基于西门子开放式工业以太网的数据流通信方案(2)

1)模拟量输入输出模块；

2)USB/RS-232/RS-485串行PtP通信；

3)各类现场总线或设备总线；

4)工业平板电脑／嵌入式计算机；

5)基于PCbase的TCP/IP方案。

上述方案中又以串口通信方式最为普遍，如s7-300PLC通过CP340/341来扩充串口联网功能，但这存在不同物理层（RS-232/422/485）和不同协议的限制，势必会造成扩展多个串口来连接这类设备，使系统成本升高、布线复杂，另外还受到传输速率低、通信距离短和维护困难等因素的限制，因此利用工厂范围内现有共享的以太网公共传输通道，相比上述解决方案更具备明显的优势。

首先，基于OSI以太网七层模型的低层部分具有统一的网络介质访问层，即物理层和数据链路层符合IEEE802.3规范，这意味着以太网硬件的物理接口和驱动程序层面得到了统一，各类以太网标准端口和线缆的选择标准及它们组合使用，为以太网端口设备的互连提供了极大的便利，确保此类设备可快速方便地共享以太网公共传输通道的信息。

其次，OSI以太网模型的中间层部分传输层／网络层，它提供了统一的基于IP的TCP/UDP，它具有结构简单标准、网络资源易整合和支持高速通信的优势，其中UDP是基于IP的简单快速数据传输协议，由于它在发送的数据包中仅加入了少量的管理信息，与TCP/IP相比可获得更高的数据吞吐量，但它面向数据包的传输，而非面向连接的特性，决定了UDP数据传输中存在着不安全的隐患。而RFC1006中的“ISO-on-TCP”是TCP的一种扩展，它在TCP/IP中定义了ISO传输的属性，集合了高速通信和路由兼容性的优势，支持带确认的数据块传送，具有极高的通信可靠性，但当前仅限于SIMATICS7家族产品内部所使用，第三方通信伙伴一般都不支持ISO-on-TCP连接，因此面向连接的TCP/IP以太网通信成为我们的首选。

对于现场某些不具有以太网端口的串口设备，应用串口服务器可方便地进行以太网联网，串口服务器一般可分为外置模块式和内置嵌入式，它是为TCP/IP端口到RS-232/422/485串口之间完成数据传送的通信接口转换器，被广泛地应用于监控及数据采集系统、楼宇自控系统、电力系统、工业控制等。其内建的RTOS实时操作系统及完整的TCP/IP通信协议可使串口服务器不只提供可靠稳定的操作平台，更可使原有系统简便且快速地经由互联网进行远程管理。它支持TCP/IPsocket编程和虚拟COM口方式，并提供TCP/IPserver、client模式、UDP模式和支持多机连接，同一串口数据可同时发给两个以上主机并支持DHCPclient模式，使串口服务器经由DHCPserver取得IP地址，通过内部网络server分配IP地址，以避免地址冲突。其具体参数设置和使用方法限于篇幅就不再阐述，串口服务器联网框图如图2所示。

图2串口服务器联网框图

串口服务器虽然为不具备以太网端口的设备提供了低成本的解决方案，但必须考虑串口通信速度瓶颈问题是否影响工艺的要求，建立在串口基础上的以太网通信受到串口刷新速度的限制，因此仅适合用于实时性要求不高且数据量不大的应用场合。

综上所述，可得出采用统一介质访问层、标准TCP/IP传输网络层和开放应用层的以太网来实现这些第三方通信设备联网，是此流程自动化控制的首选方案，因此针对上述工业数据采集领域的现状，我们制定了下述两种基于TCP/IP的以太网通信解决方案：

方案一：采用研华工业级PC方案，具体有三种选择：IPC工控机、UNO/ARK嵌入式计算机和TPC工业平板电脑，其中UNO嵌入式计算机具有无风扇结构特性，因此较适合工业现场环境的数据通信采集应用。

方案二：利用系统原有的西门子S7-300系统，并扩展工业以太网通信处理器CP343—1模块，以实现基于西门子开放式IE的前端数据通信、采集和控制的一体化集成方案，并且保证适合严苛工业场合的应用。

全面综合地分析比较以上两种TCP/IP解决方案，可得出主要要素的对比结果，见表1。

表l两种TCp／口解决方案的主要要素对比

因此，基于西门子开放式IE数据通信方案相比基于PCbase的TCP/IP方案，包括设备投资、布线、维护和编程难易程度所产生的总体成本可大为降低，它不单独占用处理器物理端口和处理资源，在灵活性和可用性方面可有极大的提升，与PLC控制层的协同工作效率也得到了提高，降低了维护成本，并进一步简化了网络结构，并对今后系统功能扩充及升级也带来了极大的便利，符合各制造商日益关注的价值主张。