S7-300 PLC与DCS控制系统的通信

如何实现西门子S7-300 PLC与DCS控制系统的通信

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一、 引言

现代工业的迅速发展，不断促进着自动化控制技术及设备通信技术创新的发展。当前，PLC、DCS、智能仪表等已广泛应用到现场生产控制系统中，并发展到由上述设备相互协同、共同面向整个生产过程的分布式工业控制系统。在此系统中，现场总线通信技术至关重要。本文就某水利站分布式控制系统项目，介绍上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP协议网关设备的应用。 二、 系统组成 1、系统结构

本系统构成如图1，其中略去了西门子S7-300PLC之外的其它现场级控制设备。系统上位机采用横河CS3000型DCS集散控制系统，实现对整个水利项目进行集中监控。下位机之一采用的是西门子S7-300系列PLC，实现对现场各种智能仪表，包括现场电机、智能开关、变频器、传感器等执行、检测设备的启停控制、信息采集等操作。

图1 系统结构

在上图所示系统结构中，现场各种智能仪表（采用的是Modbus协议或者各种非标协议，接口为RS485、RS422或者RS232）都能够通过上海泗博自动化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）转Profibus-DP网关PM-160连接到西门子S7-300PLC。此时，网关PM-160在串口侧的协议类型为Modbus主站或者通用模式。横河DCS对西门子S7-300PLC的数据采集和监控同样需要使用上海泗博自动化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）转Profibus-DP网关PM-160，此时，网关PM-160

在串口侧的协议类型为Modbus从站。 2、通信网络组成 2.1 Profibus协议简介

PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。

PROFIBUS 现场总线通讯协议包括三个主要部分：

? PROFIBUS DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。

? PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

? PROFIBUS FMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换

其中，PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-DP 可以连接远程I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备， 一条PROFIBUS-DP 总线可以最多连接123 个从站设备。PROFIBUS-DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里，最多可以采用9 个中继器，最远通讯距离可达9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3 公里。 2.2 Modbus协议简介

Modbus协议是一种适用于工业控制领域的主从式串口通讯协议，它采用查询通讯方式进行主从设备的信息传输，可寻址1-247个设备地址范围。协议包括广播查询和单独设备查询两种方式，二者区别就是广播查询不需要从设备回应信息，主、从设备查询通讯过程见图2：

图2 Modbus主、从设备查询响应

Modbus协议常用功能码如图3所示：

图3 Modbus协议常用功能码

Modbus协议有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式较ASCII模式能传输更多的数据，所以工业网络大都采用RTU模式。RTU模式下的信息传输报文格式如图4：

图4 Modbus RTU信息报文格式

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它没有起始位和停止位，而是由至少3.5个字符间隔时间作为信息的起始和结束标志。信息帧所有字符位由16进制字符0-9、A-F组成。 Modbus RTU通讯协议帧结构：

图5 RTU通讯协议帧格式

Modbus RTU方式主站读取从站寄存器数据示例：主设备查询。

图6 主设备查询格式

Modbus RTU方式主站读取从站寄存器数据示例：从设备响应。

图7 从设备响应格式

2.3 网络构成及硬件介绍

如图1所示，在该系统设计中有两个网络使用了上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP网关PM-160。网关在这两个网络中的作用不一样，其中： 在上层网络中（建立西门子S7-300PLC和横河DCS连接通信），Modbus转Profibus-DP网关PM-160在Modbus侧做Modbus从站，在Profibus-DP侧做从站，建立Profibus-DP主站（西门子S7-300 PLC）和Modbus主站（横河CS3000）的通信。DCS通信部分采用横河型号为ALR121的通信模块，并配套横河提供的Modbus通信软件包，该通信模块最大通信数据容量为4000字。通过上海泗博自动化的网关配置软件对PM-160进行相关配置，将DCS的读、写指令及数据做相应转换、存储，并映射到西门子PLC的输入、输出映像区，以实现对上下位机控制信息的实时传输。

