西门子S7-400中央处理器CPU416-2西门子代理商

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自动化数据通信方式

在通信线路上，按照传送的方向可以分为单工、半双工和全双工通信方式。

  1. 单工通信方式

  单工通信就是措数据的传送始终保持同一个方向，而不能进行反向传送，如图8-4(a)所示。其中A端只能作为发送端发送数据，B端只能作为接收端接收数据。

  2. 半双工通信方式

  信息流可以在两个方向上传送， 但同一时刻只限于一个方向传送， 这就是半双工通信。如图8-4(b)所示。其中A端和B端都具有发送和接收的功能，但传送线路只有一条，或者A 端发送B端接收，或者B端发送A端接收。

  3. 全双工通信方式

  全双工通信能在两个方向上同时发送和接收，如图8-4(c)所示。A端和B端双方都可以一边发送数据，一边接收数据。

图 8-4 数据通信方式

  数据传输方式

  数据传输方式是指数据代码的传输顺序和数据信号传输时的同步方式，数据传输有串行传输和并行传输。为了保证数据发送端发出的信号被接收端准确无误地接收，通信的两端必须保证同步，在串行传输中，为了实现同步可采取同步传输和异步传输。

  1.并行传输和串行传输

  并行传输(Parallel Transmission)是将数据以成组的形式在多条并行的通道上同时传输。例如传输8个数据位(一个字节)或传输16个数据位(一个字)。除数据位之外，还需要一条“选通”线来协调双方的收发。并行传输的通信速率高，但需要的数据线多，短距离通信时还可以忍受但长距离通信时，由于其高成本和可靠性等问题就不会采用这种方式了。并行传输一般用于计算机和打印机之间以及其外设之间的通信。

  串行传输(Serial Transmission)是指在数据传输时，数据流是以串行方式逐位地在一条信道上传输。在串行传输中，所需要的数据线大大减少，所需要解决的问题是判断传输字节的首字符位置等。串行传输具有成本低、实现容易、控制简单、在长距离通信中可靠性高等优点，所以在工业通信系统中，一般都采用串行传输。

  除可以节约大量电缆外，串行传输的另外一个优点是没有信号传输干扰问题。从理论上来看，并行传输要比串行传输快但在实际应用中，对并行传输来说，还要考虑许多其他因素，比如电缆间的电子干扰问题、线芯间的同步问题等。为减少干扰，并行传输的工作频率就不能太高。所以，在传输速度较高时，使用串行传输也不见得比并行传输慢，这也是今天串行传输被广泛使用的原因之一。工业通信网络中一般使用串行传输方式。

  2.同步传输和异步传输

  在计算机系统中，做任何工作都要在时钟的协调下有条不紊地进行。对数据通信来说也例外，它的各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下进行的。为保证信息传输端工作的协调一致和数据接收的正确，数据通信系统中的传输同步回题就显得异常重要了

  并行通信中一般用“选通”信号来协调收发双方的工作。而在串行通信中，二进制代码是以数据位为单位按时间顺序逐位发送和接收的，所以通常讲的同步传输是对串行传输而言的。在串行通信中，*常使用异步传输和同步传输这两种同步方式。

  (1)异步传输条

  该方法以字符为单位发送数据，一次传送一个字符，每个字符可以是5位或8位，在每个字符前要加上一个起始位，用来指明字符的开始每个字符的后面还要加上一个终止码，用来指明字符的结束，终止码可以是1位、1.5位或2位。一般来说5单位字符的终止码取1或1.5位，其他单位的字符终止码取1或2位。

