1、可编程控制器通信与网络核心技术第七章 可编程控制器通信与网络技术近年来，工厂自动化网络得到了迅速发展，相称多公司已经在大量地使用可编程设备，如PLC、工业控制计算机、变频器、机器人、柔性制造系统等。将不同厂家生产这些设备连在一种网络上，互相之间进行数据通信，由公司集中管理，已经是诸多公司必要考虑问题。本章重要简介关于PLC通信与工厂自动化通信网络方面初步知识。第一节 PLC通信基本 当任意两台设备之间有信息互换时，它们之间就产生了通信。PLC通信是指PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与现场设备或远程I/O之间信息互换。PLC通信任务就是将地理位置不同PLC、计算机、各种现场设备等，通过通信
2、介质连接起来，按照规定通信合同，以某种特定通信方式高效率地完毕数据传送、互换和解决。本节就通信方式、通信介质、通信合同及惯用通信接口等内容加以简介。 一、通信方式1并行通信与串行通信 数据通信重要有并行通信和串行通信两种方式。并行通信是以字节或字为单位数据传播方式，除了8根或16根数据线、一根公共线外，还需要数据通信联系用控制线。并行通信传送速度快，但是传播线根数多，成本高，普通用于近距离数据传送。并行通信普通用于PLC内部，如PLC内部元件之间、PLC主机与扩展模块之间或近距离智能模块之间数据通信。串行通信是以二进制位（bit）为单位数据传播方式，每次只传送一位，除了地线外，在一种数据传播方
3、向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作为通信联系控制线，数据和联系信号在这根线上按位进行传送。串行通信需要信号线少，至少只需要两三根线，合用于距离较远场合。计算机和PLC都备有通用串行通信接口，工业控制中普通使用串行通信。串行通信多用于PLC与计算机之间、多台PLC之间数据通信。在串行通信中，传播速率惯用比特率（每秒传送二进制位数）来表达，其单位是比特/秒（bit/s）或bps。传播速率是评价通信速度重要指标。惯用原则传播速率有300、600、1200、2400、4800、9600和19200bps等。不同串行通信传播速率差别极大，有只有数百bps，有可达100Mbps。 2单工通信与双
4、工通信串行通信按信息在设备间传送方向又分为单工、双工两种方式。单工通信方式只能沿单一方向发送或接受数据。双工通信方式信息可沿两个方向传送，每一种站既可以发送数据，也可以接受数据。双工方式又分为全双工和半双工两种方式。数据发送和接受分别由两根或两组不同数据线传送，通信双方都能在同一时刻接受和发送信息，这种传送方式称为全双工方式；用同一根线或同一组线接受和发送数据，通信双方在同一时刻只能发送数据或接受数据，这种传送方式称为半双工方式。在PLC通信中常采用半双工和全双工通信。3异步通信与同步通信 在串行通信中，通信速率与时钟脉冲关于，接受方和发送方传送速率应相似，但是实际发送速率与接受速率之间总是有
5、某些微小差别，如果不采用一定办法，在持续传送大量信息时，将会因积累误差导致错位，使接受方收到错误信息。为理解决这一问题，需要使发送和接受同步。按同步方式不同，可将串行通信分为异步通信和同步通信。异步通信信息格式如图7-1所示，发送数据字符由一种起始位、78个数据位、l个奇偶校验位（可以没有）和停止位（1位、1.5或2位）构成。通信双方需要对所采用信息格式和数据传播速率作相似商定。接受方检测到停止位和起始位之间下降沿后，将它作为接受起始点，在每一位中点接受信息。由于一种字符中包括位数不多，虽然发送方和接受方收发频率略有不同，也不会因两台机器之间时钟周期误差积累而导致错位。异步通信传送附加非有效信
