SIMATIC S7-1200的以太网通信能力:协议与资源详细解析

SIMATIC S7-1200的以太网通信能力:协议与资源解析

在工业自动化领域,PLC的通信能力往往直接影响着整个控制系统的灵活性与高效性。西门子SIMATIC S7-1200系列PLC作为一款广泛应用的中小型控制器,其强大的以太网通信功能是其核心优势之一。本文将详细解析S7-1200的以太网协议支持以及连接资源管理,帮助工程师更好地规划和搭建工业通信网络。

一、S7-1200的PROFINET通信口

S7-1200 CPU本体上集成了1个或2个PROFINET通信口(CPU 1211C - CPU 1214C为1个,CPU 1215C - CPU 1217C为2个),这些通信口支持以太网以及基于TCP/IP和UDP的通信标准。

其物理接口为支持10/100Mb/s的RJ45口,并且具备电缆交叉自适应功能,这意味着无论是标准以太网线还是交叉以太网线,都可以直接用于该接口的连接,极大地方便了现场布线。

通过这个PROFINET通信口,S7-1200可以实现多种通信场景:

  • 与编程设备(如安装了TIA Portal的电脑)的通信

  • 与HMI触摸屏的交互

  • 与其他CPU之间的数据交换

二、支持的以太网协议与服务

S7-1200的PROFINET通信口支持丰富的通信协议及服务,固件版本V4.6主要包括:

  • Profinet IO:支持作为IO控制器、智能设备(I Device)以及共享设备功能

  • PG通信:用于编程调试

  • HMI通信:与触摸屏等人机界面设备通信

  • S7通信:与其他西门子S7系列PLC进行数据交换

  • 开放式用户通信:包括TCP、ISO on TCP、UDP等

  • Email:支持发送电子邮件

  • 安全开放式用户通信:提供更安全的通信方式

  • Web服务器:可通过网页浏览器访问PLC数据

  • OPC UA服务器:支持基于OPC UA标准的通信

这些协议和服务覆盖了工业控制中常见的通信需求,使得S7-1200能够轻松融入各种自动化网络架构。

三、S7-1200的连接资源管理

S7-1200的连接资源管理是确保各类通信稳定运行的关键,其采用了"预留资源+动态资源"的灵活分配机制。

1. 预留连接资源

如表所示,S7-1200为各类通信分配了固定的预留连接资源,这些资源无法更改,确保了基本通信需求的满足。

|--------|--------------|----------------|-------|---------|---------|------|
| 通信类型 | 编程 PG 通信 | HMI 通信 | S7 通信 | 开放式用户通信 | Web 服务器 | 动态资源 |
| 预留连接数量 | 4(保证 1 个 PG) | 12(保证 4 个 HMI) | 8 | 8 | 2 | 34 |

2.最大连接资源与动态资源分配

除了预留资源,S7-1200还允许通过动态资源扩展各类通信的连接数,但每类通信有最大资源占用限制,如下表2所示:

|------------------------|----------------|------------|-----------|-------------|-------------|------------|
| | 编程 PG 通信 | HMI 通信 | S7 通信 | 开放式用户通信 | Web 服务器 | OPC UA |
| 可以使用的最大连接资源数量 | 4(保证支持 1 个 PG) | 18 | 14 | 14 | 30 | 10 |
| 可以使用的动态资源数量(最大-预留) | 0 | 6 | 6 | 6 | 28 | 10 |

3.资源使用规则

  • 连接会优先使用预留资源,当预留资源用尽后才会使用动态资源

  • 动态资源采用"先到先得"的分配原则

  • 当动态资源全部被占用后,即使某类通信未达到最大连接数,也无法再增加连接

举例说明:如果S7通信占用6个动态资源,HMI占用6个,OPC UA占用10个,开放式通信占用6个,那么仅剩6个动态资源可用于Web通信。加上2个预留Web资源,总共8个,这无法保证1个Web浏览器客户端的正常使用(因为1个Web浏览器最多可能使用10个连接资源)。 这个例子提醒我们,在规划通信时需要充分考虑各类通信对动态资源的占用情况,避免因资源分配不当导致通信异常。

