1.1 概述

通常自動化“金字塔”是用于描述工業環境中工廠的不同自動化水平。本文介紹自動化“金字塔”中各層級與S7 PLC控制器的各種通信方式。通過對通信協議和通信類型進行概述，介紹這些通信協議和通信類型如何將控制器連接到自動化“金字塔”中的各個層級。

自動化“金字塔”

從現場層級的分布式IO、驅動器等一步步提升到云級層級，不同層級有著類似存儲解決方案需求和其他一些應用程序需求。

1.2 現場層級

在現場層級，除了眾所周知的PROFINET和PROFIBUS協議之外，還存在一些其他現場總線系統，這些總線系統有些對于S7 PLC控制器是直接支持，有些需要使用西門子產品組合的不同網關產品支持。

除了標準總線系統外，S7 PLC 控制器還支持多個其他總線系統，通過PN/*-鏈路模塊將這些總線轉換為PROFINET IO。這些PN/*鏈路模塊就像標準IO設備一樣由IO控制器處理，Zui終，其他總線系統連接的傳感器、執行器、電機或任何其他設備，就像使用SIMATIC控制器下的標準IO設備一樣使用。

西門子總線系統的一個優點是連接的整個配置都是可以在TIA博途中完成。例如CAN、BACnet等在TIA 博途中存在對應設置的參數界面。另外的優點是來自其他現場總線的設備診斷現在也是PROFINET診斷的一部分。如果這些總線系統出現故障，PROFINET也會接收到診斷警報。

西門子總線系統連接方案

第三方總線系統連接方案

各種總線系統

在上圖中可以看到不同總線系統的概述，這些系統可以通過鏈路模塊或通信模塊連接到PROFINET。在左上方可以看到IO-Link和AS-i接口。它們都可以通過CMs進行連接，CMs可用于西門子分散和中央外圍模塊（如ET 200SP）的不同系統。

· IO-Link主要用于工廠自動化中的智能傳感器和執行器。

· AS-i接口則用于過程、建筑和工廠自動化等不同行業中的傳感器和執行器。

其他總線都可通過PN/*鏈路模塊連接。這些鏈路模塊的外觀類似于S7-1200

· CAN總線主要應用于汽車等特殊領域，例如在汽車中控制不同的電機和傳感器

數據，同時也作為一種廉價的現場總線應用于不同的自動化系統中。

· BACnet適用于在建筑、船舶和空調系統中使用。

· M-Bus主要用于樓宇自動化，特別是用于能源采集和消耗傳感器。

SAEJ1939作為重型車輛、船舶和發電系統中傳感器的非常堅固的總線。

1.3 控制器層級

正如前面看到的，使用S7 PLC控制器有許多可能性將其連接到現場級設備。現在離開場層級繼續來到控制器層級。控制器之間實時數據傳輸信息，比如通過開放式用戶通信，這使得西門子S7 PLC控制器與所有自動化系統通信成為可能。

自動化“金字塔”的控制層級

對于實時數據交換，PROFINET標準中有一個可選功能，即I-Device。

此功能允許S7控制器同時作為IO設備和IO控制器，因此允許C2C通信。

如下圖所示，I-Devices可以處理從屬IO設備，并將其作為自己的IO設備。

PROFINET I-Device通信

Zui后，可以在IO控制器之間交換RT數據。除了通過標準PROFINET行為傳輸的數據外，還可以交換PROFINET數據記錄，以便通過ROFINET優先級在網絡上傳輸更多數據。

還可以使用I-Device功能在控制器之間交換安全數據，以傳遞安全信號，如緊急停止或安全相關的光屏障。

接著以三個例子來介紹一下開放用戶通信：

· TCP協議，它可以用來實現基于TCP更多的應用層協議。例如，HTTP、MQTT、FTP等。根據傳輸的數據量和不同加密方法還可實現TCP安全的可能性。在TCP中實現了許多適合于線路控制的協議。

· UDP協議，這是一種基于消息的輕量級協議，它還包含多播功能的可能性，用于向定義的收件人組發送例如報警消息。

· Modbus協議，這是一個廣泛被使用的協議，許多制造商為其制造控制器和設備。Modbus可用于基于TCP或點對點通信。

所有這些協議均可以默認在S7控制器中實現，并且可以與TIA博途中的功能塊一起使用。

TCP、UDP和Modbus協議

1.4 操作和管理層層級和云級

控制層級以上討論的是MES、SCADA或其他不同的管理和工程系統。這些系統在歷史上更受IT控制，因此大多數系統都基于PC或服務器架構之上。未來將出現像Industrial Edge這樣的網關，它將處理來自下級的數據，并將它們作為預處理數據傳輸到這些系統。

然而，也有一些協議可用于直接與這些系統通信，如用于Web服務器訪問的HTTP、用于線路集成的OPC UA和用于程序下載、診斷、配置和許多其他目的的西門子S7協議。

自動化“金字塔”的操作和管理層級

對于從設備到管理和操作層級的連接，有西門子Opcenter Connect。此產品可以使用不同的通信驅動程序的協議來從機器中獲取需要的數據。舉個例子來說，Opcenter包含OPC UA、HTTP或S7協議的驅動程序。

OPC UA 與PROFINET在工廠中完美配合

Opcenter是西門子的MES解決方案，為工廠的數字化提供不同的功能，如：

          · gaoji計劃和調度

          · 制造執行

          · 質量管理

          · 制造智能與性能

          · 研究、開發和實驗室

西門子Opcenter

在自動化金字塔的Zui后一個層級，云級，這里簡單介紹一下這個級別中Zui常用的協議：MQT（消息隊列遙測傳輸協議）。

當前MQTT已經成為工業物聯網的主導協議，得到了廣泛的關注。Eclipse Mosquitto 提供了MQTT協議的輕量級服務器實現，適用于從全功率機器到嵌入式和低功率機器的所有情況。

通過這個協議， S7 PLC控制器具有直接連接到云系統的可能性。西門子產品組合中也具有不同的產品和解決方案，具體選擇取決實際需求。

下圖是西門子SIMATIC產品連接到云的可行的方案：

通過SIMATIC 控制器中的功能塊實現MQTT協議

通過CC系列網關連接SIMATIC 控制器到云級