  异步传输使用的是字符同步方式。异步传输方式下的每一个字符的发送都是独立和随机的，它以不均匀的传输速率发送，字符间距是任意的，所以这种方式被称做异步传输。

  因为在每个字符的开头和末尾要加上起始位和停止位，增加了传输代码的额外开销，所以异步传输方式实现简单，但传输效率较低。异步传输示意图如图8-5所示。

图 8-5 异步传输字符格式及传输过程

  (2)同步传输

  该方法是以数据块(帧)为单位进行传输的，数据块的组成可以是字符块，也可以是位块。

  很明显同步传输的效率要比异步传输高。

  在同步传输中，发送端和接收端的时钟必须同步。实现同步的方法有外同步法和自同步法。外同步法是在发送数据前，发送端先向接收端发一串同步时钟，接收端按照这一时钟频率调制接收时序，把接收时钟频率锁定在该同步频率上，然后按照该频率接收数据自同步法是从数据信号本身提取同步信号的方法，如数字信号采用曼彻斯特编码时，就可以使用每个位

  (码元)中间的跳变信号作为同步信号。显然自同步法要比外同步法优越，所以现在一般采取自同步法，即从所接收的数据中提取时钟特征信号。

  一般情况下，在使用曼彻斯特编码的数据通信时，采用同步传输的较多，因为它可以很容易地提取到自同步信号。

工控入门：西门子SIMATIC产品一览 S7-200/300/400/1200/1500

部分参考自：《西门子S7-200/300/400系列PLC自学手册 第2版》 中国电力出版社 高安妮

前言

SIMATIC是西门子自动化系列产品品牌统称，来源于SIEMENS + Automatic（西门子+自动化），涵盖了从PLC、工业软件到HMI。SIMATIC控制器从S3系列发展到S7系列，已经成为中国自动化用户*为信赖和熟知的品牌。

