电气控制与PLC应用技术教学配套课件作者武丽 第7章 可编程序控制器的通信与网络

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1、第7章可编程序控制器的通信与网络 2020 3 7 1 随着计算机网络技术的发展以及各企业对工厂自动化程度要求的不断提高 自动控制也从传统的集中式向多级分布式方向发展 很多企业都在大量的使用各式各样的可编程设备 例如工业控制计算机 PLC 变频器 机器人 柔性制造系统等 有的企业实现了整个车间或整个工厂的综合自动化 将不同厂家的可编程设备连接到多层网络中 相互之间进行数据通信 实现集中管理和分散控制 2020 3 7 2 因此通信与网络已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分 也是实现控制系统设计和维护的重点和难点之一 今后可编程控制器的通信和网络总的发展趋势是向高速 多层次 大信息吞吐量 高可

2、靠性和开放式 即通信协议向国际标准或地区通用工业标准靠拢 的方向发展 2020 3 7 3 学习要点 掌握可编程控制器的通信及工业网络的基本知识和实现方法 重点掌握通信参数的设置方法 网络读及网络写指令 自由口通信指令等 第7章可编程序控制器的通信与网络 2020 3 7 4 主要内容 7 1计算机通讯方式与串行通讯接口7 2S7 200系列的通讯及网络7 3S7 200网络通信指令7 4S7 200系列PLC自由口通信实例 7 1计算机通讯方式与串行通讯接口 2020 3 7 5 无论是计算机 还是PLC它们都是数字设备 它们之间交换的信息是由 0 和 1 表示的数字信号 通常把具有一定编码

3、 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或是有数据通信功能的其它数字设备 7 1 1数据通信基础 2020 3 7 6 数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其它数字设备连接起来 高效率地完成数据的传送 信息交换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 计算机的数据传送通常有两种方式 并行数据通信和串行数据通信 2020 3 7 7 串行通信是指所传送数据按顺序一位一位地发送或接收 其传送特点是 传送数据按位顺序进行 最少需要一根传输线即

4、可完成 传输速率慢 成本低 计算机与远程终端或者终端与终端之间的数据传送通常都是采用串行通信 在长距离而速度要求不高的数据传送时通常使用串行通信 传输距离可以从几米到几千米 串行通信数据传送图 2020 3 7 8 并行通信是指所传送数据的各位同时发送或接收 其传送特点是 各数据位同时传送 传送速率快 效率高 但是在数据传送过程中 有多少位数据就有多少根数据线 因此传送成本高 通常在集成电路芯片的内部 同一插件板上的各部件之间 同一机箱内的各插件板之间等数据的传送采用并行通信 并行通信的传送距离较短 通常在30米之内 并行通信数据传送图 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 9 1 串行通

5、信方式在进行串行通信的过程中 发送端与接收端之间的同步问题是数据通信中的一个重要问题 同步不好轻者导致误码增加 重者使整个系统不能正常工作 传送过程中为了解决这一问题 在串行通信中采用了两种同步技术 异步传送和同步传送 2020 3 7 10 1 异步传送 异步传送也称起止式传送 它是利用起止法来达到收发同步的 在异步传送中 以字符 帧 为单位传送数据 被传送的数据编码成一串脉冲 异步串行通信字符信息格式如图所示 发送的字符由一个起始位 7个或8个数据位 一个奇偶校验位 可以没有 和停止位 一位或两位 组成 字节的传送由起始位 0 开始 然后是数据位编码的字节 接下来是校验位 可忽略 最后是停

6、止位 1 可以是1位或2位 表示字节的结束 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 11 2 同步传送 同步传送在数据开始处就用同步字符 通常为1 2个 来指示 由定时信号 时钟 来实现发送端同步 一旦检测到与规定的同步字符相符合 接下去就连续按顺序传送数据 在这种传送方式中数据以一组数据 数据块 为单位传送 数据块中每字节不需要起始位和停止位 因而就克服了异步传送效率低的缺点 但同步传送所需的软 硬件价格是异步的8 12倍 因此通常在数据传送速率超过2000bps的系统中才采用同步传送如图所示 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 12 串行通信传送方式 7 1 2串行通信基础 202

7、0 3 7 13 2 数据传送方向按串行通信的数据在通信线路进行传送的方向可分为单工 半双工和全双工通信方式三种 如图所示 1 单工通信方式 单工通信方式的数据传送是单向的 2 半双工通信方式 半双工通信方式的数据流可以实现双向的通信 但不能在两个方向上同时进行 必须轮流交替地进行 3 全双工通信方式 全双工通信是指在通信的任意时刻 线路上可实现的双向信号传输 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输 又称为双向同时通信 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 14 数据传送方向图 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 15 3 波特率 比特率 即数据传送速率 表示每秒钟传送二进制代码的位

8、数 它的单位是bit s bps 比特 bit 是信息技术中的最小单位 在数据传输中 数据通常是串行传输的 即一个比特接一个比特地传输 数据速率的单位是比特每秒 bps 含义是每秒串行通过的位数 假如数据传送速率是120字符 s 而每个字符包含10个代码位 一个起始位 一个终止位 8个数据位 这时传送的波特率为 10B 字符 120字符 s 1200B s 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 16 波特率 即调制速率 指数据信号对载波的调制速率 它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示 其单位为波特 Baud 波特率与比特率的关系为 比特率 波特率 单个调制状态对应的二进制位数 7 1

