陕西西门子S7-1500PLC模块代理（优势价格）

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什么是PROFINET协议

    1)简介

    PROFINET由PROFIBUS组织(PROFIBUS International)推出，是新一代基于工业以太网技术的工业自动化通信标准。PROFINET解决方案囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且*兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术。因此，PROFINET技术的出现将为工业自动化领域提供一种全新的通信解决方案，即整个工厂全部使用一个网络连接在一起。

    2)需求的转变

    过去的十几年间，在工厂自动化和过程自动化领域中，现场总线是现场级通信系统中的主流解决方案。不过，随着技术的不断进步和发展，传统现场总线越来越多地表现出了其本身的局限性。一方面，随着现场设备智能程度的不断提高，控制变得越来越分散，分布在工厂各处的智能设备之间，以及智能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制数据，这使得现场设备之问数据的交换量飞速增长；另一方面，随着计算机技术的发展，企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中，于是，企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据，并通过工业通信网络实现远程服务和维护，因此，纵向*性也成为热门的话题，用户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通信方案，这样可以大大简化工厂控制系统结构，节约系统实施和维护的成本。基于这样的需求，以太网技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透，以太网技术开始广泛地应用于工厂的摔制级通信。在自动化世界中使用以太网解决方案有几方面显著的优势：统一的架构、集成的通信，以及强大的服务和诊断功能。从日前工业自动化控制领域的情况来看，以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势，如图10-31所示。

    3)面对实时通信的挑战

    将以太网技术应用于工厂的生产控制过程中并不是一个简单的移植过程。在将以太网技术引入到控制级通信的过程中，为了满足工业控制系统的特殊需求，如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求，必须对普通的办公室以太网做出调整和补充，以保证以太网技术在工业现场应用的可靠性，即我们常说的工业以太网。目前，在控制级通信网络领域中，工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和接受，企业和工厂也充分享受到了高性能通信网络带来的便利和收益。尽管如此，工业以太网技术在向底层的现场级控制系统渗透时遇到了难以克服的障碍——通信的实时性和确定性。与普通的办公室网络和控制级的工业以太网不同，在现场级网络中传输的往往都是工业现场的I/O信号及控制信号，从控制安全的角度来说，系统对这些来自于现场传感器的I/O信号要能够及时获取，并及时做出响应，将控制信号及时准确地传递到相应的动作单元中，因此，现场级通信网络对通信的实时性和确定性有*的要求。这也正是普通工业以太网技术在现场级通信网络中难以和现场总线技术抗衡的重要原因。

    4)支持三种通信方式

    (1) TCP/IP标准通信：PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时问大概在100ms的量级，,但对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间已经足够了。

    (2)实时(RT)通信：对于传感器和执行器设备之问的数据交换，系统对响应时问的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer 2)的实时通信通道，通过该实时通道可*地减少数据在通信栈中的处理时间。PROFINET实时通信的典型响应时间是5~10ms，网络节点也包含在网络的同步过程之中，即交换机。同步的交换机在PROFINET概念中占有十分重要的位置。在传统的交换机中，要传递的信息必定在交换机中延迟一段时问，直到交换机翻译出信息的目的地址并转发该信息为止。这种基于地址的信息转发机制会对数据的传送时间产生不利的影响。为了解决这个问题，PROFINET在实时通道中使用一种优化的机制来实现信息的转发。

    (3)等时同步实时(IRT)通信：现场级通信对通信实时性要求高的是运动控制，PROFINET的等时同步实时技术可以满足运动控制的高速通信需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1ms，以此来保证及时的、确定的响应。

    5)保障同步实时

    对于PROFINET，为了保证高质量的等时通信，所有的网络节点必须很好地实现同步，这样才能保证数据在精确相等的时问间隔内被传输，网络上的所有站点必须通过精确的时钟同步以实现同步实时以太网。例如，通过规律的同步数据实现通信循环的同步，其精度可以达到微秒级。这个同步过程可以精确记录其所控制的系统的所有时间参数，因此能够在每个循环的开始实现非常精确的时问同步。如此高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，想要获得如此高精度的同步实时，必须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子IRT等时实时ASIC芯片。每个通信周期被分成两个不同的部分，一个是循环的、确定的部分，被称为“实时通道”；另一个是标准通道，标准的TCP/IP数据通过这个通道传输。实时通道为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗，而实时数据总是按固定的次序插入，因此，实时数据就在固定的间隔被传送，循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。这样，两种不同类型的数据就可以同时在PROFINET上传递，而且不会互相干扰，实现了PROFINET技术对以太网技术的兼容。基于普通以太网技术的各种网络服务功能，如SNMP、HTML等，同样也可以在PROFINET上运行。用户在获得高性能实时网络的同时，还可以享受以太网技术和IT技术带来的便利。如图10-32所示为PROFNET通信循环。