6、息较多，它传播效率较低，普通用于低速通信，PLC普通使用异步通信。图7-1 异步通信信息格式同步通信以字节为单位（一种字节由8位二进制数构成），每次传送l2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。同步字符起联系作用，用它来告知接受方开始接受数据。在同步通信中，发送方和接受方要保持完全同步，这意味着发送方和接受方应使用同一时钟脉冲。在近距离通信时，可以在传播线中设立一根时钟信号线。在远距离通信时，可以在数据流中提取出同步信号，使接受方得到与发送方完全相似接受时钟信号。由于同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、停止位和奇偶校验位，只需要在数据块（往往很长）之前加一两个同步字符，因此传播效率高，
7、但是对硬件规定较高，普通用于高速通信。4. 基带传播与频带传播基带传播是按照数字信号原有波形（以脉冲形式）在信道上直接传播，它规定信道具备较宽通频带。基带传播不需要调制解调，设备耗费少，合用于较小范畴数据传播。基带传播时，普通对数字信号进行一定编码，惯用数据编码办法有非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码等。后两种编码不含直流分量、包括时钟脉冲、便于双方自同步，因此应用广泛。频带传播是一种采用调制解调技术传播形式。发送端采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据二进制“1”和“0”，变换成具备一定频带范畴模仿信号，以适应在模仿信道上传播；接受端通过解调手段进行相反变换，把模仿调制
8、信号复原为“1”或“0”。惯用调制办法有频率调制、振幅调制和相位调制。具备调制、解调功能装置称为调制解调器，即Modem。频带传播较复杂，传送距离较远，若通过市话系统配备Modem，则传送距离可不受限制。PLC通信中，基带传播和频带传播两种传播形式均有采用，但多采用基带传播。二、通信介质通信介质就是在通信系统中位于发送端与接受端之间物理通路。通信介质普通可分为导向性和非导向性介质两种。导向性介质有双绞线、同轴电缆和光纤等，这种介质将引导信号传播方向；非导向性介质普通通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向，如短波、微波和红外线通信等。如下仅简朴简介几种惯用导向性通信介质。1双绞线双绞线是一种便
9、宜而又广为使用通信介质，它由两根彼此绝缘导线按照一定规则以螺旋状绞合在一起，如图7-2所示。这种构造能在一定限度上削弱来自外部电磁干扰及相邻双绞线引起串音干扰。但在传播距离、带宽和数据传播速率等方面双绞线仍有其一定局限性。图7-2 双绞线示意图双绞线惯用于建筑物内局域网数字信号传播。这种局域网所能实现带宽取决于所用导线质量、长度及传播技术。只要选取、安装得当，在有限距离内数据传播率达到10Mbps。当距离很短且采用特殊电子传播技术时，传播率可达100Mbps。在实际应用中，普通将许多对双绞线捆扎在一起，用起保护作用塑料外皮将其包裹起来制成电缆。采用上述办法制成电缆就是非屏蔽双绞线电缆，如图7-
10、3所示。为了便于辨认导线和导线间配对关系，双绞线电缆中每根导线使用不同颜色绝缘层。为了减少双绞线间互相串扰，电缆中相邻双绞线普通采用不同绞合长度。非屏蔽双绞线电缆价格便宜、直径小节约空间、使用以便灵活、易于安装，是当前最惯用通信介质。图7-3 双绞线电缆美国电器工业协会（EIA）规定了六种质量级别双绞线电缆，其中1类线档次最低，只适于传播语音；6类线档次最高，传播频率可达到250MHz。网络综合布线普通使用3、4、5类线。3类线传播频率为16MHz，数据传播率可达10Mbps；4类线传播频率为20 MHz，数据传播率可达16Mbps；5类线传播频率为l00MHz，数据传播可达100Mbps。非
