西门子CPU

西门子CPU

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西门子将在2018年汉诺威工业博览会（Hannover Messe）上通过呈现丰富的案例，*展示用户如何通过实施数字化企业解决方案来充分挖掘工业4.0的潜力。西门子位于9号展厅的展位面积达3500平米，聚焦数字化企业解决方案在不**业的全生命周期中的应用。来自航空航天、汽车、食品饮料、电子和设备制造以及化工、纤维和石油天然气等行业的诸多实例展示了不**业不同规模的企业如何通过个性化的数字化解决方案提升竞争力，实现更高的灵活性、效率和质量，并缩短产品上市时间。MindSphere 3.0版本、来自西门子、合作伙伴（如原始设备制造商）及国际用户组织 MindSphere World的切实案例，将亮相700平米的MindSphere展厅。西门子还将展示生产商目前如何受益于工业增材制造，以及基于MindSphere对驱动数据进行评估的全新数字化平台Sidrive IQ。另外，西门子展位还将以使用MindApps进行智慧能源管理为重点，展示面向工业企业和电力公司领域的基础设施项目的集成解决方案。

西门子还将展示当今的企业如何通过数字化解决方案增强竞争力，如在全价值链建立数字化双胞胎，采用基于云的开放式物联网操作系统MindSphere，以及运用来自西门子的**良好的自动化产品组合。在几乎任何行业，价值链的集成和数字化都能带来更高的灵活性、效率和质量，从而获得可持续的竞争优势，同时也在价值增值、创新商业模式和面向未来的合作方式方面提供了新的机遇。

西门子将在展会上展示MindSphere 3.0版本，该版本现已部署于亚马逊 AWS（Amazon Web Services）云计算服务平台。3.0版本具备更强大的开发环境，提供开放式编程接口（API/应用程序编程接口），并新增分析功能和扩展连接功能。西门子还将在展会上介绍全新的国际用户组织MindSphere World。该组织拥有18个创始成员，其目标是在**扩展围绕MindSphere的生态系统。

在离散工业充分利用数字化潜力

“依托数字化企业套件，我们能够支持离散行业的产品制造商与设备制造商实现数字化转型。”西门子股份公司数字化工厂集团**执行官Jan Mrosik表示，“我们可以针对产品、生产和绩效建立数字化双胞胎，对其进行全面的虚拟仿真。通过利用从MindSphere中获得的知识，我们能够持续帮助客户优化其整个价值链。这不仅适用于不**业和传统生产方式，也适用于增材制造等新技术。”增材制造也是西门子在本年度展会上的一个焦点。西门子是**一一家涵盖增材制造价值链各个环节的集成式软件和硬件解决方案的供应商。对用户而言，这意味着整个数字化流程链都将整合在一个集成的软件环境下。工程、仿真、产品制备和3D打印所需的工具都合并在一个集成系统中，并可通过标准化的用户界面来访问。这样就不必进行数据转换，也避免了相关信息内容丢失的可能。这使用户能从单机的原型设计和小批量生产迅速转化为完全工业化的批量生产。

另外，西门子还将展示围绕Simatic自动化系统的一系列新应用。全新Simatic MindApps应用程序如 Machine Monitor、Notifier和Performance Monitor是专为MindSphere而设计的特殊应用，让用户可以充分利用云服务的优势并实现增值。Simatic MindApps从生产设备导出相关数据进行分析，将其处理成有意义的信息并显示在仪表板上，或将其用作智能报警系统和消息显示的基础。为确保这些数据与其所服务的工厂和基础设施一样安全，Simatic MindApps采用了符合IEC 62443标准的“纵深防御”理念，以防范当前和未来的网络威胁。
西门子将推出新一代软起动器Sirius 3RW5，能满足从较简单到较复杂的驱动需求。该系列设备专为确保5.5-1,200 kW三相异步电机的平稳启动而设计，可用于以较其简单、经济的方式实施高效的、面向未来的机器概念。

