当前的高效自动化的基础是数字通信网络，因而随着数字化程度的提高，对工业通信网络的要求也不断提高。工业现场需要强大的、集成的、越来越具有实时性的通信网络。工业以太网是久经考验的技术，可以助力工业应对这些挑战。

本期邀请的技术专家赵欣具有十几年西门子工业网络应用经验。是西门子自动化系统技术专家，通过此次系列课程，帮助大家理解、规划、诊断和优化PLC通信，特别是深入介绍了S7-1500 TCP/IP通信的原理和特性，揭开所有关于PLC TCP/IP的通信秘密！

内容涵盖了:

TCP/IP协议和概念，通信缓冲区的概念和作用

通信功能块的引脚说明和使用技巧，理解DONE和NDR的意义以及Keepalive定时器的原理和作用

故障报警和分析与数据一致性解析

影响通信速度的因素，带宽、流量定形和通信负载之间的关系

对比TCP，ISO on TCP和UDP协议的特性及应用说明

连续5期，通过提供丰富的课程素材、大量使用动画和实验视频，以直观和形象的方式助力理解通信的概念和原理、TCP/IP通信的特性和功能块的应用，使工程师可以更加灵活的编写TCP/IP程序和诊断故障，学会使用Wireshark软件来捕捉和分析报文。

通过此次课程您可以了解通信技术原理、学习故障分析的技术方法和手段，课程提供一条掌握网络应用和诊断的便捷之路！

直播答疑汇总

1

什么Shadow Buffer和Stack Buffer?

Shadow Buffer和Stack Buffer手册中没有定义，为了让大家理解TCP的通信原理，我们需要知道这两个Buffer。前者是在TCP的规范中定义，需要这个缓冲区缓存数据，PLC中的这个缓冲区用于DB和Stack Buffer的桥梁，而且用来决定数据一致性的大小。称为Shadow Buffer，影子Bufffer，是因为像人的影子一样，Shadow Buffer的大小都会小于等于DB区的大小。

Stack Buffer是系统决定的，ISO/OSI参考模型的第4层，用于缓存数据的打包和解包，大小为8K。

2

什么是Keepalive?

当网线断开，Keepalive定时器超时，会清空发送端和接收端的Shadow Buffer和Stack Buffer缓冲区中的数据。S7-1500CPU例外，不会清除接收端Shadow Buffer中的数据。

3

什么是流量定形？

4

是否采用可变长度的TCP/IP协议来通信？

不推荐采用，AD-hoc模式是可以实现变长的TCP/IP通讯的，但使用AD-hoc模式需要注意两点：

（1）1500字节减去IP头20个字节，减去TCP头20个字节，即1460个字节的数据传输。大家想用第三方设备和PLC做通讯，要使用TCP协议的话，可能需要变长的模式，在1460字节范围内是可使AD-hoc模式做通讯。

（2）比较底层的原因，即使使用小于1460字节的长度去AD-hoc通信，也有可能造成数据对应不一致，可能的原因就是接收端的接收速度慢。

5

交换机的规格不一样，分别有些什么配置？

测试环境使用了Scalance 200 系列的交换机204-2，另外一个实际上不是交换机而是2个双口TAP，实现物理硬件的网络连接。对于200系列交换机，采用端口镜像来实现数据抓包；XM400，使用其TAP功能，可以捕捉IRT的数据，而且是双向IRT的数据，不需要改网卡的设置，也可以看VLAN Tag的标签。

6

设置Minimum Cycle Time对Communication Load有什么影响吗？

如果PLC不设置小循环周期，那么程序中断加上通讯能运行多长时间就是多长时间，没有富余的时间去处理其他操作。对1500来说，设置默认的通讯负载是50%，在有大量的通讯存在的情况下，通讯负载是超不过50%的，如果设置了Minimum Cycle Time，假设程序运行的时间纯粹为2毫秒，设置的Minimum Cycle Time为10毫秒，意味着有8毫秒是free的，可以用来做通讯，此时即使设置了50%的通讯负载的上限，有大量通讯的情况下实际通讯负载照样可以超过50%。

