以下内容节选自机械工业出版社出版的西门子自动化技术丛书----《SIMATIC S7- 1500 与 TIA博途软件使用指南》， 作者崔坚。更多更详细的内容请您参考《SIMATIC S7- 1500 与 TIA博途软件使用指南》一书。

工业以太网与PROFINET---概述

• 9.4 工业以太网与PROFINET

工业以太网应用于单元级、管理级的网络，通信数据量大、距离长。原有工业以太网的通信服务应用于主站间的大数据量通信，例如PLC之间、PLC与HMI、PC之间的通信，通信的方式为对等的发送和接收，不能保证实时性。基于工业以太网开发的PROFINET是实时以太网，具有很好的实时性，主要应用于连接现场设备，通信为主从方式。简单地说，就是同一个网络有两种通信服务，一个是非实时通信，一个是实时通信。

• 9.4.1 工业以太网通信介质

西门子工业以太网可以使用双绞线、光纤和无线进行数据通信。

1)    IE FC TP (Industry Fast Connection Twisted Pair)

工业快速连接双绞线配合西门子FC TP RJ45接头使用，连接如图9- 11所示。

图9- 11 FC TP电缆与TP RJ45接头

将双绞线按照TP RJ45接头标示的颜色插入连接孔中，可快捷、方便地将DTE(数据终端设备)连接到工业以太网上。使用FC双绞线，从DTE到DTE、DTE到交换机、交换机之间最长通信距离为100米。主干网使用IE FC 4X2电缆可以达到1000M。也可以使用西门子TP CORE电缆，预装RJ45接头，但是非屏蔽，保证数据传输可靠性的最长通信距离为10米。

2)    ITP(Industry Twisted Pair)工业双绞线

ITP电缆预装配9/15针SUB D接头，连接通信处理器CP的ITP接口。ITP电缆适合恶劣的现场环境，最长可达100米，不过它正逐渐被IE FC TP连接电缆所替代。

3)    光纤

光纤适合于抗干扰、长距离的通信。西门子交换机间可以使用多模光纤、单模光纤。通信距离与交换机和接口有关。

4)    无线以太网

使用无线以太网收发器相互连接。通信距离与通信标准及天线有关。

• 9.4.2 工业以太网拓扑结构

使用西门子工业交换机可以组成总线型、树型、环型等网络拓扑结构。环型网络拓扑结构是总线型网络的一个特例，即将总线型的头尾两段连接便形成环型网络结构。环型网络可以使用光纤和双绞线构成。在环型网络中必须有一个交换机作为冗余管理器，例如西门子SCALANCE X208或SCALANCE X204-2。环型网络中的每一个交换机必须能够通过冗余检测报文。由交换机组成的冗余环型网络参考图9- 12。如果环网使用支持PROFINET IO的冗余介质协议（MRP），则不需要额外的交换机，通常将IO控制器作为冗余管理器。

图9- 12冗余环网

• 9.4.3 S7-1500 系统以太网接口

        S7-1500 PLC：   CPU集成的以太网接口（X1、X2、X3，最多三个接口）、通信模块CM 1542-1和通信处理器CP 1543-1.

        编程器或上位机：CP1612、CP1613、CP1616/CP1604(支持PROFINET IO，需要软件开发)、CP1623、CP1628、商用以太网卡。

• 9.4.4 S7-1500 PLC以太网支持的通信服务

将S7-1500 PLC以太网接口支持的通信服务按实时通信和非实时通信进行划分，不同接口支持的通信服务如表9- 2所示。

表9- 2 S7-1500 系统以太网接口支持的通信服务

S7-1500 PLC之间非实时通信有两种：Open User Communication（OUC）通信服务和S7通信服务，实时通信只有PROFINET IO。表9- 2中I–Device是将CPU作为一个智能设备，也是实时通信。不同的通信服务适用不同的现场应用。

1)     OUC通信

OUC（开放式用户通信，与S7-300/400的S5兼容通信相同）服务适用于S7 -1500 /300/400 PLC之间通信、S7 PLC与S5 PLC间的通信，以及PLC与PC或与第三方设备进行通信。OUC通信有下列通信连接：

•  ISO Transport——该通信连接支持第四层（ISO Transport）开放的数据通信，主要用于SIMATIC S7-1500/300/400与SIMATIC S5的工业以太网通信。S7 PLC间的通信也可以使用ISO通信方式。ISO通信使用MAC地址，不支持网络路由。一些新的通信处理器不再支持该通信服务，S7-1500系统中只有CP1543-1支持ISO通信方式。ISO通信方式基于面向消息的数据传输，发送的长度可以是动态的，但是接收区必须大于发送区。最大通信字节数64K。

• ISO-on-TCP——由于ISO不支持以太网路由，因而西门子应用RFC1006将ISO映射到TCP协议上，实现网络路由，与ISO通信方式相同。西门子PLC间的通信建议使用ISO-on-TCP通信方式。最大通信字节数64K。

• TCP/IP——该通信连接支持TCP/IP协议开放的数据通信。用于连接SIMATIC S7和PC以及非西门子设备。PC机可以通过VB、VC SOCKET控件直接读写PLC数据。TCP/IP采用面向数据流的数据传送，发送的长度最好是固定的。如果长度发生变化，在接收区需要判断数据流的开始和结束位置，比较繁琐，并且需要考虑到发送和接收的时序问题。所以，在西门子PLC间进行通信时，不建议采用TCP/IP通信方式。最大通信字节数64K。

