可编程控制器网络连接讲解

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1、第7章 可编程序控制器的通信及网络 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1 数据通信简介 7.2 工业局域网基础 7.3 西门子PLC网络 7.4 MPI网络与全局数据通信 7.5 S7系列PLC与其他计算机的通信 思考与练习题 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1 数据通信简介 通常把具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号称为数 据信息。数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机 器传送到另一台机器。这里的机器可以是计算机、PLC或具有数 据通信功能的其他数字设备。 数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其 他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传送、信息交换

2、和通 信处理三项任务。 数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议及 通信软件等组成。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1.1 数据传输方式 n 按时空顺序分： 并行传输，数据在多个信道同时传输，用于近距离传输。 串行传输，数据在一个信道上按位顺序传输，常用。 n 按是否搬移和调试信号分： 基带传输，对信号不做任何调制，直接传输的数据传输方式。在 PLC网络中，大多数采用基带传输。 频带传输，用调制器把二进制信号调制成能在公共电话上传输的 音频信号(模拟信号)在通信线路上进行传输。信号传输到接收端 后，再经过解调器的解调，三种调制方式：调幅、调频和调相。 如图7.1所示。 第7

3、章 可编程序控制器的通信及网络 图7.1 三种调制方式示意图 (a) 调幅；(b) 调频；(c) 调相 第7章 可编程序控制器的通信及网络 n 串行通信的两种同步技术 异步传输也称起止式传输，每一个传输的字符都有一个附加 的起始位和多个停止位。 同步技术同步技术它把每个完整的数据块(帧)作为整体来传输，由定 时信号(时钟)来实现发送端同步。如图7.2所示 第7章 可编程序控制器的通信及网络 图7.2 异步传输与同步传输 (a) 异步传输；(b) 同步传输 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1.2 线路通信方式 (1) 单工通信方式。单工通信是指信息的传送始终保持同一 个方向，而不能进行反

4、向传送，如图7.3(a)所示。 (2) 半双工通信方式。半双工通信是指信息流可以在两个方 向上传送，但同一时刻只限于一个方向传送，如图7.3(b)所示。 (3) 全双工通信方式。全双工通信能在两个方向上同时发送 和接收，如图7.3(c)所示。A端和B端双方都可以一面发送数据， 一面接收数据。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 图7.3 线路通信方式 (a) 单工示意图；(b) 半双工示意图；(c) 全双工示意图 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1.3 传输速率 传输速率是指单位时间内传输的信息量，在数据传输中定义 有三种速率：调制速率、数据信号速率和数据传输速率。 (1) 调制速率。

5、通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。 (2) 数据信号速率。数据信号速率是单位时间内通过信道的信息 量，单位是比特/秒(Bit Per Second)，用b/s表示。 (3) 数据传输速率。数据传输速率是指单位时间内传输的数据量 ，通常以字符/分钟为单位。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1.4 差错控制 由于通信设备部分可以达到较高的可靠性，因此一般认为数 据通信的差错主要来自于数据传输信道。以下将简单介绍差错控 制的常用方式和编码。 1. 差错控制方式 是对传输的数据信号进行检测错误和纠正错误。有以下四种： (1) 自动检错重传(ARQ)。 (2) 前向纠错(FEC)。 (3

6、) 混合纠错(HEC)。 (4) 不用编码的差错控制。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 2. 常用的几种检错码 (1) 奇偶校验码。它是以字符为单位的校验方法。一个字符 一般由8位组成，低7位是信息字符的ASCII代码，最高位是奇偶 校验位，由于奇偶校验码只需附加一位奇偶校验位编码，效率较 高，因而得到了广泛的应用。 (2) 循环冗余校验(CRC)码。采用CRC码时，通常在信息长 度为k位的二进制序列之后，附加上r(r=n-k)位监督位，组成一 个码长为n的循环码。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1.5 传输介质 目前，普遍使用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆， 其他介质如无线

7、电、红外线、微波等在PLC网络中应用很少。 其中双绞线(带屏蔽)成本低，安装简单；光缆尺寸小，重量轻 ，传输距离远，但成本高，安装维修需专用仪器。具体性能比 较见表7.1。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 表7.1 传输介质性能比较 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.1.6 串行通信接口标准 串行通信的连接接口与连线电缆是直观可见的，它们的相互兼 容是通信得以保证的第一要求。 1. RS-232C串行接口标准 “RS”是英文“推荐标准”一词的缩写，“232”是标识号，“C”表 示此标准修改的次数。它既是一种协议标准，又是一种电气标准 。PLC与上位计算机之间是通过RS-232C标准接

8、口来实现的。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 1) 接口的机械特性 RS-232C的标准接插件是25针的D型连接器，顶行针编号 从左到右为113，底行针编号从左到右为1425。最简单的 通信只需3根引线，最多的也不过用到22根。所以在上位计算 机与PLC的通信中，使用的连接器有25针的，也有9针的。 2) 接口的电气特性 RS-232C采用负逻辑，规定逻辑“1”电平在155 V范 围内，逻辑“0”在515 V范围内。这样在线路上传送的电 平可高达12 V，较之小于5 V的TTL电平来说有更强的抗干 扰性能。最大传送距离为15 m(实际上可达约30 m)，最高传输 速率为20 kb/s。 第

9、7章 可编程序控制器的通信及网络 3) RS-232的不足之处 尽管RS-232C是目前广泛应用的串行通信的接口，然而RS- 232还存在着一系列不足之处： (1) 传送速率和距离有限； (2) 没有规定连接器，因而产生25针不同的设计方案，这些 方案有时不兼容； (3) 每根信号线只有一根导线、两个传送方向，仅有一根信 号地线，发送器与接收器之间存在潜在的地线回流不平衡的问 题，可能在信号成分间产生干扰。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 2. RS-449及RS-422A/423A标准 为了解决RS-232C标准中的不足，于1977年制定了RS-449 标准。 RS-449标准定义了RS