    由于实时数据在确定的时刻以确定的顺序发送，因此，在交换机中建立一个时间表格，通过该时间表格，交换机就可以知道在什么时间来传送实时信息，信息的转发几乎没有延时。如果有发生冲突的危险，标准的TCP/IP信息就暂时保存在交换机中，在下一个开放通信周期再发送。这种机制很好地保证了系统响应时间。例如，使用PROFINET构建的实时通信网络可以在1ms的时间周期内实现对100多个轴的控制，其抖动误差小于1ms，可以很好地满足运动控制对通信实时性的要求。

    6)开放的协议走向未来

    作为标准IEC 61158的重要组成部分，PROFTNET是*开放的协议，而且PROFINET和标准以太网*兼容，集成IRT功能的交换机和一个普通交换机在平时工作起来是*一样的。也就是说，IRT交换机可以和普通交换机一样使用，即使在使用实时通道时，它同样可以在它的开放通道使用其他标准功能。所以，根据环境的需求，自动化组件之间可以通过相同网络、相同的连接建立不同的通信链路，为用户的使用提供*的方便。Profinet基于以太网，使用TCP/IP和IT标准，是实时的自动化通信技术，能够与现有现场总线系统PROFIBUS等无缝地集成，能连接更多的站点，可用于运动控制应用中，使用*域网进行无线通信，且便于扩大规模和扩大新的应用领域。总之，PROFNET是基于以太网的完整解决方案。

  在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适应远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准，如图10-30所示。RS-485标准采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求如下：

    图10-30    RS-485现场总线的连接

    (1)接收器的输入电阻RIN≥12kΩ；

    (2)驱动器能输出±7V的共模电压；

    (3)输入端的电容≤50pF；

    (4)在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）；

    (5)接收器的输入灵敏度为200mV[即(V+)-(V-)≥0.2V，表示信号“0”；(V+)-（V-）≤-0.2V，表示信号“1”]。

    2)应用

    这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准*的。正因为此，许多不同领域都采用RS-485作为数据传输链路，如汽车电子、电信设备局域网、智能楼宇等。这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性，RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。

    3)显著特点

    RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS-485的显著特点如下：

    (1) RS-485的数据高传输速率为10Mb/s；

    (2) RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模*力增强，即抗噪声干扰性好；

    (3) RS-485接口的大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000m；

    (4) RS-485接口在总线上时允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

    1)简介

    PROFIBUS是一种化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它满足ISO/OSI网络化参考模型对开放系统的要求，构成从变速器/执行器、现场级单元级直至管理级的透明的通信系统，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。

    2)组成

    PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA (ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)。

    PROFIBUS-DP：一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24 V DC或4～20mA信号传输。

    PORFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本征安全规范。

    PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络。

    3)显著特点

    PROFIBUS协议结构是根据IS0 7498标准，以开放式系统互联网络(Open System Interconnection，OSI)作为参考模型的，如图10-29所示。

    图10-29    PROFIBUS体系结构

    PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

    PROFIBUS提供三种数据传输类型：用于DP和FMS的RS-485传输、用于PA的IEC1158-2传输、光纤传输。

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    1)简介

    Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（如以太网）和其他设备之间可以通信。它已经成为一种通用的工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

    此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一个控制器请求访问其他设备的过程，如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

    2)应用原理

    当在一个Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其他网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

    3)显著特点

    (1) Modbus是一种主从网络，允许一个主站或多个从站通信，以完成编辑、数据传送、程序上传/下载及其主机操作。

    (2) Modbus传输协议定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不需要考虑通信网络的拓扑结构。

    (3)可靠性：Modbus传输协议定义了各种数据帧格式，描述了控制器访问另一设备的过程。由于其还定义了出错码，这有助于通信丰站发现通信的错误内容和原因，并采取相应的措施。

    4)在Modbus网络上转输

    标准的Modbus口使用一个RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。

    控制器通信使用主一从技术，即仅一个设备（主设备）能初始化传输（查询），其他设备（从设备）根据主设备查洵提供的数据做出相应反应。典型的主设备有主机和可编程仪表，典型的从设备为可编程控制器。

    主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一个消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一个错误检测域。

    从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据和一个错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一个错误消息并把它作为回应发送出去。

    5)在其他类型网络上转输

    在其他网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其他控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道允许同时发生的传输进程。

    在消息位，Modbus协议仍提供主-从原则，尽管网络通信方法是“对等”的。如果一个控制器发送一则消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一则消息，它将建立一个从设备回应格式并返回给发送的控制器。

    6)查询-回应周期

    查询：查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能，数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如，功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。

    回应：如果从设备产生一个正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

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