11、屏蔽双绞线易受干扰，缺少安全性。因而，往往采用金属包皮或金属网包裹以进行屏蔽，这种双绞线就是屏蔽双绞线。屏蔽双绞线抗干扰能力强，有较高传播速率，100m内可达到155Mbps。但其价格相对较贵，需要配备相应连接器，使用时不是很以便。2同轴电缆如图7-4所示，同轴电缆由内、外层两层导体构成。内层导体是由一层绝缘体包裹单股实心线或绞合线（普通是铜制），位于外层导体中轴上；外层导体是由绝缘层包裹金属包皮或金属网。同轴电缆最外层是可以起保护作用塑料外皮。同轴电缆外层导体不但可以充当导体一某些，并且还起到屏蔽作用。这种屏蔽一方面能防止外部环境导致干扰，另一方面能制止内层导体辐射能量干扰其他导线。与双绞线
12、相比，同轴电线抗干扰能力强，可以应用于频率更高、数据传播速率更快状况。对其性能导致影响重要因素来自衰损和热噪声，采用频分复用技术时还会受到交调噪声影响。虽然当前同轴电缆大量被光纤取代，但它仍广泛应用于有线电视和某些局域网中。图7-4 同轴电缆当前得到广泛应用同轴电缆重要有50电缆和75电缆这两类。50电缆用于基带数字信号传播，又称基带同轴电缆。电缆中只有一种信道，数据信号采用曼彻斯特编码方式，数据传播速率可达10Mbps，这种电缆重要用于局域以太网。75电缆是CATV系统使用原则，它既可用于传播宽带模仿信号，也可用于传播数字信号。对于模仿信号而言，其工作频率可达400MHZ。若在这种电缆上使用
13、频分复用技术，则可以使其同步具备大量信道，每个信道都能传播模仿信号。3光纤光纤是一种传播光信号传播媒介。光纤构造如图7-5所示，处在光纤最内层纤芯是一种横截面积很小、质地脆、易断裂光导纤维，制造这种纤维材料可以是玻璃也可以是塑料。纤芯外层裹有一种包层，它由折射率比纤芯小材料制成。正是由于在纤芯与包层之间存在着折射率差别，光信号才得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。在光纤最外层则是起保护作用外套。普通都是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。图7-5 光纤构造从不同角度考虑，光纤有各种分类方式。依照制作材料不同，光纤可分为石英光纤、塑料光纤、玻璃光纤等；依照传播模式不同，光纤可分为多模光纤和
14、单模光纤；依照纤芯折射率分布不同，光纤可以分为突变型光纤和渐变型光纤；依照工作波长不同，光纤可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。单模光纤带宽最宽，多模渐变光纤次之，多模突变光纤带宽最窄；单模光纤适于大容量远距离通信，多模渐变光纤适于中档容量中档距离通信，而多模突变光纤只适于小容量短距离通信。在实际光纤传播系统中，还应配备与光纤配套光源发生器件和光检测器件。当前最常用光源发生器件是发光二极管（LED）和注入激光二极管（ILD）。光检测器件是在接受端可以将光信号转化成电信号器件，当前使用光检测器件有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD），光电二极管价格较便宜，然而雪崩光电二极管却具
15、备较高敏捷度。与普通导向性通信介质相比，光纤具备诸多长处：1）光纤支持很宽带宽，其范畴大概在 10141015 HZ之间，这个范畴覆盖了红外线和可见光频谱。2）具备不久传播速率，当前限制其所能实现传播速率因素来自信号生成技术。3）光纤抗电磁干扰能力强，由于光纤中传播是不受外界电磁干扰光束，而光束自身又不向外辐射，因而它合用于长距离信息传播及安全性规定较高场合。4）光纤衰减较小，中继器间距较大。采用光纤传播信号时，在较长距离内可以不设立信号放大设备，从而减少了整个系统中继器数目。 固然光纤也存在某些缺陷，如系统成本较高、不易安装与维护、质地脆易断裂等。三、PLC惯用通信接口 PLC通信重要采用串
16、行异步通信，其惯用串行通信接口原则有RS-232C、RS-422A和RS-485等。1RS-232CRS-232C是美国电子工业协会EIA于1969年发布通信合同，它全称是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据互换接口技术原则”。RS-232C接口原则是当前计算机和PLC中最惯用一种串行通信接口。RS-232C采用负逻辑，用-5-15V表达逻辑“l”，用+5+15V表达逻辑“0”。噪声容限为2V，即规定接受器能辨认低至+3V信号作为逻辑“0”，高到-3V信号作为逻辑“1”。RS-232C只能进行一对一通信，RS-232C可使用9针或25针D型连接器，表7-1列出了R