在下层网络中（建立西门子S7-300PLC和现场智能仪表的连接通信），Modbus转Profibus-DP网关PM-160在Modbus侧做Modbus主站，在Profibus-DP侧做从站，建立Modbus从站（现场各种智能仪表（现场电机、智能开关、变频器、传感器等））与Profibus-DP主站（西门子S7-300PLC）的通信。串口网络（现场智能仪表）设备接

口为RS485或者RS232，它们都可以通过上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP网关PM-160实现与西门子S7-300PLC的连接通信。其中，通过使用网关的配套配置软件对PM-160进行相关配置，将需要采集的从站设备信息通过网关读、写命令及数据转换、存储，映射到西门子PLC的输入、输出映射区，以实现PLC对现场智能仪表数据的采集和监控。

三、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160的配置

PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的协议转换网关，在网关RAM中建立了Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的映射数据区，由软件实现Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的协议转换和数据交换。凡具有RS485/422/232接口的设备（Modbus协议或者非标协议）都可以通过PM-160与现场总线Profibus-DP互联。其中，PM-160在与Profibus-DP通讯是作为Profibus-DP从站，PM-160在与串口设备通信时，可以作Modbus主站、Modbus从站，也支持与非标串口设备实现数据透明传输。通过在西门子STEP7中注册网关PM-160的GSD文件，即可在该编程软件中对该网关进行相关硬件和软件配置，完成相应的通讯功能。请见如下详细的硬件和软件配置方法：

1、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160的硬件配置

PM-160的Profibus-DP从站地址可以通过网关的硬件旋码开关或者配置按钮来设置。旋码开关有两位，左侧位设置地址高位（十位），右侧位设置地址低位（个位）。通过拨码开关可设置网关PM-160处于正常运行状态或者配置状态。当PM-160处于配置状态时，用户可通过配套配置软件设置相关读写命令和参数。

PM-160自带标准Profibus-DP接口，用户可使用标准Profibus-DP连接头和标准的Profibus-DP电缆将其连接至Profibus-DP现场总线中。

PM-160提供RS485/422/232三种串口，Modbus从站、主站设备以及用户非标串口设备可以通过这三种接口实现与网关PM-160的连接通讯。PM-160没有内置终端电阻，在进行RS485通信时，请注意在RS485总线终端各添加一个终端电阻（120欧姆）。 2、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160的软件配置

1) 使用配套软件设置PM-160的现场总新和子网相关参数和命令 通过拨码开关将PM-160设置为配置状态，打开安装的配置软件

当实现PLC与DCS通信时，子网协议类型设置为Modbus从站，并设置串口通信波特率、数据位、奇偶校验位、停止位、PM-160作为Modbus从站的地址、通信接口。其中，串口通信波特率、数据位、奇偶校验位、停止位的设置应该和所连接的Modbus主站设备（DCS）一致；

图8 PM-160在Modbus侧作Modbus从站（连接PLC和DCS）

当实现PLC与Modbus设备通信时，子网协议类型设置为Modbus主站，并设置串口通信参数、通讯传输模式、通信接口等。其中，串口通信参数的设置应该和所连接的Modbus从站设备一致：

图9 PM-160在Modbus侧作Modbus主站（连接PLC和Modbus从站）

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其中，图9中的“节点-1”表示连接的从站设备地址为1，配置了“读保持寄存器”和“预置多个寄存器”两条命令，表示网关读取了从站对应地址的数据，并且能够输出数据到Modbus从站设备，命令配置方法如下：

图10 PM-160在Modbus侧作Modbus主站（命令配置）

Modbus寄存器起始地址：用户输入目标采集数据的Modbus寄存器起始地址； 数据个数：目标数据的寄存器个数或者线圈条数；

内存映射起始地址：Modbus从站设备数据的对应内存缓冲区地址。

当实现PLC与非标协议设备通信时，子网协议类型设置为通用模式，并设置串口通信参数、控制方式、通信接口等。其中，串口通信参数的设置应该和所连接的非标串口设备（现场智能仪表）一致：PM-160支持的通用模式即透明传输模式，用户可通过数据中的数据长度和事务序列号以判断数据完整性和是否是一帧新的数据。

