西门子S7-1200 PLC以太网通信研究

张玉广，杨莉

（河南职业技术学院，郑州450046）

0 引言

以太网是一种基带局域网技术，以太网通信是一种使用同轴电缆作为通信媒体，采用载波多路访问和冲突检测机制的通信方式，数据传输速率达到1Gbit/s，可满足非持续性网络数据传输的需要。

西门子工业以太网可应用于单元级、管理级的网络，其通信数据量大、传输距离长。西门子工业以太网可同时运行多种通信服务，例如PG/OP通信、S7通信、开放式用户通信（OPC，Open User Communication）和PROFINET通信。PG/OP通信、S7通信、OPC通信为非实时性通信，它们主要应用于站点间数据通信；基于工业以太网开发的PROFINET通信具有很好的实时性，主要用于连接现场分布式站点。

1 以太网通信概述

1.1 通信介质

西门子工业以太网可以使用双绞线、光纤和无线进行数据传输。

（1）IE FC TP（Industry Ethernet Fast Connection Twisted Pair，工业以太网快速连接双绞线）。工业以太网快速连接双绞线需要配合西门子IE FC TP RJ45插头使用，连接示意图如图1所示。将双绞线按照IE FC TP RJ45插头标示的颜色插入到连接孔，可以快捷方便地将DTE（数据终端设备）连接到工业以太网。IE FC 2×2电缆可以用于DTE到DTE、DTE到交换机、交换机之间网络连接，单根电缆最长通信距离为100米，通信速率可以100M bit/s。IE FC 4×2电缆可用于主干网连接，其通信速率最大可达到1000Mbit/s。

图1 IE FC TP电缆和IE FC TP RJ45插头

（2）光纤。光纤适合于抗干扰、长距离通信。光纤的传输距离则与交换机和光纤类型有关。

（3）无线以太网。无线以太网需要使用无线以太网交换机进行网络互连，通信距离与通信标准和天线有关。西门子公司提供了丰富、可靠与强大的工业无线通信产品。

1.2 网络连接

S7-1200 CPU本体集成了一个以太网接口，其中CPU 1211C、CPU 1212C和CPU 1214C只有一个以太网RJ45端口，CPU 1215C和CPU 1217C则内置了一个双RJ45端口的以太网交换机。S7-1200 CPU以太网接口可以通过直接连接或交换机连接的方式与其他设备通信。

（1）直接连接。当一个S7-1200 CPU与一个编程设备、HMI或者另外一个S7-1200 CPU通信时，可采用直接连接方式，直接连接时不需要交换机，直接使用网线连接两个设备即可。

图2 直接连接

（2）交换机连接。当两个以上的设备进行通信时，需要使用交换机来实现网络连接。CPU 1215C和CPU 1217C内置的双端口以太网交换机可以连接两个通信设备。也可以使用导轨安装西门子SCALANCE XB208 8端口交换机来连接多个PLC和HMI设备。如图3所示。

图3 交换机连接多台设备

2 S7通信

2.1 S7通信概述

S7-1200 CPU与其他S7-300/400/1200/1500 CPU通信可以采用多种通信方式，但是最常用、最简单的还是S7通信。S7-1200 CPU进行S7通信时，需要在客户端侧调用PUT/GET指令。PUT指令用于将数据写入到伙伴CPU，GET指令用于从伙伴CPU读取数据。本文以单端组态的S7连接（只需要在通信的发起方即S7通信客户端组态一个连接到伙伴方的S7连接，伙伴方即S7通信服务器无需组态S7连接）研究。

2.2 S7通信实现

本次通信使用两台型号一致的S7-1200PLC，具体信息如图4所示。

图4 PLC的CPU型号信息

在TIA Porta中创建一个名为S7通信的项目，添加两个PLC设备，添加PLC的设备型号和图4中信息保持一致。再分别添加各自的信号板模块（AQ，订货号6ES7 232-4HA30-0XB0），以保证TIA Porta软件组态的PLC和本文所用到的PLC硬件保持一致。设置PLC_1的IP地址为192.168.0.1，子网掩码为255.255.255.0；设置PLC_2的IP地址为192.168.0.2，子网掩码为255.255.255.0。在PLC_1的CPU属性“系统和时钟存储器”激活“启用时钟存储器字节”，并设置“时钟存储器字节的地址”为10；在PLC_2的CPU属性“防护与安全”设置中激活“允许来自远程对象的PUT/GET通信访问”。

在网络视图中直接拖线连接PLC_1和PLC_2的PROFINET接口，如图5所示。

图5 在网络视图中连接PLC_1和PLC_2的PROFINET接口

在PLC_1和PLC_2中，分别添加变量MB100、MB200，MB300、MB400，用于S7通信时的信号传送，同时也分别添加两个监控表，用于监视数据是否正常传送。如图6、图7所示。