17、S-232C接口各引脚信号定义以及9针与25针引脚相应关系。PLC普通使用9针连接器表7-1 RS-232C接口引脚信号定义引脚号（9针）引脚号（25针）信号方向功 能18DCDIN数据载波检测23RxDIN接受数据32TxDOUT发送数据420DTROUT数据终端装置（DTE）准备就绪57GND信号公共参照地66DSRIN数据通信装置（DCE）准备就绪74RTSOUT祈求传送85CTSIN清除传送922CI（RI）IN振铃批示如图7-6a所示为两台计算机都使用RS-232C直接进行连接典型连接；如图7-6b所示为通信距离较近时只需3根连接线。图7-6 两个RS-232C数据终端设备连接如图7
18、-7所示RS-232-C电气接口采用单端驱动、单端接受电路，容易受到公共地线上电位差和外部引入干扰信号影响，同步还存在如下局限性之处：图7-7 单端驱动单端接受电路1）传播速率较低，最高传播速度速率为20kbps。2）传播距离短，最大通信距离为15m。3）接口信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，又由于与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。2RS-422针对RS-232C局限性，EIA于1977年推出了串行通信原则RS-499，对RS-232C电气特性作了改进，RS-422A是RS-499子集。如图7-8所示由于RS-422A采用平衡驱动、差分接受电路，从主线上取消了信号地
19、线，大大减少了地电平所带来共模干扰。平衡驱动器相称于两个单端驱动器，其输入信号相似，两个输出信号互为反相信号，图中小圆圈表达反相。外部输入干扰信号是以共模方式浮现，两极传播线上共模干扰信号相似，因接受器是差分输入，共模信号可以互相抵消。只要接受器有足够抗共模干扰能力，就能从干扰信号中辨认出驱动器输出有用信号，从而克服外部干扰影响。图7-8 平衡驱动差分接受电路RS-422在最大传播速率10Mbps时，容许最大通信距离为12m。传播速率为100kbps时，最大通信距离为1200m。一台驱动器可以连接10台接受器。3RS-485RS-485是RS-422变形，RS-422A是全双工，两对平衡差分信
20、号线分别用于发送和接受，因此采用RS422接口通信时至少需要4根线。RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同步发送和接受，至少只需二根连线。如图7-9所示使用RS-485通信接口和双绞线可构成串行通信网络，构成分布式系统，系统最多可连接128个站。图7-9 采用RS-485网络RS-485逻辑“1”以两线间电压差为+（26）V表达，逻辑“0”以两线间电压差为-（26）V表达。接口信号电平比RS-232-C减少了，就不易损坏接口电路芯片，且该电平与TTL电平兼容，可以便与TTL电路连接。由于RS-485接口具备良好抗噪声干扰性、高传播速率（10Mbps）、长传播距离（1200m）和多
21、站能力（最多128站）等长处，因此在工业控制中广泛应用。RS-422/RS485接口普通采用使用9针D型连接器。普通微机普通不配备RS-422和RS-485接口，但工业控制微机基本上均有配备。如图7-10所示RS232C/RS422转换器电路原理图。图7-10 RS232C/RS422转换电路原理四、计算机通信原则（一）开放系统互连模型为了实现不同厂家生产智能设备之间通信，国际原则化组织ISO提出了如图7-11所示开放系统互连模型OSI (Open System Interconnection)，作为通信网络国际原则化参照模型，它详细描述了软件功能7个层次。七个层次自下而上依次为：物理层、数据