图11 通用模式

2) 在STEP7中对网关M-160进行组态设置

在STEP7的硬件组态界面，导入PM-160对应的GSD文件，把PM-160的配置文件添加到STEP7的设备配置库中。用户可在硬件组态界面找到注册的设备：Catalog->PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PM-160。

图12 组态界面

将PM-160添加到STEP7的组态页面后，可以插入相应的数据块进行映像区地址映射。PM-160提供的数据块如下：

图13 PM-160提供的数据块

推动需要的输入输出数据块到网关对应的槽位。如下图所示，将数据块“24Words Input，24Words Output”拖动到Profibus-DP从站地址为3的PM-160的槽位中，此时，对应的映射区地址分别为256，PLC程序需通过PIW256（PIB256）或者PQW256（PQB256）对相应的数据进行寻址访问。

图14 PLC映像区起始地址（命令配置）

四、 数据读写

1、DCS读写PLC数据

DCS作为Modus主站通过PM-160读写PLC数据，使用04H功能码读数据，对应的寄存器起始地址为0H（30001H），使用10H（03H）功能码写数据，对应的寄存器起始地址为0H（40001H）。 2、PLC读写现场智能仪表数据 1) PLC读写Modbus从站设备数据

PLC通过PM-160发送Modbus主站指令读写现场串口设备数据。映像区起始地址和网关内存映射起始地址对应关系如下：以图14中的配置为例。

图15 PLC通过PM-160读写Modbus从站设备数据地址对应关系

2) PLC读写非标串口设备数据

PLC的输入映射区前两个字节分别表示接收的串口数据长度和事务序列号，其它为接收到的数据。事务序列号变化，表示接收到了一帧新的串口数据。其中，可通过配置软件设置是否开启串口数据长度功能。PLC的输出映射区前两个字节分别表示发送的串口数据长度和事务序列号，其它为要发送的串口数据。事务序列号变化，PLC发送相应长度的串口数据。

五、 结束语

在该系统中，Modbus转Profibus-DP网关PM-160扮演了三种角色：建立Modbus主站和Profibus-DP主站之间的连接通信（Modbus主站模式）；建立Modbus从站和Profibus-DP主站之间的连接通信（Modbus从站模式）；建议非标串口设备和Profibus-DP主站之间的连接通信（通用模式）。自本通信系统运行以来，整个系统通讯正常，有效保证了整个水利工程控制系统的正常运行。使用上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP网关可以极大地方便自动化工业现场的控制和操作。

西门子S7-400，S7-300PLC可以通过PROFIBUS-DP方式与S7-200的EM277进行通讯。本文例子是一台CPU315-2DP作为PROFIBUS-DP通讯的主站，S7-200的EM277作为PROFIBUS-DP通讯的智能从

站进行通讯。

S7-300与S7-200通过EM277进行PROFIBUS-DP通讯，需要在STEP7中进行S7-300站组态，在S7-200系统中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要进行通讯的数据整理存放在V存储区与S7-300的组态

EM277从站时的硬件I/O地址相对应就可以了。

1. 新建项目：在STEP7中创建一个新项目，点击右键，在弹出的菜单中选择“Insert New

Object”→“SIMATIC 300 Station”，插入S7-300站。

2. 双击“Hardware”选项，进入“HW Config”窗口。点击“Catalog”图标打开硬件目录，按硬件安装次序和订货号依次插入机架、电源、CPU等进行硬件组态。插入CPU时会同时弹出PROFIBUS组态界面。点击“New”按钮新建PROFIBUS(1)，组态PROFIBUS站地址，本例中为2。点击“Properties”按钮组态网络属性，选择“Network Setings”进行网络参数设置，在本例中设置PROFIBUS的传输速率为“1.5Mbit/s”，行规为“DP”。