过程工业各行业进入数字化

“现在正是利用数字化潜力和优势来优化过程工业整个价值链的时机。”西门子股份公司过程工业与驱动集团**执行官Jürgen Brandes强调，这对新建（绿地）工厂与现有（棕地）工厂同样适用。重要的第一步是一致地使用公司已有的静态和动态数据，以实现全生命周期各个环节的透明度，以此为基础实现优化。“得益于我们深厚的电气化和自动化专业知识，我们支持不同企业实施相应的数字化转型。在每个案例中，我们的产品都根据客户的增值和商业模式量身定制。”在此，西门子全新“数字化咨询”理念能够起到重要作用。这需要与客户开展合作，理清整个价值链各个环节公司的数字化转型范围，并绘制数字化路线图，包括计算所需的投资。
过程工厂的数字化双胞胎在其中发挥着重要作用。数字化双胞胎模型始于工程设计阶段，并且通过工厂整个生命周期不同阶段的数据获得更新和丰富。对来自工厂现场层的过程数据及其他智能传感器数据的持续分析，可带来全新的透明度水平，从而实现过程维护和服务的显着改善。数字化双胞胎在工厂试车时也能带来决定性的益处。在此，Simit仿真软件9.1版本能以更简单的方式结合虚拟工厂试车和用户培训，从而将实际试车速度加快60%，并将停机时间降至较低——特别是在工厂转型和升级过程中。
西门子在汉诺威工业博览会上展示的另一项创新成果是Sidrive IQ，这是利用MindSphere评估驱动数据的一个全新数字化平台。它能为工厂和设备用户提供针对已安装驱动系统的全新数据透明度，简化机队管理并优化维修服务。对数据的连续分析可以节省时间并延长设备正常运行时间，譬如通过及早发现并纠正可能的错误根源的方式。这些益处使Sidrive IQ成为在整个生命周期各个环节提高驱动技术的效率和生产力的基础。 
时间敏感型联网TSN是本次展示的另一个主题。即使在较端的网络负载下，TSN也可以实现自动化设备之间更强大、可靠和标准化的以太网通信。Profinet网络基础设施未来将会逐步升级，集成基本的TSN技术。作为实现这一目标的第一步，西门子将展示基于TSN的OPC UA PubSub如何用在控制层级——以展会机器人模型为例。

智能能源管理

如果没有稳定的能源供应，顺畅的生产运行和不间断的生产流程是不可想象的。工业对能源的需求日益增长，需要全新的能源解决方案—提高效率以降低能源成本，从而增强竞争力。汉诺威展会上西门子展位的亮点之一是无缝交互带来的客户受益，这些交互发生在安全可靠的能源供应解决方案、具备通信功能的计量设备和复杂的数据分析之间。这些交互带来能源透明度，能源透明度对实现较佳能源管理至关重要。西门子股份公司能源管理集团**执行官Ralf Christian表示：“这还包括寻找更智能的方法，处理当今配电领域不断增加的海量数据。利用数字化应用，我们能为客户提供智能分析工具，提高运营效率。”以西班牙汽车制造商Gestamp为案例，西门子将展示更高的能源透明度如何助力实现节能15%并使二氧化碳的排放显着降低。收集的数据还将上传到MindSphere。MindApp Energy Efficiency Analytics应用程序可计算能源需求，根据实际情况给出减少负荷的并利用来自多个地点的实时耗能数据，帮助优化工厂和生产流程，从而降低企业的总能耗。Ralf Christian解释说，“在业界寻找降低生产成本的新方法方面，除优化能源效率外，自发电变得越来越有吸引力。”在汉诺威展会上，西门子将展示公司如何消弭用电高峰，充分利用波动电价，并创造额外收入—譬如通过参与能源平衡市场的方式。需求响应、电池储能系统和微电网控制相关方面也纳入在西门子的解决方案中。
除位于9号展厅的主展位外，西门子还与位于6号展厅的合作伙伴密切合作，展示PLM软件组合。在27号展厅“综合能源广场”，来访者将能了解整个综合系统的工作原理，其中涉及能源生产、分配和储能、能源需求等各个环节。在此背景下，西门子将展示电动汽车亮点：来访者将能发现充电基础设施的完整解决方案，并了解组件、充电管理系统和完整的端到端解决方案相关信息。