SIMATIC包括SIMATIC控制器、SIMATIC PG和PC等变成设备，SIMATIC HMI人机界面，SIMATIC DP以及SIMATIC NET等。

1SIMATIC PLC产品线

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。

1.1总览

SIMATIC S7 PLC 是在S5系列PLC基础上与1995年陆续推出的*新一代控制器，具有模块化、无风扇的结构。

下图从应用复杂性、控制器性能、接口3个方面对SIMATIC PLC产品进行了一个明确的分类：

要注意的是在每个控制器大类下还有许多的CPU型号可供选择，以S7-1200为例：

1.2 PROFIBUS DP/485系列

S7-200（已停产）

产品定位：小型PLC系统（256点以下）

组态软件：Step7 Microwin4.0 Sp9（*新）

支持语言：LD、IL、FBD

简述：整体式结构小型PLC。一度在中国市场上很流行，适用于各行各业中的检测、监测及控制的自动化，极具性价比。教学用PLC型号之一。

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S7-200的CPU模块基本参数见下：

S7-200的基本结构见下：

S7-200还具备丰富的扩展模块，如IO模块、定位模块、称重模块、通信模块。

IO模块：有数字量输入/输出扩展模块和模拟量输入/输出扩展模块

定位模块：用于位置控制

称重模块：用于测量实际的重量值

通信模块：有总线扩展模块、以太网扩展模块、电话接口扩展模块、无线扩展模块。

不同规格的CPU*大扩展能力受到了一定限制，低配CPU如CPU 211甚至不允许扩展。

S7-300（部分型号停产）

产品定位：中型PLC系统（256-1024点）

组态软件：STEP7 V5.5 SP2（*新）或Portal STEP7

简述：相比于S7-200，具备更进一步的模块化结构设计（CPU模块、I/O模块和电源模块分离，提出机架概念），更多的编程语言支持以及更具差异化的编程理念。

——

S7-300 CPU包括标准型、紧凑型、户外型、故障安全型、以及运动控制型（T-CPU）。

标准型面向生产制造领域；

紧凑型根据不同型号分别集成了IO、通信接口以及技术、测量、PID控制、定位控制等功能。

故障安全系统在故障发生时会立即达到安全状态，以避免事故和损害。

T-CPU不许要增加额外的运动控制面板，即能通过PROFIBUS-DP总线组成分布式的伺服控制系统。

S7-300的CPU模块基本参数见下：

S7-300的基本结构见下：

其组成结构包括：

导轨：是安装各类模块的机架。S7-300采用背板总线方式将各模块从物理上和电气上连接起来。

电源模块（PS）：它与CPU模块和其它信号模块之间通过电缆连接，而非背板总线连接。

CPU模块

接口模块（IM）：用于机架扩展

信号模块（SM）：有DI/DO模块和AI/AO模块

功能模块（FM）：有驱动定位模块、电子凸轮控制模块、步进电机定位模块、伺服电机定位模块、智能位控模块等。

通信处理器模块（CP）

S7-400（部分型号停产）

产品定位：大型PLC系统（1024点以上）

组态软件：STEP7 V5.5 SP2（*新）或Portal STEP7

简述： 继承了S7-300的特性，并具备更加强大的性能。与S7-200进行比较时，后二者往往并列表示（S7-300/400，因其设计理念相同）。

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S7-400的几种典型CPU模块基本参数见下：

S7-400的基本结构见下：

1.3 PROFINET TCP/IP系列

S7-200SMART

产品定位：小型PLC系统（256点以下）

组态软件：STEP 7- Micro/WIN SMART

简述：面向中国市场的S7-200升级版，总的来说缺乏新意，*大的改变大概是标配以太网口。从西门子官方的主推力度来看，其前景显然不如S7-1200。

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S7-1200

产品定位：小型PLC系统（256点以下）

组态软件：SIMATIC STEP 7 Basic

简述：同S7-200/200SMART类似的紧凑型结构化设计，是单机小型自动化系统的完美解决方案。S7-1200的设计注重了控制器、人机界面和软件间的无缝集成以及完美互动。

S7-1200的主要设计目的是弥补S7-200系列产品的不足，以及与S7-300系列产品进行良好的衔接。

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S7-1500

产品定位：中大型PLC系统（256点以上）

组态软件：

简述：SIMATIC产品线中的*强PLC，具备卓越的系统性能，可完美接替S7-300/400的工作，其运动控制功能更是傲视群雄。在外观上，其*大特点是装配了一块显示屏，用于显示CPU运行状态和故障信息等。

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1.4关于S7-200、S7-200 smart和S7-1200的区别

待补充

2 SIMATIC HMI产品线

HMI（Human Machine Interface，人机界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

2.1总览

SIMATIC HMI主要有3个系列的产品：精简面板、精彩面板和精智面板。考虑到高昂的售价，HMI中低端市场正逐渐被以MCGS、威纶通为首的国产厂商所占据，从这个角度来看，似乎西门子系面板的竞争力正在被进一步削弱。

2.2 HMI简述

Basic Panel（精简面板系列）

产品定位：经济HMI设备

组态软件：SIMATIC WinCC Basic

简述：通常带有实体按钮，适用于规模较小但对性价比要求较高的简单应用。

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SMART LINE（精彩面板系列）

产品定位：标准HMI设备

组态软件：WinCC flexible

简述：性能中规中矩，提供了人机界面的标准功能。SMART LINE在HMI产品线的定位大概同S7-200 SMART在PLC产品线的定位，而精简和精智更像是同一个系列（皆可使用Portal进行组态）。

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Comfort Panel（精致面板系列）

产品定位：高端HMI设备

组态软件：SIMATIC WinCC Comfort

简述：与精彩面板系列相比，拥有更多的接口、更强大的性能以及组态功能（数据记录、配方等），可满足设备级的各种高可视化要求。

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3 SIMATIC 工业软件产品线

“组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。

值得一提的是西门子工业软件产品兼容性极其糟糕。

3.1 PLC组态软件

STEP7系列

STEP 7是PLC组态软件，具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。

STEP7有两大分类：STEP7经典版和STEP7博途版，简单来讲经典版是早期推出的独立运行的软件，而博途版则是后期推出并被集成进博途软件中。通常，串口时代的PLC系列同时支持STEP7经典版和STEP7博途版（如S7-300/400；S7-200/200SMART除外，此款产品定位特殊，只推出了经典版），而网口时代的PLC系列则只有博途版。目前使用STEP7博途版已成主流，性能更强劲，且官方支持力度更大。