点击“OK”按钮确认，出现PROFIBUS网络。

3. 选中菜单“Option”→“Install New GSD...”，导入SIEM089D.GSD文件，安装EM277从站配置文件。配置文件GSD下载地址：PROFIBUS GSD文件：SIMATIC ，在此压缩文件中可找到EM277从站配置文件SIEM089D.GSD。如果你的编程软件为STEP7 V5.4版可省略这一步，因为V5.4版已经预装了这个配

置文件。

4. 在右侧的硬件目录列表中找到EM277从站，选择“PROFIBUS DP”→“Additional Field Devices”→“PLC”→“SIMATIC”文件夹，选择“EM 277 PROFIBUS-DP” ，将其拖拽到DP主站系统的PROFIBUS总线上，从而将其连接到DP网络上。在弹出的对话框中设定EM277从站地址，此地址应该

和EM277上的拨位开关设定的地址一致，本例为6。

5. 根据您的通讯字节数，选择一种通讯方式，本例中选择了8字节入/8字节出的方式。方法是把“EM 277

PROFIBUS-DP”目录下的“8 Bytes Out/8 Bytes In”拖拽到下方表中。 6. 组态完系统的硬件配置后，用MPI接口将硬件信息下载到CPU315-2DP中。

7. 在S7-200PLC中编写程序将进行交换的数据放在VB0~VB15中，对应S7-300PLC的PQB0~PQB7和

PIB0~PIB7。

西门子S7-400，S7-300PLC相互之间可以通过PROFIBUS-DP方式进行通讯。本文例子是一台CPU414-2DP作为PROFIBUS-DP通讯的主站，CPU315-2DP作为PROFIBUS-DP通讯的智能从站进行

通信。 1. 硬件和软件要求

硬件：

1）PROFIBUS-DP主站S7-400 CPU414-2DP；

2）从站S7-300 CPU315-2DP； 3）带MPI网卡CP5611的编程计算机；

4）PROFIBUS电缆及接头。

软件：STEP7 V5.3。

把CPU414-2DP集成的DP接口和CPU315-2DP集成的DP接口连接起来，然后分别组态S7-300站和

S7-400站，原则上先组态从站。

2. 网络组态及参数设置

（1）组态从站

1）新建项目：在STEP7中创建一个新项目，点击右键，在弹出的菜单中选择“Insert New Object”→“SIMATIC

300 Station”，插入S7-300从站。

2）组态硬件：双击“Hardware”选项，进入“HW Config”窗口。点击“Catalog”图标打开硬件目录，按硬件安

装次序和订货号依次插入机架、电源、CPU等进行硬件组态。

插入CPU时会同时弹出PROFIBUS组态界面。点击“New”按钮新建PROFIBUS(1)，组态PROFIBUS站地址，本例中为6。点击“Properties”按钮组态网络属性，选择“Network Setings”进行网络参数设置，在本例中设置PROFIBUS的传输速率为“1.5Mbit/s”，行规为“DP”。点击“OK”按钮确认，出现PROFIBUS网络。

双击CPU315-2DP项下的“DP”项，会弹出PROFIBUS-DP的属性菜单。

①在网络属性窗口选择顶部菜单“Operating Mode”，选择“DP slave”操作模式，如果其下的选择框被激活，则编程器可以对从站编程，也就是说这个接口即既以作为DP从站，同时还可以通过这个接口监控程序。

诊断地址为2046，为PROFIBUS的诊断时，选择默认值即可。 ②选择标签“Configuration”，点击“New”按钮新建一行通信的接口区。

③在弹出的对话框中定义S7-300从站的通信接口区。 Address type：选择为“Input”对应I区，“Output”对应Q区。

Length：设置通信区域的大小，最多32字节。

Unit：选择是按字节还是按字来通信。

Consistency：选择“Unit”是按在“Unit”中定义的数据格式发送，即按字节或字发送；若选择“All”表示是打包

发送，每包最多32字节。

设置完成后点击“Apply”按钮确认，可再加入若干行通信数据，通信区的大小与CPU型号有关，最大244字节。对话框中主站的接口区是虚的，不能操作，等到组态主站时，虚的选项框将被激活，可以对主站通

