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SIMATIC S7-1200的以太网通信能力：协议与资源解析
在工业自动化领域，PLC的通信能力往往直接影响着整个控制系统的灵活性与高效性。西门子SIMATIC S7-1200系列PLC作为一款广泛应用的中小型控制器，其强大的以太网通信功能是其核心优势之一。本文将详细解析S7-1200的以太网协议支持以及连接资源管理，帮助工程师更好地规划和搭建工业通信网络。
一、S7-1200的PROFINET通信口
S7-1200 CPU本体上集成了1个或2个PROFINET通信口（CPU 1211C - CPU 1214C为1个，CPU 1215C - CPU 1217C为2个），这些通信口支持以太网以及基于TCP/IP和UDP的通信标准。
其物理接口为支持10/100Mb/s的RJ45口，并且具备电缆交叉自适应功能，这意味着无论是标准以太网线还是交叉以太网线，都可以直接用于该接口的连接，极大地方便了现场布线。
通过这个PROFINET通信口，S7-1200可以实现多种通信场景：
- 与编程设备（如安装了TIA Portal的电脑）的通信
- 与HMI触摸屏的交互
- 与其他CPU之间的数据交换
二、支持的以太网协议与服务
S7-1200的PROFINET通信口支持丰富的通信协议及服务，固件版本V4.6主要包括：
- Profinet IO：支持作为IO控制器、智能设备（I Device）以及共享设备功能
- PG通信：用于编程调试
- HMI通信：与触摸屏等人机界面设备通信
- S7通信：与其他西门子S7系列PLC进行数据交换
- 开放式用户通信：包括TCP、ISO on TCP、UDP等
- Email：支持发送电子邮件
- 安全开放式用户通信：提供更安全的通信方式
- Web服务器：可通过网页浏览器访问PLC数据
- OPC UA服务器：支持基于OPC UA标准的通信
这些协议和服务覆盖了工业控制中常见的通信需求，使得S7-1200能够轻松融入各种自动化网络架构。
三、S7-1200的连接资源管理
S7-1200的连接资源管理是确保各类通信稳定运行的关键，其采用了"预留资源+动态资源"的灵活分配机制。
1.预留连接资源
如表所示，S7-1200为各类通信分配了固定的预留连接资源，这些资源无法更改，确保了基本通信需求的满足。
| 通信类型 | 编程 PG 通信 | HMI 通信 | S7 通信 | 开放式用户通信 | Web 服务器 | 动态资源 |
| 预留连接数量 | 4（保证 1 个 PG） | 12（保证 4 个 HMI） | 8 | 8 | 2 | 34 |
2.最大连接资源与动态资源分配
除了预留资源，S7-1200还允许通过动态资源扩展各类通信的连接数，但每类通信有最大资源占用限制，如下表2所示：
| 编程 PG 通信 | HMI 通信 | S7 通信 | 开放式用户通信 | Web 服务器 | OPC UA | |
| 可以使用的最大连接资源数量 | 4（保证支持 1 个 PG） | 18 | 14 | 14 | 30 | 10 |
| 可以使用的动态资源数量（最大-预留） | 0 | 6 | 6 | 6 | 28 | 10 |
3.资源使用规则
- 连接会优先使用预留资源，当预留资源用尽后才会使用动态资源
- 动态资源采用"先到先得"的分配原则
- 当动态资源全部被占用后，即使某类通信未达到最大连接数，也无法再增加连接
举例说明：如果S7通信占用6个动态资源，HMI占用6个，OPC UA占用10个，开放式通信占用6个，那么仅剩6个动态资源可用于Web通信。加上2个预留Web资源，总共8个，这无法保证1个Web浏览器客户端的正常使用（因为1个Web浏览器最多可能使用10个连接资源）。 这个例子提醒我们，在规划通信时需要充分考虑各类通信对动态资源的占用情况，避免因资源分配不当导致通信异常。