4.Profinet IO连接能力

除了上述连接资源外,S7-1200在Profinet IO方面还有独立的连接能力: - 作为IO控制器时,最多可连接16个IO设备,支持256个子模块

  • 可同时作为智能设备(I Device)连接到IO控制器

  • 使用共享设备功能时,最多可同时连接2个IO控制器 这些Profinet IO连接资源与前述的连接资源相互独立,可以同时存在,不影响彼此的使用。

5.PG与HMI通信的特殊说明

PG连接资源 虽然PG通信预留了4个连接资源,但实际上1台S7-1200同时只能连接1个PG(即1台电脑通过TIA Portal进行在线连接调试),这一点在协作调试时需要特别注意。

6.HMI连接资源

HMI通信的资源占用较为特殊,不同类型的HMI设备可能占用不同数量的连接资源,具体如下所示:

不同HMI类型的连接资源占用(* 注:如果未使用系统诊断或报警组态,每个HMI连接仅占用1个资源)

例如,1个精智面板的连接通常会占用S7-1200的2个HMI资源。因此,在规划HMI数量时,需要根据实际选用的HMI类型来计算所需的连接资源。

如上图所示,1 个精智面板的连接占用 S7-1200 2 个 HMI 资源。

这个连接个数是这个 HMI 设备所能占用 S7-1200 的最大 HMI 连接个数,可以作为选型参考。

Smart 触摸屏不支持 S7-1200

7.S7 自由连接使用动态资源而非 S7 通信资源

S7 自由连接是指当某 S7 CPU (或者 SIMATIC NET )建立未指定 S7 连接,指向一个 S7-1200,该 S7-1200 使用 1 个动态资源。

在 TIA PORTAL 软件的设备视图的 CPU 属性中的连接资源,可以看到如图所示的已组态资源情况。其中项目中已组态的 S7 通信、HMI 通信(集成连接)、开放式用户通信(网络视图组态)可以在已组态列看到通信使用情况,而其他通信资源占用情况在离线项目无法得知。如图1中所示目前该 CPU 通过组态占用 1 个 S7 通信资源,3 个 HMI 资源 ,1 个开放式用户通信。

下图图中实际使用资源如下:

③预留列已用 PG 资源 1, S7 通信资源 1,开放式用户通信资源 1, Web 通信资源 2,总共使用资源 5

④动态列已用 Web 通信资源 1, OPC UA 通信资源 1,总共使用资源 2

合计使用资源 7,剩余资源 61

四、物理网络连接

S7-1200的物理网络连接方式 S7-1200的PROFINET口支持两种常见的网络连接方法:

1.直接连接

当只有两个通信设备(如S7-1200与编程设备、HMI或另一台PLC)时,可以采用直接连接方式,无需使用交换机,只需用网线直接连接两个设备即可,非常方便临时调试或简单的点对点通信。

2.网络连接

当有多个通信设备需要通信时,就需要使用以太网交换机来构建网络。西门子推荐使用导轨安装的CSM1277 4口交换机,它支持即插即用,无需任何设置,可方便地连接多个CPU及HMI设备,构建一个小型工业以太网。

六、总结 SIMATIC S7-1200系列PLC凭借其丰富的以太网协议支持和灵活的连接资源管理,为中小型自动化系统提供了强大的通信解决方案。无论是与编程设备、HMI的基础通信,还是与其他PLC的协同工作,甚至是基于Web、OPC UA等标准的现代化工业通信,S7-1200都能轻松应对。 在实际应用中,工程师需要根据系统的通信需求,合理规划和分配连接资源,特别是动态资源的使用,以确保各类通信的稳定可靠。同时,选择合适的物理连接方式和网络设备,也是构建高效工业通信网络的重要环节。 通过充分利用S7-1200的以太网通信能力,我们可以构建出更加灵活、高效、智能的自动化控制系统,为工业4.0的实施奠定坚实基础。

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