22、链路层、网络层、传送层、会话层、表达层和应用层。每一层都尽量自成体系，均有明确功能。图7-11 开放系统互连（OSI）参照模型1物理层（ Physical Layer）物理层是为建立、保持和断开在物理实体之间物理连接，提供机械、电气、功能性和规程特性。它是建立在传播介质之上，负责提供传送数据比特位“0”和“1”码物理条件。同步，定义了传播介质与网络接口卡连接方式以及数据发送和接受方式。惯用串行异步通信接口原则RS232C、RS422和RS485等就属于物理层。2数据链路层（Datalink Layer）数据键路层通过物理层提供物理连接，实现建立、保持和断开数据链路逻辑连接，完毕数据无差错传播。
23、为了保证数据可靠传播，数据链路层重要控制功能是差错控制和流量控制。在数据链路上，数据以帧格式传播，帧是包括各种数据比特位逻辑数据单元，普通由控制信息和传播数据两某些构成。惯用数据链路层合同是面向比特串行同步通信合同-同步数据链路控制合同/高档数据链路控制合同（SDLC/HDLC）。3网络层（Network Layer）网络层完毕站点间逻辑连接建立和维护，负责传播数据寻址，提供网络各站点间进行数据互换办法，完毕传播数据路由选取和信息互换关于操作。网络层重要功能是报文包分段、报文包阻塞解决和通信子网内途径选取。惯用网络层合同有X.25分组合同和IP合同。4. 传播层（Transport Layer
24、）传播层是向会话层提供一种可靠端到端（end-to-end）数据传送服务。传播层信号传送单位是报文（Message），它重要功能是流量控制、差错控制、连接支持。典型传播层合同是因特网TCP/IP合同中TCP合同。5会话层（Session Layer）两个表达层顾客之间连接称为会话，相应会话层任务就是提供一种有效办法，组织和协调两个层次之间会话，并管理和控制它们之间数据互换。网络下载中断点续传就是会话层功能。6表达层（Presentation Layer）表达层用于应用层信息内容形式变换，如数据加密/解密、信息压缩解压和数据兼容，把应用层提供信息变成可以共同理解形式。7应用层（Applicati
25、on Layer）应用层作为参照模型最高层，为顾客应用服务提供信息互换，为应用接口提供操作原则。七层模型中所有其他层目都是为了支持应用层，它直接面向顾客，为顾客提供网络服务。惯用应用层服务有电子邮件（E-mail）、文献传播（FTP）和Web服务等。 OSI 7层模型中，除了物理层和物理层之间可直接传送信息外，其他各层之间实现都是间接传送。在发送方计算机某一层发送信息，必要通过该层如下所有低层，通过传播介质传送到接受方计算机，并层层上送直至到达接受方中与信息发送层相相应层。OSI 7层参照模型只是规定对等层遵守共同通信合同，并没有给出合同自身。OSI 7层合同中，高4层提供顾客功能，低3层提供
26、网络通信功能。（二）IEEE802通信原则IEEE802通信原则是IEEE（国际电工与电子工程师学会）802分委员会从1981年至今颁布一系列计算机局域网分层通信合同原则草案总称。它把OSI参照模型底部两层分解为逻辑链路控制子层（LLC）、媒体访问子层（MAC）和物理层。前两层相应于OSI模型中数据链路层，数据链路层是一条链路（Link）两端两台设备进行通信时所共同遵守规则和商定。IEEE802媒体访问控制子层相应于各种原则，其中最惯用为三种，即带冲突检测载波侦听多路访问（CSMA/CD）合同、令牌总线（Token Bus）和令牌环（Token Ring）。1CSMA/CD合同CSMA/CD（