4.Profinet IO连接能力
除了上述连接资源外，S7-1200在Profinet IO方面还有独立的连接能力： - 作为IO控制器时，最多可连接16个IO设备，支持256个子模块
- 可同时作为智能设备（I Device）连接到IO控制器
- 使用共享设备功能时，最多可同时连接2个IO控制器 这些Profinet IO连接资源与前述的连接资源相互独立，可以同时存在，不影响彼此的使用。
5.PG与HMI通信的特殊说明
PG连接资源 虽然PG通信预留了4个连接资源，但实际上1台S7-1200同时只能连接1个PG（即1台电脑通过TIA Portal进行在线连接调试），这一点在协作调试时需要特别注意。
6.HMI连接资源
HMI通信的资源占用较为特殊，不同类型的HMI设备可能占用不同数量的连接资源，具体如下所示：
不同HMI类型的连接资源占用（* 注：如果未使用系统诊断或报警组态，每个HMI连接仅占用1个资源）
例如，1个精智面板的连接通常会占用S7-1200的2个HMI资源。因此，在规划HMI数量时，需要根据实际选用的HMI类型来计算所需的连接资源。
如上图所示，1 个精智面板的连接占用 S7-1200 2 个 HMI 资源。
这个连接个数是这个 HMI 设备所能占用 S7-1200 的最大 HMI 连接个数，可以作为选型参考。
Smart 触摸屏不支持 S7-1200
7.S7 自由连接使用动态资源而非 S7 通信资源
S7 自由连接是指当某 S7 CPU （或者 SIMATIC NET ）建立未指定 S7 连接，指向一个 S7-1200，该 S7-1200 使用 1 个动态资源。
在 TIA PORTAL 软件的设备视图的 CPU 属性中的连接资源，可以看到如图所示的已组态资源情况。其中项目中已组态的 S7 通信、HMI 通信（集成连接）、开放式用户通信（网络视图组态）可以在已组态列看到通信使用情况，而其他通信资源占用情况在离线项目无法得知。如图1中所示目前该 CPU 通过组态占用 1 个 S7 通信资源，3 个 HMI 资源 ，1 个开放式用户通信。
下图图中实际使用资源如下：
③预留列已用 PG 资源 1， S7 通信资源 1，开放式用户通信资源 1， Web 通信资源 2，总共使用资源 5
④动态列已用 Web 通信资源 1， OPC UA 通信资源 1，总共使用资源 2
合计使用资源 7，剩余资源 61
四、物理网络连接
S7-1200的物理网络连接方式 S7-1200的PROFINET口支持两种常见的网络连接方法：
1.直接连接
当只有两个通信设备（如S7-1200与编程设备、HMI或另一台PLC）时，可以采用直接连接方式，无需使用交换机，只需用网线直接连接两个设备即可，非常方便临时调试或简单的点对点通信。
2.网络连接
当有多个通信设备需要通信时，就需要使用以太网交换机来构建网络。西门子推荐使用导轨安装的CSM1277 4口交换机，它支持即插即用，无需任何设置，可方便地连接多个CPU及HMI设备，构建一个小型工业以太网。
六、总结 SIMATIC S7-1200系列PLC凭借其丰富的以太网协议支持和灵活的连接资源管理，为中小型自动化系统提供了强大的通信解决方案。无论是与编程设备、HMI的基础通信，还是与其他PLC的协同工作，甚至是基于Web、OPC UA等标准的现代化工业通信，S7-1200都能轻松应对。 在实际应用中，工程师需要根据系统的通信需求，合理规划和分配连接资源，特别是动态资源的使用，以确保各类通信的稳定可靠。同时，选择合适的物理连接方式和网络设备，也是构建高效工业通信网络的重要环节。 通过充分利用S7-1200的以太网通信能力，我们可以构建出更加灵活、高效、智能的自动化控制系统，为工业4.0的实施奠定坚实基础。