1.1 S7-1200 的PROFINET 通信口
S7-1200 CPU 本体上集成了一个 PROFINET 通信口，支持以太网和基于 TCP/IP 的通信标准。使用这个通信口可以实现 S7-1200 CPU 与编程设备的通信，与HMI触摸屏的通信，以及与其它 CPU 之间的通信。这个PROFINET 物理接口是支持10/100Mb/s的 RJ45口，支持电缆交叉自适应，因此一个标准的或是交叉的以太网线都可以用于这个接口。

1.2 S7-1200支持的协议和较大的连接资源

S7-1200 CPU 的PROFINET 通信口支持以下通信协议及服务
? TCP
? ISO on TCP ( RCF 1006 )
? S7 通信 (服务器端)

通信口所支持的较大通信连接数
S7-1200 CPU PROFINET 通信口所支持的较大通信连接数如下：
? 3个连接用于HMI (触摸屏) 与 CPU 的通信
? 1个连接用于编程设备（PG）与 CPU 的通信
? 8个连接用于Open IE ( TCP, ISO on TCP) 的编程通信，使用T-block 指令来实现
? 3个连接用于S7 通信的服务器端连接，可以实现与S7-200，S7-300以及 S7-400 的以太网S7 通信
S7-1200 CPU可以同时支持以上15个通信连接，这些连接数是固定不变的，不能自定义。

TCP（Transport Connection Protocol）
TCP是由 RFC 793描述的标准协议，可以在通信对象间建立稳定、安全的服务连接。如果数据用TCP协议来传输，传输的形式是数据流，没有传输长度及信息帧的起始、结束信息。在以数据流的方式传输时接收方不知道一 条信息的结束和下一条信息的开始。因此，发送方必须确定信息的结构让接收方能够识别 。在多数情况下TCP应用了IP (Internet protocol) ，也就是“TCP/IP 协议”， 它位于 ISO-OSI 参考模型的*四层。
协议的特点：
? 与硬件绑定的高效通信协议
? 适合传输中等到大量的数据 (<=8192 bytes)
? 为大多数设备应用提供
– 错误恢复
– 流控制
– 可靠性
? 一个基于连接的协议
? 可以灵活的与支持TCP协议的第三方设备通信
? 具有路由兼容性
? 只可使用静态数据长度
? 有确认机制
? 使用端口号进行应用寻址
? 大多数应用协议，如TELNET、FTP都使用TCP
? 使用 SEND/RECEIVE 编程接口进行数据管理需要编程来实现西门子CPU

1.3 硬件需求和软件需求
硬件：
① S7-1200 CPU
② S7-300 CPU + CP343-1（支持S7 Client）
③ PC（带以太网卡）
④ TP以太网电缆
软件：
① STEP 7 Basic V10.5
② STEP 7 V5.4

2. ISO on TCP 通信
S7-1200 CPU 与S7-300/400 之间通过ISO on TCP 通信，需要在双方都建立连接，连接对象选择“Unspecified”。
所完成的通信任务为：
① S7-1200将DB3里的100个字节发送到S7-300的DB2中
② S7-300将输入数据IB0发送给S7-1200的输出数据区QB0。