27、carrier-sense multiple access with collision detection）通信合同基本是XEROX公司研制以太网（Ethernet），各站共享一条广播式传播总线，每个站都是平等，采用竞争方式发送信息到传播线上。当某个站辨认到报文上接受站名与本站站名相似时，便将报文接受下来。由于没有专门控制站，两个或各种站也许因同步发送信息而发生冲突，导致报文作废，因而必要采用办法来防止冲突。发送站在发送报文之前，先监听一下总线与否空闲，如果空闲，则发送报文到总线上，称之为“先听后讲”。但是这样做依然有发生冲突也许，由于从组织报文到报文在总线上传播需一段时间，在这一段时间内，
28、另一种站通过监听也也许会以为总线空闲并发送报文到总线上，这样就会因两站同步发送而发生冲突。为了防止冲突，可以采用两种办法：一种是发送报文开始一段时间，依然监听总线，采用边发送边接受办法，把接受到信息和自己发送信息相比较，若相似则继续发送，称之为“边听边讲”；若不相似则发生冲突，及时停止发送报文，并发送一段简短冲突标志。普通把这种“先听后讲”和“边听边讲”相结合办法称为 CSMA/CD，其控制方略是竞争发送、广播式传送、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送；另一种办法是准备发送报文站先监听一段时间，如果在这段时间内总线始终空闲，则开始作发送准备，准备完毕，真正要将报文发送到总线上之前，再对总线
29、作一次短暂检测，若仍为空闲，则正式开始发送；若不空闲，则延时一段时间后再重复上述二次检测过程。2令牌总线令牌总线是IEEE802原则中工厂媒质访问技术，其编号为802.4。 它吸取了GM公司支持MAP（Manufacturing Automation Protocol，即制造自动化合同）系统内容。在令牌总线中，媒体访问控制是通过传递一种称为令牌特殊标志来实现。按照逻辑顺序，令牌从一种装置传递到另一种装置，传递到最后一种装置后，再传递给第一种装置，如此同而复始，形成一种逻辑环。令牌有“空”、“忙”两个状态，令牌网开始运营时，由指定站产生一种空令牌沿逻辑环传送。任何一种要发送信息站都要等到令牌传给
30、自己，判断为“空”令牌时才发送信息。发送站一方面把令牌置成“忙”，并写入要传送信息、发送站名和接受站名，然后将载有信息令牌送入环网传播。令牌沿环网循环一周后返回发送站时，信息已被接受站拷贝，发送站将令牌置为“空”，送上环网继续传送，以供其他站使用。如果在传送过程中令牌丢失，由监控站向网中注入一种新令牌。令牌传递式总线能在很重负荷下提供实时同步操作，传送效率高，适于频繁、较短数据传送，因而它最适合于需要进行实时通信工业控制网络。3令牌环令牌环媒质访问方案是IBM开发，它在IEEE802原则中编号为802.5，它有些类似于令牌总线。在令牌环上，最多只能有一种令牌绕环运动，不容许两个站同步发送数据。
31、令牌环从本质上看是一种集中控制式环，环上必要有一种中心控制站负责网工作状态检测和管理。第三节 PC与PLC通信实现 个人计算机（如下简称PC）具备较强数据解决功能，配备着各种高档语言，若选取恰当操作系统，则可提供优良软件平台，开发各种应用系统，特别是动态画面显示等。随着工业PC推出，PC在工业现场运营可靠性问题也得到理解决，顾客普遍感到，把PC连入PLC应用系统可以带来一系列好处。一、概述 1. PC与PLC实现通信意义 把PC连入PLC应用系统具备如下四个方面作用： 1）构成以PC为上位机，单台或多台PLC为下位机小型集散系统，可用PC实现操作站功能。 2）在PLC应用系统中，把PC开发成简易工作站或者工业终端，可实现集中显示、集中报警功能。 3）把PC开发成 PLC编程终端，可通过编程器接口接入PLC，进行编程、调试及监控。4）把PC开发成网间连接器，进行合同转换，可实现PLC与其他计算机网络互联。2. PC与PLC实现通信办法把PC连入PLC应用系统是为了向顾客提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等各种功能，为PLC应用系统提供良好、物美价廉人机界面。但这对顾客规定较高，顾客必要做较多开发工作，才干实现PC与PLC通信。为了实现PC与PLC通
