电气控制与PLC工程应用 刘美俊电子课件 第7章

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1、第7章PLC的通信及网络技术 7 1PLC通信基础7 2三菱FX系列PLC的通信7 3PLC网络7 4三菱PLC网络的工程应用实例 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的发展 相当多的企业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 将不同厂家生产的这些设备连在一个网络上 相互之间进行数据通信 由企业集中管理 已经是很多企业必须考虑的问题 本章主要介绍有关PLC的通信与工厂自动化通信网络方面的初步知识 7 1PLC通信基础 概述通信 当任意两台设备之间有信息交换时 它们之间就产生了通信 PLC通信 是指PLC与PLC PLC与计算

2、机 PLC与现场设备或远程I O之间的信息交换 PLC通信的任务 就是将地理位置不同的PLC 计算机 各种现场设备等 通过通信介质连接起来 按照规定的通信协议 以某种特定的通信方式高效率地完成数据的传送 交换和处理 7 1PLC通信基础 7 1 1通信方式7 1 2通信介质7 1 3PLC常用通信接口7 1 4计算机通信标准 7 1 1通信方式 1 并行通信与串行通信2 单工通信与双工通信3 异步通信与同步通信4 基带传输与频带传输 3 异步通信与同步通信 图7 1异步通信的信息格式 7 1 2通信介质 1 双绞线2 同轴电缆3 光缆 表7 1常用通信介质特性 光纤光纤是一种传输光信号的传输媒

3、介光纤的结构 处于光纤最内层的纤芯是一种横截面积很小 质地脆 易断裂的光导纤维 制造这种纤维的材料可以是玻璃也可以是塑料 纤芯的外层裹有一个包层 它由折射率比纤芯小的材料制成 由于在纤芯与包层之间存在着折射率的差异 光信号才得以通过全反射在纤芯中不断向前传播 在光纤的最外层则是起保护作用的外套 通常都是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆 7 1 2通信介质 非屏蔽双绞线电缆 价格便宜 直径小节省空间 使用方便灵活 易于安装美国电器工业协会 EIA 规定了六种质量级别的双绞线电缆 其中1类线档次最低 只适于传输语音 6类线档次最高 传输频率可达到250MHz 3类线数据传输率可达10Mbp

4、s 4类线数据传输率可达16Mbps 5类线数据传输可达100Mbps 屏蔽双绞线电缆 抗干扰能力强 有较高的传输速率 100m内可达到155Mbps 但其价格相对较贵 需要配置相应的连接器 使用时不是很方便 3 光缆 1 光纤支持很宽的带宽 其范围在1014 1015Hz之间 这个范围覆盖了红外线和可见光的频谱 2 具有很快的传输速率 当前限制其所能实现的传输速率的因素来自信号生成技术 3 光纤抗电磁干扰能力强 由于光纤中传输的是不受外界电磁干扰的光束 而光束本身又不向外辐射 因此它适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合 4 光纤衰减较小 中继器的间距较大 同轴电缆与双绞线相比 同轴电

5、线抗干扰能力强 能够应用于频率更高 数据传输速率更快的情况 对其性能造成影响的主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的影响 虽然目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 光纤光纤的优点 1 光纤支持很宽的带宽 1014 1015HZ 覆盖了红外线和可见光的频谱 2 具有很快的传输速率 当前传输速率制约因素是信号生成技术 3 光纤抗电磁干扰能力强 且光束本身又不向外辐射 适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合 4 光纤衰减较小 中继器的间距较大 光纤的缺点 系统成本较高 不易安装与维护 质地脆易断裂等 7 1 3PLC常用通信接口 1 RS