7

TCP的通信数据量大64k, 那么当通信传送的数据变化很快，是否有数据一致性的保证，比如发送16k数据，只有8k是一致的？

TCP/IP通讯要想保持数据一致性，只有DONE信号结束完成之后，你才能去修改数据，否则不能保证你发送的64k数据全是一致的，而只能保证每个8k的数据是一致的，即大的一致性数据是8k。

8

交换机出现数据风暴的由来？

数据风暴其实就是所谓的广播风暴，简单理解就是本地网络中存在大量的广播报文，导致通讯无法进行甚至网络瘫痪。实际上它是一种普遍的网络问题，解决这个问题的关键是减少广播报文的出现，产生广播报文的原因有很多种，常见的在工厂里有PC中了蠕虫病毒，向网络中发送大量的广播数据，引起网络堵塞，造成广播风暴。另外一个点是工厂使用一些测试网络工具，会周期性的向网络发送大量广播以获得网络状态信息。还有一些其他原因，比如网线短路等。

9

常用的Ping和ARP指令有什么区别？如果一台设备不知道IP,如何快速知道IP？

两者其实并不能放在一起比较。Ping指令用于检测通信方是否可达。用Ping去控制时间，可以用短时间Ping大量数据。比如：可以Ping 8k的数据，底层用的都是IP的协议。ARP是对自己的设备来说去查表，比如ARP-A，可以看到里面的ARP的IP地址和MAC地址的映射关系，只有获得对方的MAC地址才能与对方进行通信，如果没有，则发送ARP广播来获取通信方MAC地址。

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上位机的TCP/IP 跟1500的TCP/IP传输时间一样吗？

无论是两台PC做TCP/IP还是1500之间做TCP/IP通讯，肯定的一点是网络传输的速度是一样的，打包，解包的堆栈时间，取决于网卡的性能，对于西门子网卡和市面上普通网卡这两部分的时间应该都是类似的，后剩余的就是我发送的循环周期和接收的循环周期谁快，对于PC来说未必比PLC快。如果PC发送周期比PLC长，那么PC的TCP/IP通讯肯定会慢。如果两者发送周期一样，发送速度几乎是一样的，没有太大差距。

11

环形网络需要在交换机设置才能避免数据广播风暴？

首先以太网是不支持环网的，需要环网管理协议，比如用MRP，HSP(快速冗余环网协议)等，这些都是有管理器和客户端的，由这些协议来控制环网。这种冗余方式当有一台设备坏了，可以切换过去，保障其他设备继续进行通讯，此时是避免了数据广播风暴的。

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扫描周期不一样，会出现丢包的问题吗？

这个扫描周期是指做CPU的扫描周期，比如说设10毫秒，20毫秒或1毫秒等。TCP/IP的丢包有很多原因，比如网线短路或者做路由通信，路由器所造成的一部分丢包等等。但丢包没关系，TCP是可靠的安全的连接，有丢包其会重新发送，与扫描周期没关系，是由TCP/IP协议来决定的。

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轮流跟多台西门子CPU通信，周期约5s，是否需要主动建立或断开连接？

一个CPU取决于PLC的连接资源的数量，假如一个PLC可以连接16个做TCP/IP通讯，也就是可以连接16台设备，连到第17台设备的时候要想通讯，需要断开一台TCP的连接，把资源释放掉再重新跟第17台做通讯，这种情况下才可以做轮流通讯。但至于说5s，因为不知道数据量多大，如果数据通讯量很少，5s够用。

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使用TCON建立了解发送和接受数据，会影响CPU的扫描周期吗？

首先TCON是建立一个通讯资源，通讯资源的建立注册是一个程序的执行，并没有完成发送和接受数据，所以不影响扫描周期，只是消耗数据代码的时间。

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连接建立后，TSEND和TRCV数据量大小对扫描周期的影响？

对扫描周期的影响很大，CPU默认的通讯负载是50%的情况下，它会处理PG在线程序等等，这些都会增加通讯负载里50%的负载，那么你的数据量越大，你要消耗的CPU的时间片的通讯部分就会越大，所以对扫描周期的影响就会越大。

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CPU通讯负载可以调节的吗？

CPU通讯负载可以调节，因为在CPU设置的属性里，通讯负载是可以调节的，对1500PLC来说，默认是50%。

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Keepalive时间是固定间隔发的吗？那如果断线后，再连接网线，重连的时间就不固定了？