9、2串行通信基础 2020 3 7 17 目前普遍使用的传送介质有 同轴电缆 双绞线 光缆 其他介质如无线电 红外微波等在PLC网络中应用很少 其中双绞线 带屏蔽层 成本低 安装简单 光缆尺寸小 质量轻 传输距离远 但成本高 安装维修需要专用仪器 具体性能如表7 1所示 4 传送介质 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 18 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 19 5 串口通信接口标准 1 RS 232C串行接口标准RS 232C称为标准串口 是最常用的一种串行通讯接口 RS 232C的标准接插件是9针和25针的DB型连接器 工业控制中9针的连接器用得较多 RS 232C采取不平衡

10、传输方式 即所谓单端通讯 由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右 所以其共模抑制能力差 再加上双绞线上的分布电容 其传送距离最大为约15米 最高速率为20KB s RS 232C是为点对点 即只用一对收 发设备 通讯而设计的 其驱动器负载为3 7k 所以RS 232C适合本地设备之间的通信 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 20 RS 422接口标准的全称是 平衡电压数字接口电路的电气特性 它定义了接口电路的特性 典型的RS 422是四线接口 实际上还有一根信号地线 共5根线 由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力 故允许在相同传输线上连接多个接收节点

11、最多可接10个节点 即一个主设备 Master 其余为从设备 Slave 从设备之间不能通信 所以RS 422支持点对多的双向通信 RS 422的最大传输距离为1219米 最大传输速率为10MB s 其平衡双绞线的长度与传输速率成反比 在100KB s速率以下 才可能达到最大传输距离 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输 一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1MB s 2 RS 422接口标准 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 21 3 RS 485接口标准RS 485接口标准是从RS 422接口标准基础上发展而来的 所以RS 485许多电气规定与RS 422相仿 RS

12、 485可以采用二线与四线方式 二线制可实现真正的多点双向通信 而采用四线连接时 与RS 422一样只能实现点对多的通信 即只能有一个主设备 Master 其余为从设备 Slave 但它比RS 422有改进 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备 7 1 2串行通信基础 2020 3 7 22 RS 485与RS 422的不同还在于其共模输出电压是不同的 RS 485是 7V至 12V之间 而RS 422在 7V至 7V之间 RS 485与RS 422一样 其最大传输距离约为1219米 最大传输速率为10MB s 平衡双绞线的长度与传输速率成反比 在100KB s速率以下 才可能使用

13、规定最长的电缆长度 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输 一般100米长双绞线最大传输速率仅为1MB s 7 1 2串行通信基础 7 1 3网络概述 2020 3 7 23 将具有独立功能而又分散在不同地理位置的多台计算机 通过通信设备和通信线路连接起来构成的计算机系统称为计算机网络 PLC与计算机之间或多台PLC之间也可直接或通过通信处理器构成网络 以实现信息交换 各PLC或远程I O模块按功能各自放置在生产现场进行分散控制 再用网络连接起来 组成集中管理的分布式网络 互连和通信是网络的核心 网络的拓扑结构 传输控制 传输介质和通道利用方式是构成网络的四大要素 2020 3 7 24 1

14、数据通信网络拓扑结构在网络中 通过传输线路互联的点称为节点 节点也可以定义为网络中通向任何一个分支的端点 或者通向两个或两个以上分支的公共点 各节点互联的方式和形式称为网络拓扑 常见的网络拓扑结构有树型 总线型 星型 环形等 如图所示 7 1 3网络概述 2020 3 7 25 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 还有一种是 报文交换 或 包交换 无固定的物理通道 如果节点出现事故 则通过其他通道把数据组送到目的地 有些像传递邮包或电报的方式 7 1 3网络概述 2020 3 7 26

15、3 开放系统互联模型 在计算机通信网络中 对所有通信设备和站点来说 它们需要共享网络中的资源 但是由于接到网络上的设备或计算机等可能出自不同的生产厂家 型号也不进行同 硬件和软件上的差别给通信带来了障碍 所以 一个计算机通信网络必须有一套全网络 成员 共同遵守的约定 以便于实现彼此间通信和资源的共享 通常把这种约定的规范称为网络协议 7 1 3网络概述 2020 3 7 27 国际标准化组织ISO提出了开放系统互联模型OSI OpenSystemInterconnect简称OSI 作为通信网络的国际标准化的参考模型 OSI是一个开放性的通行系统互连参考模型 它是一个定义的非常好的协议规范 OS

16、I模型有7层结构 它从低到高分别是 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 如图所示 7 1 3网络概述 2020 3 7 28 OSI按照系统功能分为7层 每层都有相对的独立功能 相对的两层之间有清晰的接口 因此系统层次分明 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 高三层分别对数据进行分析 解释 转换和利用 发送方传送给接收方数据 实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理层 通过物理媒体传输到接收方 再经过从下到上各层的传递 最后达到接收方的应用程序 1 物理层 提供为建立 维护和拆除物理链路所需要的机械的 电气的 功能的和规程的特性 有关的物理链路上传输非结构的位流以及故障检测指示 2 数据链路层 在网络层实体间提供数据发送和接收的功能和过程 提供数据链路的流控 7 1 3网络概述 2020 3 7 29 3 网络层 控制分组传送系统的操作 路由选择 拥护控制 网络互连等功能 它的作用是将具体的物理传送对高层透明 4 传输层 提供建立 维护和拆除传送连接的功能 选择网络层提供最合适的服务 在系统之间提供可靠的透明的数据传送 提供