10、-232C中所没有的10种电路功能，规定 用37脚的连接器。实际上RS-449是将三种标准集于一身。 EIA RS-422A标准规定的电气接口是差分平衡式的，它能在 较长的距离内明显地提高传输速率，例如，1200 m的距离，速率 可以达到100 kb/s，而在12 m等较短的距离内则可提高到10 Mb/s 。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 3. RS-485标准 在许多工业环境中，要求用最少的信号连线来完成通信任 务。目前广泛应用的RS-485串行接口总线正是适应这种需要而 出现的，它几乎已经在所有新设计的装置或仪表中出现。RS- 485实际上是RS-422A的简化变形，它与RS-422

11、A的不同之处在 于：RS-422A支持全双工通信，RS-485仅支持半双工通信。RS- 485串行口在PLC局域网中应用很普遍，如西门子S7系列PLC采 用的就是RS-485串行口。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.2 工业局域网基础 7.2.1 计算机网络和局部网络 计算机网络是指将地理位置不同且具有独立功能的多个计算 机系统连接起来，由功能完善的网络软件实现网络资源共享。计 算机网络由计算机系统、通信链路和网络节点组成。 按所覆盖的地域范围大小，即通信距离远近，计算机网络可 分为远程网、局域网和分布式多处理机三类。 决定局域网络特性的主要技术有：用以传输数据的传输介质 ，用以连接各

12、种设备的拓扑结构，用以共享资源的介质访问控制 方法。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 1. 拓扑结构 网络中各节点之间连接方式的几何抽象称为网络拓扑(Topology)。 局域网的拓扑结构通常有三种类型：星型、环型和总线型。 图7.4 网络拓扑结构图 (a) 星型；(b) 环型；(c) 总线型 第7章 可编程序控制器的通信及网络 2. 介质访问控制技术 介质访问控制是指对网络通道占有权的管理和控制。局域 网络上的信息交换方式有两种： 一种是线路交换，有固定的物理通道，如电话系统； 第二种是“报文交换”或“包交换”。无固定的物理通道。如 果某节点出现故障，则通过其他通道把数据组送到目的节点。

13、 有些像传递邮包或电报的方式。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 介质访问控制主要有以下两种方式： (1) 令牌传送方式。这种方式对介质访问的控制权是以令牌为 标志的。只有得到令牌的节点才有权控制和使用网络，一般常用 总线型和环型结构，尤以“Token Bus”颇受工业界青睐。 (2) 争用方式。这种方式允许网络中的各节点自由发送信息。 但若两个以上的节点同时发送则会出现线路冲突，故需要加以约 束，目前常用的是CSMA/CD规约(以太网规约)，这种控制方式在 轻负载时优点突出，控制分散，效率高，但重负载时冲突增加， 则传送效率大大降低。而令牌方式恰恰在重负载时效率高。 第7章 可编程序控制器

14、的通信及网络 7.2.2 通信网络协议 在计算机通信网络中，对所有通信设备或站点来说，它们 都要共享网络中的资源。但是由于接到网上的设备或计算机可 能出自不同的生产厂，型号也不尽相同，硬件和软件上的差异 给通信带来障碍。所以，一个计算机通信网络必须有一套全网“ 成员”共同遵守的约定，以便实现彼此通信和资源共享，通常把 这种约定称为网络协议。 国际标准化组织ISO制定了信息处理领域内最重要的标准， 提出了开放系统互连(OSI)的理由，下面对OSI模型作简单介绍。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 1. OSI模型结构分层 OSI按系统功能分为七层，每层都有相对的独立功能，相对 的两层之间有清晰

15、的接口，因而系统层次分明，便于设计、实现 和修改补充。OSI模型的低四层对用户数据进行可靠的透明传输 ，另外的高三层分别对数据进行分析、解释、转换和利用。OSI 参考模型如图7.5所示。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 图7.5 OSI参考模型 第7章 可编程序控制器的通信及网络 2. 物理层(PL)协议 物理层是通信网上各设备之间的物理接口，直接把数据从一 台设备传送到另一台设备。物理层协议规定了以下四个特性： (1) 机械特性。规定了连接器或插件的规格和安装。 (2) 电气特性。规定了传输线上数字信号的电平、传输距离和 传输速率等。 (3) 功能特性。定义了连接器内各插脚的功能。 (4

16、) 过程特性。规定了信号之间的时序关系，以便正确地发送 数据和接收数据。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 3. 数据链路层(DLL)协议 DLL保证物理链路的可靠性，并提供建立和释放链路的方 法，它把发送的数据组成帧，进行差错控制和介质访问控制。 4. 局部区域网络(LAN)协议 LAN的地理范围较小，一般只有100250 m，是得到广泛 使用的一种网络技术。参照OSI模型，LAN采用总线型或环型 拓扑结构，没有中间交换点，不需要选择路径。 第7章 可编程序控制器的通信及网络 7.2.3 现场总线技术 1. 概述 在传统的自动化工厂中，位于生产现场的许多设备和装置， 当这些装置和设备相距较远、分布较广时，人们迫切需要一种可 靠、快速、能经受工业现场环境的低廉的通信总线，将分散于现 场的各种设备连接起来，对其实施监控。现场总线(Field Bus)就 是在这样的背景下产生的。 现场总线是“安装在过程区域的现场设备/仪表与控制室内 的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数 据总线”。 第7章 可编程序