STEP7拥有多个版本，下述列举的版本中包含了STEP7经典版和STEP7博途版（博途版也分为多个版本）：

Step7 Basic ——针对于西门子*新的S7-1200系列的编程软件，其中可以包含S7-1200专用的触摸屏进行组 态，同时也可以对1200专用1的伺服进行设定。

Step7——S7-300/400的编程软件，编程方式仅局限于LAD，STL，FBD。

Step7 ProFessional——内部包含有Step7，并含有Graph,HiGraph,SCL以及模拟器PLCSIM。

Step7 Lite——受限制的Step7版本，仅可以使用该版本组态本地机架，不可组态网络。

Step7 Micro——西门子S7-200的编程软件。

3.2 HMI组态软件

WinCC flexible系列

WinCC flexible与WinCC十分类似，都是组态软件，而前者基于触摸屏，后者基于工控机。

WinCC flexible本身属于经典版，而WinCC则拥有经典版和博途版，只不过WinCC博途版只用于HMI组态，相当于WinCC flexible博途版。精简和精智面板同时支持经典版和博途版，而精彩面板则只有经典版（同样是因为产品定位原因）。

WinCC flexible同样拥有多个版本，此处仅列举经典版：

按推出的时间顺序进行排列：

WinCC flexible SMART V3

WinCC flexible 2008

WinCC flexible 2007

WinCC flexible 2005

WinCC flexible 2004

按产品定位进行排列：

WinCC flexible 2008 Compact

WinCC flexible 2008 Standard

WinCC flexible 2008 Advanced

3.3博途TIA Portal

TIA（Totally Integrated Automation，全集成自动化）博途将所有自动化软件工具集成在统一的开发环境中，它是***一款将所有自动化任务整合在一个工程设计环境下的软件。

Portal由STEP7博途版和WinCC博途版两部分组成，WinCC博途版与WinCC不同，只能用于HMI的组态。

STEP7博途版分为Basic和Professional两个版本；

WINCC博途版分为Basic、Comfort、Advanced和Professional四个版本。

3.4 SCADA软件

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制。由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。

SIMATIC WinCC(Windows Control Center)–视窗控制中心，西门子*经典的过程监视系统，能为工业领域提供完备的监控与数据采集（SCADA）功能，同时远远超越传统SCADA系统的范畴。

在上文中已提及WinCC具有经典版和博途版两个版本，但作为SCADA软件，则只有WinCC符合该定义。

3.5 DCS软件

DCS（Distributed Control System，分散控制系统），其主要特征是它的集中管理和分散控制，至于说DCS与SCADA的区别，坦白说我分不清。

PCS7是西门子的DCS系统，我只用过ABB的WinCS，对于PCS7相当陌生，这里我就非常不严谨的用WinCS类比PCS7，因为DCS的内核都是差不多的。PCS7基于过程自动化，从传感器、执行器到控制器，再到上位机，自下而上形成完整的TIA（全集成自动化）架构。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和WinCC以及PDM等软件，组态对象选用S7-400高端CPU，一般应用于钢铁和石化等行业。

我对于DCS和SCADA软件的使用程度较浅，个人感觉其实DCS相当于WinCC+Step7（实际上远不如此），这是因为DCS也能进行PLC组态和工控机监控画面组态（WinCS的使用角度），之所以不能等同，可以引用以下这段话：

PCS7并不等同于Step7+WinCC，PCS7中的OS中的很多模板和画面都是在Step7中用CFC和SFC自动生成的，变量记录和报警记录也都是由Step7中编译传送到WinCC中去的，并不需要象使用普通WinCC那样手动组态画面、变量记录和报警记录。

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