6、232C2 RS 422A3 RS 485 RS 232CRS 232C是美国电子工业协会 EIA 于1969年公布的通信协议 RS 232C接口标准是目前计算机和PLC中最常用的一种串行通信接口 RS 232C采用负逻辑 用 5 15V表示逻辑 l 用 5 15V表示逻辑 0 噪声容限为2V 即接收器能识别低至 3V的信号作为逻辑 0 高到 3V的信号作为逻辑 1 RS 232C只能进行一对一的通信 RS 232C可使用9针或25针的D型连接器 PLC一般使用9针的连接器 1 RS 232C 1 传输速率较低 最高传输速度速率为20kbit s 2 传输距离短 最大通信距离为15m 3 接口

7、的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 又因为与TTL电平不兼容 故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接 表7 2RS 232C接口引脚信号的定义 1 RS 232C 图7 2两个RS 232C数据终端设备的连接a 典型连接b 近距离连接 1 RS 232C 图7 3单端驱动单端接收的电路 RS 422A针对RS 232C的不足 EIA于1977年推出了串行通信标准RS 499 对RS 232C的电气特性作了改进 RS 422A是RS 499的子集 RS 422A采用平衡驱动 差分接收电路 从根本上取消了信号地线 大大减少了地电平所带来的共模干扰 2 RS 422A 图7 4平衡驱动差分接收

8、的电路 RS 485RS 485是RS 422的变形 为半双工 只有一对平衡差分信号线 不能同时发送和接收 最少只需二根连线 RS 485的逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V表示 逻辑 0 以两线间的电压差为 2 6 V表示 电平与TTL电平兼容 可方便与TTL电路连接 RS 485接口具有良好的抗噪声干扰性 高传输速率 10Mbps 长的传输距离 1200m 和多站能力 最多128站 等优点 所以在工业控制中广泛应用 3 RS 485 图7 5使用RS 485的网络 3 RS 485 图7 6RS 232C RS 422A转换器原理图 7 1 4计算机通信标准 1 开放系统互连模型2

9、IEEE802通信标准 开放系统互连模型 OSI 为了实现不同厂家生产的智能设备之间的通信 国际标准化组织ISO提出了开放系统互连模型OSI OpenSystemInterconnection 作为通信网络国际标准化的参考模型 详细描述了软件功能的7个层次 每一层都尽可能自成体系 均有明确的功能 开放系统互连模型 OSI 数据链路层 DatalinkLayer 数据键路层通过物理层提供的物理连接 实现建立 保持和断开数据链路的逻辑连接 完成数据的无差错传输 数据链路层的主要控制功能是差错控制和流量控制 以保证数据的可靠传输 在数据链路上 数据以帧格式传输 帧是包含多个数据比特位的逻辑数据单元

10、通常由控制信息和传输数据两部分组成 常用的数据链路层协议是面向比特的串行同步通信协议 同步数据链路控制协议 高级数据链路控制协议 SDLC HDLC 1 开放系统互连模型 1 物理层 2 数据链路层 Data 3 网络层 Network 4 传输层 Transport 5 会话层 Session 6 表示层 Presentation 7 应用层 Application 1 开放系统互连模型 图7 7开放系统互连 OSI 模型 2 IEEE802通信标准 1 CSMA CD协议 2 令牌总线 3 令牌环 IEEE802通信标准IEEE802通信标准是IEEE 国际电工与电子工程师学会 的802分

11、委员会从1981年至今颁布的一系列计算机局域网分层通信协议标准草案的总称 它把OSI参考模型的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 前两层对应于OSI模型中的数据链路层 数据链路层是一条链路 Link 两端的两台设备进行通信时所共同遵守的规则和约定 IEEE802的媒体访问控制子层对应于多种标准 其中最常用的为三种 即带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 协议 令牌总线 TokenBus 和令牌环 TokenRing IEEE802通信标准CSMA CD协议CSMA CD carrier sensemultipleaccesswithcollision