Keepalive参数open出去了，意味着允许用户修改，默认时间是30s。设置多长时间，Keepalive探测帧就按照多长时间发送。还有在Keepalive设置为0的情况下，Keepalive就被禁止了。重连的时间取决于网络端口，例如自适应的端口时间，还有就是REQ的发送频率，越快重连时间越短。

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Keepalive是客户端行为还是服务器端行为？

Keepalive与是客户端行为还是服务器端行为没有关系，是双方根据自定义的时间间隔，周期性的向通讯伙伴发送Keepalive探测帧，然后伙伴予以应答。

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双方设定的Keepalive时间是如何协调的？是在通信握手的时候就协商时间，按短的设置时间发送吗？

首先在握手的时候和Keepalive没有关系，也不会协商这个时间，握手只是做连接，主要确定堆栈Buffer大小。

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1500TCP通讯怎么清缓存区，固定长度报文，对方发送长度造成接受混乱错位？

清缓存区不是人为可以清除的，除非释放资源TDISCON。Keepalive超过30s后会清缓冲区，但清缓冲区是发生断线的时候去清，那么除了断线，也有可能是网络拥堵而造成的超时等问题。

“如果指的是发送和接收的数据不匹配的话”，在做TCP/IP通讯的时候，我们在小于1460个字节的时候，可以使用AD-hoc模式，可以进行变长的数据通讯，这时数据可以基本争取的被接收，具体看问题4。

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CPU的缓冲区是针对所有通讯链接使用同一个缓冲区，还是不同链接开辟不同缓冲区？

这个直接关系到CPU通讯资源的问题，比如315-2PN/DP有16个TCP/IP的连接，大家首先想到的肯定是可以连接16个通讯伙伴，但实际上来说，在内部当中，就表示我有多少内存大小分配给通讯去做数据交换。说白了，就是能给一个通讯分配多大的Shadow Buffer 和堆栈Buffer。既然有16个连接，有8k的Shadow Buffer和8K的堆栈Buffer，就意味着我们以Shadow Buffer或堆栈Buffer为例，都是8k。所需要的缓冲区大小至少是2x8x16，即CPU给你资源的分配都是按照内存的大小分配好的，不是共用的，每一个TCP的通讯都是individual，去用自己的Shadow Buffer和堆栈Buffer。

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如何理解数据一致性的概念？

例如我从A向B发送1040个字节，但是由于我PLC的性能决定它大的一致性是800的字节，那么多了的字节需要第二次才能发送出去。如果在你第二次发送给B剩余的240个字节的时候，B的PLC修改了后240字节中的数据，那么这时我们次发送的800个字节和后面发送的240个字节就不一致了。不一致重要的影响在于，如果你做项目的时候利用这1040个字节做运算，eg：复杂的工艺上的计算、运行数据上的计算，那么计算时我需要这些数据是一致的。从A到B的过程中这些数据不能出现变化，要保持同一时刻数据是一致的，这时你算出来的结果才是正确的。如果单纯传数据作为显示，大家可能不会注意到。但是计算时不能忽略数据的一致性。

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探测帧怎么用于断线诊断？程序怎么写？

编程是不需要的，只需要修改Keepalive参数。如果你希望在5秒内判断断线故障，你就把参数设成5秒。同时REQ不能手动去使能。如果REQ 20秒使能一次，那么判断出错故障至少需要20秒。如果REQ 100毫秒的循环周期使能，那么就能在5秒钟左右发现断线故障。

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Shadow Buffer和堆栈Buffer在CPU的哪个存储区？

这个手册中并没有说明，近讲的都是我总结出来的。这里希望给大家展示原理的探秘。手册即使没有说，但在老s7-400的手册中有提到：通信资源建立后，要在系统存储器中建立通讯缓冲区。所以对于400来说，Shadow Buffer是存在在系统存储器中。堆栈Buffer在网卡的缓冲区里。对于300确切的位置手册里没有说。在建立通讯缓冲区时就是在建立通信资源，Buffer都是独立分开的，开启Shadow Buffer就是在占用CPU资源。堆栈Buffer都是存在的，只是用的协议不同，谁要用谁就建立连接占用这部分通信资源。然而理论上这两个缓冲区都应该存储在CPU的接口网卡中。