信参数进行设置。

在本例中分别设置一个Input区和一个Output区，其长度均设置为10字节。设置完成后在“Configuration”

标签页中会看到这两个通信接口区。

（2）组态主站 组态完从站后，以同样的方式建立S7-400主站并组态，本例中设置主站地址为2，并选择

与从站相同的PROFIBUS网络。

打开硬件目录，选择“PROFIBUS DP→Configuration Station”文件夹，选择CPU31x，将其拖拽到DP主

站系统的PROFIBUS总线上，从而将其连接到DP网络上。

此时自动弹出“DP-slave Properties”，在其中的“Connection”标签中选择已经组态过的从站，如果有多个从站时，要一个一个连接，上面已经组态完的S7-300从站可在列表中看到，点击“Connect”按钮将其连接至

网络。

然后点击：“Configuration”标签，设置主站的通信接口区。从站的输出区与主站的输入区相对应，从站的输

入区同主站的输出区相对应。

配置完以后，用MPI接口分别下载到各自的CPU中初始化接口数据。在本例中，主站的QB0~QB9的数据将自动对应从站的数据区IB0~IB9，从站的QB0~QB9对应主站的IB0~IB9。为了防止某一站点掉电而

影响主站从站CPU的运行，可分别调用OB86等块进行处理。

S7-300 如何通过GSD 文件实现PROFIBUS DP 主从通讯

发布日期：2011-02-25

摘 要 本文详细介绍了S7-300 如何通过GSD 文件的方式实现PROFIBUS DP 主从通讯的 步骤和注意事项。客户可以借鉴此文，轻松实现S7-300 作为PROFIBUS DP 从站和第三方 PROFIBUS DP 主站的通讯。

关键词 GSD ，S7-300，PROFIBUS DP，CP342-5 Key Words GSD，S7-300，PROFIBUS DP，CP342-5

1 GSD 文件介绍

GSD 文件是一种设备描述文件，一般以“*.GSD”或“*.GSE”为后缀。它描述了设备 的功能参数，用来将不同厂家支持PROFIBUS 产品集成在一起。另外在工程开发中有时候 由于开发人员不同，要用两个独立的STEP 7 项目来实现同一个PROFIBUS 网络通讯，此 时需要借助GSD 文件的方法来实现。 2 GSD 文件的导入方法

下面以CPU314C-2DP 为例，说明一下 GSD 文件的导入步骤：

首先从西门子网站上下载相关产品的 GSD 文件，下面是SIMATIC 系列产品的GSD 文 件下载链接：

http://support.automation.siemens.com/CN/view/zh/113652 选择相关产品并下载到本地硬盘中。

图 1 GSD 文件下载界面

打开SIMATIC Manager，进入硬件组态界面，选择菜单栏的“Options”->“Install GSD File?”，如图 2 所示。

图 2 安装GSD 文件

进入GSD 安装界面后，选择“Browse?”，选择相关GSD 文件的保存文件夹，选择对 应的GSD 文件（这里选择语言为英文的“*.GSE”文件），点击“Install”按钮进行安装。

图 3 选择安装GSD 文件

安装完成后可以在下面的路径中找到CPU314C-2DP，如图 4：

图 4 硬件目录中的保存路径

3 CP342-5 做主站采用GSD 方法实现PROFIBUS DP 通信 3.1 网络拓扑介绍

PROFIBUS DP 主站由CPU314+CP342-5 组成，其中CP342-5 做主站。 PROFIBUS DP 从站由CPU314C-2DP 组成，集成的DP 接口做从站。 网络拓扑图如下：