12、detection 通信协议的基础是以太网 Ethernet 各站共享一条广播式的传输总线 每个站都是平等的 采用竞争方式发送信息到传输线上 当某个站识别到报文上的接收站名与本站的站名相同时 便将报文接收下来 由于没有专门的控制站 两个或多个站可能因同时发送信息而发生冲突 造成报文作废 因此必须采取措施来防止冲突 通常把这种 先听后讲 和 边听边讲 相结合的方法称为CSMA CD 其控制策略是竞争发送 广播式传送 载体监听 冲突检测 冲突后退和再试发送 IEEE802通信标准令牌总线令牌总线是IEEE802标准中的工厂媒质访问技术 其编号为802 4 它吸收了GM公司支持的MAP Manufa

13、cturingAutomationProtocol 即制造自动化协议 系统的内容 在令牌总线中 媒体访问控制是通过传递一种称为令牌的特殊标志来实现的 按照逻辑顺序 令牌从一个装置传递到另一个装置 传递到最后一个装置后 再传递给第一个装置 如此同而复始 形成一个逻辑环 2 令牌总线 图7 8令牌总线结构 IEEE802通信标准令牌总线令牌有 空 忙 两个状态 令牌网开始时由指定站产生一个空令牌沿逻辑环传送 任何一个要发送信息的站都要等到令牌传给自己 判断为 空 令牌时才发送信息 发送站首先把令牌置成 忙 并写入要传送的信息 发送站名和接收站名 然后将载有信息的令牌送入环网传输 令牌沿环网循环一周

14、后返回发送站时 信息已被接收站拷贝 发送站将令牌置为 空 送上环网继续传送 以供其它站使用 如果在传送过程中令牌丢失 由监控站向网中注入一个新的令牌 令牌传递式总线最适合于需要进行实时通信的工业控制网络 IEEE802通信标准令牌环令牌环媒质访问方案是IBM开发的 它在IEEE802标准中的编号为802 5 它有些类似于令牌总线 在令牌环上 最多只能有一个令牌绕环运动 不允许两个站同时发送数据 令牌环从本质上看是一种集中控制式的环 环上必须有一个中心控制站负责网的工作状态的检测和管理 7 2三菱FX系列PLC的通信 7 2 1FX系列PLC的通信模式7 2 2PLC与计算机专有协议的通信7 2

15、 3PLC与计算机无协议通信7 2 4并行通信与N N通信 7 2 1FX系列PLC的通信模式 1 PLC的N N通信方式 2 PLC双机并联通信方式 3 PLC与计算机专有协议通信方式 4 PLC与计算机无协议通信方式 1 PLC的N N通信方式 2 PLC双机并联通信方式 3 PLC与计算机专有协议通信方式 4 PLC与计算机无协议通信方式 表7 3FX系列PLC各通信模式的特性 表7 3FX系列PLC各通信模式的特性 7 2 2PLC与计算机专有协议的通信 1 判别PC上配置的通信接口是否与要连入的PLC匹配 若不匹配 则增加通信模板 2 要熟悉PLC的通信协议 按照协议的规定及帧格式编

16、写PC的通信程序 3 选择适当的操作系统提供的软件平台 编制用户要求的画面 4 若要远程传送 可通过Modem接入电话网 1 硬件连接2 FX系列PLC通信协议3 PC通信程序的编写 1 硬件连接 图7 9PC与PLC的硬件连接a 通过FX 232AW单元的点对点连接b 通过通信功能扩展板FX 232BD的点对点连接c 多点结构连接 2 FX系列PLC通信协议 1 数据格式 2 通信命令 3 通信控制字符 4 报文格式 5 传输规程 图7 10数据格式 表7 4FX系列PLC的通信命令 表格 表格 表7 5FX系列PLC通信控制字符 图7 11传输过程 3 PC通信程序的编写 1 通信口初始化 2 请求通信与确认 3 发送命令报文 4 读取应答报文 图7 12传输应答过程及命令报文 7 2 3PLC与计算机无协议通信 1 系统配置2 通信数据的处理 1 系统配置 表7 6无协议通信时PLC与通信接口的配置 2 通信数据的处理 1 16位数据处理模式 2 8位数据处理模式 图7 13RS指令在处理16位数据时的控制程序 图7 14发送数据和发送数据剩余量 图7 15接收数据和已接收数据量