图6 分别在PLC_1和PLC_2中添加变量表

图7 分别在PLC_1和PLC_2中添加监控表

在PLC_1的主程序Main中，调用GET指令，分别完成连接参数和块参数的设置，设置过程如图8所示。类似地，完成PUT指令连接参数和块参数的设置。完成后的主程序如图9所示。

图8 GET指令连接参数和块参数的设置

图9 GET、PUT指令设置完成后的主程序

完成上述配置与编程后，进行编译，再用TIA Porta软件分别将组态好的PLC_1和PLC_2使用工业以太网快速连接双绞线连接各自的以太网接口下载到对应的设备。

当在PLC_1监控表中修改MB100的值为16#0A时，发现PLC_2中MB400的值自动变为16#0A；同样在PLC_2监控表中修改MB300的值为16#0F时，发现PLC_1中MB200的值也自动变为16#0F。说明两台PLC之间的S7通信实现。如图10所示。

图10 两台PLC之间的S7通信成功

在实际的工业现场中，按以上方法组态并设置好两台PLC的S7通信后，在两个PLC中编写合适的程序，即可以实现两台PLC之间的信号传送。

3 PROFINET IO通信

3.1 PROFINET IO通信概述

PROFINET IO通信环境中各个通信设备根据组件功能划分为I/O控制器、I/O设备和I/O监视器。I/O控制器用于对连接I/O设备进行寻址，需要与现场设备交换输入和输出信号，功能类似于PROFIBUS网络中的DP主站；I/O设备是分配给其中一个I/O控制器的分布式现场设备，功能类似于PROFIBUS网络中的DP从站；I/O监视器是用于调试和诊断的编程设备或HMI设备。

3.2 S7-1200 CPU作为智能设备时PROFINET IO通信实现

S7-1200CPU固件V4.0开始支持PROFINET IO智能设备（I-Device）功能，即S7-1200CPU作为PROFINET IO控制器的同时还可以作为I/O设备。S7-1200CPU作为I-Device时，可与S7-1200、S7-300/400、S7-1500及第三方I/O控制器通信。

本次通信使用两台型号一致的S7-1200PLC，具体信息和本文S7通信中的图4一致。使用TIA Porta软件创建一个名为PROFINET IO通信的项目，添加两个PLC设备，再分别添加各自的信号板模块（AQ，订货号6ES7 232-4HA30-0XB0），以保证TIA Porta软件组态的PLC和硬件实物PLC一致。设置PLC_1的IP地址为192.168.0.1，子网掩码为255.255.255.0；设置PLC_2的IP地址为192.168.0.2，子网掩码为255.255.255.0。在网络视图中直接拖线连接PLC_1和PLC_2的PROFINET接口。本文以PLC_1为IO控制器，PLC_2为I-Device，对IO控制器和智能设备在同一项目中的通信进行研究。

在PLC_2的常规-操作模式中，勾选I/O设备，并将它分配给I/O控制器PLC_1的PROFINET IO接口，如图11所示。PLC_2的以太网接口被分配给I/O控制器后，在PLC_2的智能设备通信中，双击新增添加两个传输区（定于传输区的多少根据实际项目的具体情况），并在其中定义通信双方的通信地址和通信长度。在图12中，I/O控制器传输数据QB20到I-Device的IB30；I-Device传输数据QB40到I/O控制器IB10，单击箭头可以修改数据传输方向。

图11 使能I/O设备功能

图12 定义传输区和传输方向

在PLC_1和PLC_2中，分别添加变量QB20、IB10，QB40、IB30，用于PROFINET IO通信时的信号传送，同时也分别添加两个对应的监控表，用于监视数据是否正常传送。

在TIA Porta软件中完成上述组态设置后，分别编译，对应下载到实物硬件PLC_1和PLC_2，它们之间的PROFINET IO通信将自动建立。同样地，可以通过监视窗来判断PROFINET IO通信是否成功建立。

4 结语

本文对S7通信和PROFINET IO通信进行对比研究，实验结果表明，两种通信方式都可以实现两台PLC之间的数据传送，也可以看出PROFINET IO通信的设置过程仅需提前组态好软件和硬件，不需要在主程序中调用通信指令，通信方式较S7通信更为便捷。S7通信作为SIMATIC的同构通信，是较为安全、适用用于SIMATIC CPU之间互相通信协议，不能与第三方设备通信；PROFINET IO通信是PROFIBUS/PROFINET国际组织基于以太网自动化技术标准定义的一种跨供应商的通信，PROFINET IO主要用于模块化、分布式控制。