• UDP——该通信连接属于第四层协议，支持简单数据传输，数据无须确认，与TCP/IP通信相比，UDP没有连接。最大通信字节数1472。

不同接口支持OUC通信连接的类型如表9- 3所示。

表9- 3 S7-1500 系统以太网接口支持OUC通信连接的类型

2) S7通信

特别适用于S7-1500/1200/300/400PLC与HMI（PC）和编程器之间的通信，也适合S7-1500/1200/300/400 PLC之间通信。早先S7通信主要是S7-400 PLC间的通信，由于通信连接资源的限制，推荐使用S5兼容通信也就是现在的OUC通信。随着通信资源的大幅增加和PN接口的支持，S7通信在S7-1500/1200/300/400PLC之间应用越来越广泛。S7-1500所有以太网接口都支持S7通信。S7通信使用了ISO/OSI网络模型第七层通信协议，可以直接在用户程序中得到发送和接收的状态信息。

S7-1500 PLC的S7通信有三组通信函数，分别是PUT/GET、USEND/URCV和BSEND/  BRCV，这些通信函数应用于不同的应用：

PUT/GET：   可以用于单方编程，一个PLC作为服务器，另一个PLC作为客户端，客户端可以对服务器进行读写操作，在服务器侧不需要编写通信程序。

USEND/URCV：用于双方编程的通信方式，一方发送数据，另一方接收数据。通信方式为异步方式。

BSEND/BRCV：用于双方编程的通信方式，一方发送数据，另一方接收数据。通信方式为同步方式，发送方将数据发送到通信方的接收缓冲区，并且通信方调用接收函数，并将数据复制至已经组态的接收区内才认为发送成功。简单地说，相当于发送邮件，接收方必须读了该邮件才作为发送成功的条件。使用BSEND/BRCV可以进行大数据量通信，最大可以达到64K。

通信函数组PUT/GET和USEND/URCV带有4对数据接收区RD_1~4和发送区SD_1~4，用于发送和接收使用不同的地址区。其中通信函数组PUT/GET还带有参数ADDR _1~4，用于指向通信方的地址区，这些通信区必须按序号一一对应并且长度必须匹配。通信函数组BSEND/BRCV只有1对数据通信接收区RD_1和发送区SD_1。通信量的大小与使用通信函数和CPU的类型有关，具体数据参考表9- 4。

 表9- 4通信函数与通信的数据量

从表中可以看到，S7-1500 PLC的通信能力大大提高。通信的数据量也与使用数据区的对数有关，以S7-1500通信函数PUT为例，如果使用1对通信区，最大通信量为932个字节；如果使用2对通信区，这2对通信区的数据总和最大为916个字节；如果使用4对通信区，最大通信量只有884个字节，这是因为在一包数据中添加了用于区别通信区的标识符而占用了通信数据。

3) PROFINET IO

PROFINET IO主要用于模块化、分布式的控制，通过以太网直接连接现场设备（IO Devices）。PROFINET IO通信为全双工点到点方式。一个IO控制器（IO Controller）最多可以和512个IO设备进行点到点通信，按设定的更新时间双方对等发送数据。一个IO设备的被控对象只能被一个IO控制器控制。在共享IO设备模式下，一个IO站点上不同的I/O模块、

甚至同一I/O模块中的通道都可以最多被4个IO控制器共享，但是输出模块只能被一个IO控制器控制，其它IO控制器可以共享信号状态信息。由于访问机制为点到点方式，S7-1500 PLC集成的以太网接口既可以作为IO控制器连接现场IO设备，又可同时作为IO设备被上一级IO控制器控制（对于一个IO控制器而言只是多连接了一个站点），此功能称为智能设备（I-Device）功能。

PROFINET IO与PROFIBUS-DP的通信方式相似，术语的比较参考表9-5。

表9- 5PROFINET与PROFIBUS-DP术语的比较

PROFINET IO具有下列特点：

1） 现场设备（IO-Devices）通过GSD文件的方式集成到TIA 博途软件中，与PROFIBUS-DP不同的是，PROFINET IO的GSD文件以XML格式存在。

2） 为了保护原有的投资，PROFINET IO控制器可以通过IE/PB LINK连接PROFIBUS-DP从站。

PROFINET IO提供三种执行水平：

1） 非实时数据传输（NRT）：用于项目的监控和非实时要求的数据传输，例如项目的诊断，典型通信时间大约100 ms。

2） 实时通信（RT）:用于要求实时通信的过程数据，通过提高实时数据的优先级和优化数据堆栈（ISO/OSI模型第一层和第二层），使用标准网络元件可以执行高性能的数据传输，典型通信时间为1～10 ms。

3） 等时实时（IRT）：等时实时确保数据在相等的时间间隔进行传输，例如多轴同步操作。普通交换机不支持等时实时通信。等时实时典型通信时间为0.25～1ms，每次传输的时间偏差小于1цs。

支持IRT的交换机数据通道分为标准通道和IRT通道。标准通道用于NRT和RT的数据通信，IRT通道专用于IRT的数据通信，网络上其它的通信不会影响IRT过程数据的通信。PROFINET IO实时通信的OSI/ISO模型参考图9-13。

图9- 13 PROFINET 数据访问OSI/ISO模型