图 5 网络拓扑图 3.2 从站组态

首先插入SIMATIC S7-300 站，添加CPU314-2DP，双击DP 接口，分配一个 PROFIBUS 地址，然后在“Operating Mode”中选择“DP salve”模式，进入 “Configuration”标签页，新建两行通信接口区，如图 6 所示：

图 6 从站通信接口区

注意：上述从站组态的通信接口区和主站导入的GSD 从站的通信接口区在顺序、长度和 一致性上要保持一致。

3.3 主站组态及编程 3.3.1 主站组态

首先插入SIMATIC S7-300 站，添加CPU314 以及CP342-5，然后双击CP342-5，将 “Operating Mode”设置为“DP Master”。新建一条PROFIBUS 网络。然后从硬件目录中 选择CPU314C-2DP GSD 文件（路径参照图4），添加到新建的PROFIBUS 网络中，为其 分配PROFIBUS 地址，该地址要与前文的从站地址一致。

然后组态CPU314C-2DP 从站对应的通信接口区。本文在硬件目录中CPU314C-2DP

GSD 文件下方选择了“Master_I Slave_Q 1B unit”和“Master_Q Slave_I 1B unit”，和从 站组态时通信接口区保持一致，如图 7 所示。

图 7 主站组态 3.3.2 主站编程

由于CP342-5 提供的是虚拟地址映射区，所以需要分别调用FC1（DP_SEND）和FC2 （DP_RECV）来实现数据访问。如图8 和图9 所示。

图 8 发送程序

图 9 接收程序

如图7 所示，主站侧在组态CPU314C-2DP GSD 从站时，第一行通信接口区选择了

“Master_I Slave_Q 1B unit”，“Master_I”对应主站的IB0。参照图6 可知“Slave_Q” 对应从站的QB0， 表示数据由从站的QB0 发送到主站的IB0。又由于CP342-5 通过调用 FC2，将IB0 读取的数据保存在MB11，所以数据由从站的QB0 经过主站的IB0，最终保存 在MB11。 同理可分析第二行通信接口区“Master_Q Slave_I 1B unit”。综上所述，主站 和从站通信接口的对应关系，如表 1：

主站 MB11（IB0） MB10（QB0） 传输方向 从站 QB0 IB0 表1 主站和从站通信接口区对应表

4 S7-300 做主站采用GSD 方法实现PROFIBUS DP 通信 4.1 网络拓扑介绍

PROFIBUS DP 主站由CPU314C-2DP 组成，集成的DP 接口做主站。 PROFIBUS DP 从站由CPU314C-2DP 组成，集成的DP 接口做从站。 网络拓扑图如下：

图 10 网络拓扑图 4.2 从站组态

组态步骤同3.2 节，这里不再赘述。 4.3 主站组态

首先新建S7-300 站，添加CPU314C-2DP，双击DP 接口，新建一条PROFIBUS 网 络。然后从硬件目录中选择CPU314C-2DP GSD 文件（路径参照图4），添加到新建的 PROFIBUS 网络中，为其分配PROFIBUS 地址，该地址要与前文的从站地址一致。 然后为CPU314C-2DP 从站组态的通信接口区。本文在硬件目录中CPU314C-2DP GSD

文件下方选择了“Master_I Slave_Q 1B unit”和“Master_Q Slave_I 1B unit”，必须和从 站组态时通信接口区保持一致。如图 11 所示

图 11 主站组态

主站和从站通信接口区的对应关系如表 2 所示：

主站 IB0 QB0 传输方向 QB0 IB0 从站 表 2 主站和从站通信接口区对应表 注：文档涉及到西门子产品如下： 表 3 产品列表

产品名称 STEP 7（英文版） CPU314C-2DP CPU314 CP342-5 PS307 订货号 6ES7 810 - 4CC08 - 0YA5 6ES7 314 - 6CG03 - 0AB0 6ES7 314 - 1AG13 - 0AB0 6GK7 342 - 5DA02 - 0XE0 6ES7 307 - 1EA00 - 0AA0 版本号 V5.4 SP5 V2.6 V2.6 V5.2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6c55.html