2.1 S7-1200 CPU 的组态编程
组态编程过程与 S7-1200 CPU 之间的通信基本相似 （见 6.3 ），这里简单描述一下步骤：
① 使用STEP 7 Basic V10.5 软件新建一个项目
在STEP 7 Basic 的“Portal View”中选择 “Create new project”创建一个新项目
② 添加新设备
然后进入“Project view”，在“Project tree”下双击“Add new device”，在对话框中选择所使用的S7-1200 CPU添加到机架上，命名为 PLC_1。
③ 为 PROFINET 通信口分配以太网地址
在“Device View”中点击 CPU 上代表PROFINET 通信口的绿色小方块，在下方会出现PROFINET 接口的属性，在 “Ethernet addresses”下分配IP 地址为 192.168.0.1 ，子网掩码为255.255.255.0。
④ 在 S7-1200 CPU 中调用“TSEND_C”通信指令并配置连接参数和块参数
在主程序中调用发送通信指令，进入“Project tree” > “ PLC_1”>“Program blocks”>“Main”主程序中，从右侧窗口“Instructions”> “Extended Instructions”>“Communications”下调用“TSEND_C”指令，并选择“Single Instance”生成背景 DB块。然后单击指令块下方的“下箭头”，使指令展开显示所有接口参数。
然后，创建并定义发送数据区 DB 块。通过“Project tree”>“ PLC_1”> “Program blocks” >“Add new block” ，选择 “Data block”创建 DB 块，选择**寻址，点击“OK”键，定义发送数据区为 100个字节的数组。
根据所使用的参数创建符号表，如图1所示。
配置连接参数，如图2所示。
配置块接口参数，如图3所示。

图1 创建所使用参数的符号表图PLC tag

图2 配置连接参数

图3 配置 TSEND_C 块参数

⑤ 调用“TRCV”通信指令并配置块参数如图6 47所示。
因为与发送使用的是同一连接，所以使用的是不带连接的发送指令“TRCV”，连接“ID”使用的也是“TSEND_C”中的“Connection ID”号，如图4所示。

图4 配置 T_RCV 块参数

2.2 S7-300 CPU 的ISO on TCP通信的组态编程
① 使用STEP 7 软件新建一个项目并进行硬件组态
创建完新项目，在项目的窗口下，右键菜单里，选择“Insert New Object”>“SIMATIC 300 Station” ，插入一个S7-300 站。
为了编程方便，我们使用时钟脉冲激活通信任务，在CPU的“Properties”＞“Cycle/Clock Memory”中设置，如图5所示。

图5 设置时钟脉冲

每一个时钟位都按照不同的周期／频率在０和１之间切换变化，见表1。
表1：时钟位频率

② 配置以太网模块
进入“HW Config”中，组态所使用的 CPU 及“CP343-1”模板。并新建以态网 Ethernet (1) ，配置“CP343-1”模板IP 地址为：192.168.0.2，子网掩码为： 255.255.255.0 。如图6所示。配置完硬件组态及属性，编译存盘并下载所有硬件组态。

图6 S7-300 硬件配置

③ 网络组态
打开 “NetPro” 配置网络，选中 CPU，在连接列表里建立新的连接并选择连接对象和通信协议，如图7所示。

图7 创建新的连接并选择 ISO-on-TCP 协议

这时会跳出通用信息，如图8所示。

图8 通用信息

然后，进入“Addresses”配置通信双方的IP 地址及TSAP 地址，如图9所示。

图9 配置通信的IP 地址及TSAP 地址

配置完连接并编译存盘后，将网络组态下载到CPU300中。

④ 软件编程
在OB1中，从“Libraries”>“SIMATIC_NET_CP”>“CP300”下，调用FC5（AG_SEND）、FC6（AG_RECV）通信指令。创建接收数据区为 DB2，定义成100个字节的数组。
CALL “ AG_RECV” //调用FC6
ID ：=1 // 连接号，要与连接配置列表中一致，见图8
LADDR ：=W#16#100 //CP的地址，要与配置中一致，见图8
RECV ：=P#DB2.DBX 0.0 BYTE 100 //接收数据区
NDR ：=M10.0 //为1时，接收到新数据
ERROR ：=M10.1 //为1时，有故障发生
STATUS ：=MW12 //状态代码
LEN ：=MW14 //接收到的实际数据长度

CALL “AG_SEND” //调用FC5
ACT ：=M0.2 //为１时，激活发送任务
ID ：=1 // 连接号，要与连接配置中一致
LADDR ：=W#16#100 //CP的地址，要与配置中一致
SEND ：=IB0 //发送数据区
LEN ：=1 //发送数据的长度
DONE ：=M10.2 //为1时，发送完成
ERROR ：=M10.3 //为1时，有故障发生
STATUS ：=MW16 //状态代码西门子CPU