 数据位 校验位 停止位
1 0
LSB 1 2 3 4 5 6 7
MSB 偶 x 1  1
连续的字符帧组成 USS 报文。 在一条报文中，字符帧之间的间隔延时要小于两个字符帧的传输时间(当然这个时间取决于传输速率)。
S7-200 CPU 的自由口通信模式正好能够支持上述字符帧格式。把 S7-200 的自由口定义为以上字符传输模式，就能通过编程，实现 USS 协议报文的发送和接收。主站控制器的所支持的通信模式必须和所要控制的驱动装置所要求的一致，这是实现 S7-200 和西门子驱动装置通信的基础。
USS 报文帧格式
USS 协议的报文简洁可靠，高效灵活。报文由一连串的字符组成，协议中定义了它们的特定功能：
STX LGE ADR 净数据区 BCC
1. 2. 3. ... n
以上每小格代表一个字符(字节)。其中：
STX： 起始字符，总是 02 h
LGE： 报文长度
ADR：从站地址及报文类型
BCC： BCC 校验符
在 ADR 和 BCC 之间的数据字节，称为 USS 的净数据。主站和从站交换的数据都包括在每条报文的净数据区域内。
净数据区由 PKW 区和 PZD 区组成：
PKW 区  PZD 区 
PKE IND PWE1 PWE2 ... PWEm PZD1 PZD2 ... PZDn
以上每小格代表一个字(两个字节)。
PKW： 此区域用于读写参数值、参数定义或参数描述文本，并可修改和报告参数的改变 。其中：

PKE： 参数 ID。包括代表主站指令和从站响应的信息，以及参数号等
IND： 参数索引，主要用于与 PKE 配合定位参数
PWEm：参数值数据

PZD： 此区域用于在主站和从站之间传递控制和过程数据。控制参数按设定好的固定格式在主、从站之间对应往返。如：

PZD1：主站发给从站的控制字/从站返回主站的状态字
PZD2： 主站发给从站的给定/从站返回主站的实际反馈
PZDn： ……
根据传输的数据类型和驱动装置的不同，PKW 和 PZD 区的数据长度都不是固定的，它们可以灵活改变以适应具体的需要。但是，在用于与控制器通信的自动控制任务时，网络上的所有节点都要按相同的设定工作，并且在整个工作过程中不能随意改变。
注意：
对于不同的驱动装置和工作模式，PKW 和 PZD 的长度可以按一定规律定义。 一旦确定就不能在运行中随意改变
PKW 可以访问所有对 USS 通信开放的参数；而 PZD 仅能访问特定的控制和过程数据
PKW 在许多驱动装置中是作为后台任务处理，因此 PZD 的实时性要比 PKW 好
以上仅是对 USS 协议的简单介绍，以帮助读者更好地理解控制任务和选择对策。如需要了解详细的信息，请参考相应驱动产品的手册。
USS 的复杂性和 S7-200 作为主站的对策
USS 通信的复杂性体现在它在不同的应用场合不是固定不变的。这是因为：
USS 经过长期的发展，存在一些子集和变种
驱动装置可能不支持 USS 通信协议中的部分功能
 

不同的驱动装置的参数定义可能有很大区别
这些原因导致一个实用的 USS 主站必须针对不同的驱动装置做出改动。使用 USS 调试驱动装置的软件就要做到这一点。这就给在 S7-200 上做一个通用的 USS 程序带来了实质的困难。
一个驱动产品，只要它支持 USS 通信，S7-200 就可以通过自由口编程对其控制。通过其手册能够了解它支持 USS 通信的特点，从而编出适合的程序。这种任务往往比较复杂而且耗费时间。西门子为解决这一问题，针对应用比较广泛，产品线比较相配的驱动产品，开发了 S7-200 的 USS 指令库。
S7-200 的 USS 指令库
S7-200 的 USS 指令库最初是针对 MicroMaster 3 系列产品的，经过一段时间的发展，现在以及能够完全支持 MicroMaster 3 系列和 MicroMaster 4 (MM4)系列产品，以及 SINAMICS G110 系列产品；目前此 USS 指令库还能对 MasterDrive 等产品提供有限的支持，这些产品包括 6SE70/6RA70 等。