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OB1程序段里先通过TCON建立通讯，后一行再TDISCON，CPU是真的在每个扫描周期都要重新建立一次通讯，然后再断开一次释放通讯资源吗？会不会一个周期内无法完成？

我们在建立连接和断开连接的一个循环周期里，同样，如果我们使用一个wait指令，使用一个loop循环去循环三秒钟。有些事情如果大家想不清楚大家可以去延长CPU的循环周期。在开始使用TCON建立连接，实际上并没有通讯起来，只是建立了资源和缓冲区，包括对应的端口号、IP等，都注册进去。结尾再TDISCON断开，资源就被释放了。是这样一个过程。

26

一般有多个通讯的CPU，怎么把握CPU扫描周期设为多少合适？

大家还是自己去思考，如何优化设置多少合适。如果设置小扫描循环周期为15ms，且CPU的代码执行是5毫秒，这是为了给更多的通讯让路，给更多的通讯分配额外的资源，但这就损失了你的循环周期，进一步损失了你的响应周期。这是一把双刃剑，可能会影响你实时的控制，那么你可以设置10ms，来满足你现场的控制。还是要看通讯有多少输入量。如果现场用到很多的连接，那么必须通讯优先，通讯荷载设置50%，为了通讯响应更好，那就要设置合适的循环周期，一方面保证我的通讯，一方面保障我现场控制的实时要求。

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在通讯时，RT通讯为什么比TCP快？

这个问题比较系统。，对于TCP/IP通讯和PN通讯，我们在总线上传输的速度是一样的，都是100兆，这一点大家可以忽略比较；第二，就是堆栈。上几节课我提到了关于ISO/OSI参考模型的堆栈，PN RT使用的第七层和物理层（也就是二层），中间没有TCP/IP，也就意味着应用层（第七层）的数据会直接加载到物理层上去，为什么PB DP也快，原因是一样的，都是第七层落到物理层。对于TCP/IP，它堆栈没有PN快，因为数据进来需要TCP的打包、需要IP的打包，再在接收时解包，堆栈角度没有PN快。还有一个条件在于我们的芯片，芯片性能要一致，要在同样的性能上做比较。还有一点在于数据处理，Shadow Buffer对于通讯的处理。PN在数据发送中能以小的以太网GAP进行发送，以太网之间小的时间间隔时12个字节，TCP做不到，因为他要存储、等待、加载，于是从发送的角度PN RT也比TCP快。综上三个角度，RT通讯比TCP快。

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TCP的变长接收是什么原理呢？

原理很复杂，原因在于我们看TCP标准没有AD-hoc模式，我们只在接收方有这个参数，接收的CPU告诉网卡要截取堆栈缓冲区取得数据，然后给Shadow Buffer。如果是1460的字节，就不会出错，但如果超过1460，无法取得正确数据。例子中还按1024字节去发送，发送9次，TCP/IP接收不激活的情况下，接收端就堆满了，当滑动窗口放开，发送的数据就变为了1460字节，这样数据的位置会发生变化，导致不能收到正确的数据。ISO on TCP是佳的可变长度协议。

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ISO on TCP与PC端也能通信吗？

ISO on TCP也是开放式通信协议，跟TCP UDP一样，只要 PC端支持，就可以和西门子的PLC做通信。

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S7协议和以太网协议有什么区别？

S7协议是西门子内部私有协议，不对外公开，只在西门子产品进行使用；是以太网协议的一部分，以太网协议范围很广泛。

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TCP 和S7 协议怎么选择？

如果使用TCP，在底层处理效率会更高，因为S7是在加载TCP基础之上的。但是差异不明显，只是使用S7协议的时候，是在西门子产品之间；如果和第三方通讯的话，就要选择TCP协议。所以根据目标对象支持的协议进行选择即可。

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只用Wireshark 与交换机连接，不是需要做端口镜像吗？

不使用交换机，就要用TAP 或者Bany设备，Bany Scope是结合硬件设备去使用的。可以先买价格较低的TAP做测试，性能上有一些限制。如果大家想做这方面研究，的是镜像，条件允许就买Bany设备。