工厂电气与PLC控制技术_第7章课件

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1、计算机网络是计算机技术与通信技术发展的结晶 计算机系统的发展过程: 单机远程访问 系统网络,第七章 PLC的联网与通信技术,第一节 网络的基本概念与特点 一、局域网络的基本概念 局域网（LAN，Local Area Network） 指覆盖范围仅限于有限区域的计算机网 局域网是将分散在有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络，通过完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和资源共享。,局域网是目前应用最为广泛的一种通信子网。 局域网的结构体系包括以下4个方面： （1）传输媒体 （2）传输技术 （3）网络拓扑 （4）访问扩展方法,局域网的特点： 1） 网络覆盖范围相对较小。 2）

2、可以选用较高特性的传输媒体，获得较好的传输特性，包括高的传输速率和低的传输误码率。 3） 媒体访问控制方法相对简单，有一系列的专用于局域网的网络协议标准。 4） 大部分局域网均采用广播方式传输数据信号，一个节点发出的信号可被网上所有的节点接收。,二、局域网的拓扑结构 物理拓扑结构是解释一个网络物理布局的形式图，概括地描述一个不指定设备、连接方法或网络编址网络。 物理拓扑结构按照基本的几何学图形分为三类：总线型、环形、星形。,1. 总线型,图7-1 总线型拓扑结构网络示意图,2环形,图7-2 环形网络示意图,3星形,图7-3 星形网拓扑结构网络示意图,4星形环 星形环拓扑结构将星环形的物理布局与

3、令牌环传递的数据传输方法联合应用。,图7-4 星形环网拓扑结构图,5菊花链形 为星形总线网络拓扑和星形环网络拓扑提供服务的集线器能形成菊花链以构成一个更为复杂的混合拓扑结构,图7-5 菊花链形拓扑结构图,6层次结构,图7-6 层次环形拓扑结构图,三、企业网的拓扑结构 在网络中，术语“企业”指的是一个完整的组织，包括本地和远程的公司、多种计算机系统以及多个部门。企业级网络是对简单的混合局域网拓扑结构的扩展。这种拓扑结构需要更多的互连设备和更加健壮的数据传输环境。 一个企业级网络可以使用或形成广域网的一个部分，但前者只能连接一个组织的资源，而广域网(如Internet)可以连接来自许多不同组织的资

4、源。,1.主干网络 网络主干是连接网络的集线器、中继器以及路由器的电缆。主干通常比连接工作站到集线器上的电缆有更大的通信容量。主干是网络中最重要的组成部分。 （1）串行主干 串行主干是最简单的主干类型。它由两个或更多的通过单根电缆相互连接的集线器组成。 （2）分布式主干 分布式主干由许多连接到位于层次拓扑结构中的一系列中央集线器或路由器上的集线器组成,图7-7 分布式主干网,图7-8所示为连接多个局域网的分布式主干网图，是一个更复杂的分布式主干，它使用路由器连接多个局域网或局域网段。,图7-8 连接多个局域网的分布式主干网结构图,（3）折叠式主干 折叠式主干拓扑结构使用一个路由器或交换机作为多

5、个子网的单个中央连接点，多个局域网是通过一个分布式主干连在一起。,图7-9 折叠式主干拓扑结构,（4）并行式主干 并行式主干是健壮性更强的企业级网络的拓扑结构。有多个从中央路由器或交换机到每个网段的连接。,图7-10 并行式主干拓扑结构,2 网状网络 在网状网络中，路由器间至少可通过两条路径互相链接，如图7-11所示。它一般包括了多个主干网。,图7-11 一个网状网络,四、广域网拓扑结构 广域网是一种链接地理上有差异的多个场所的网络。 广域网拓扑结构不仅使用局域网和企业级网络的拓扑结构作为建构单元，而且由于它们所覆盖的距离、服务的大量用户，以及它们所处理的大量通信量使其更为复杂。 广域网拓扑结

6、构与局域网拓扑结构还在所使用的互连设备(如路由器和交换机)的类型和范围方面有所不同。这种差别将直接导致本地网络段与涉及远距离传输的网络段对连网协议的处理方式不同。,1.端到端 每个地点只有单个连接的广域网被设计成端到端拓扑结构。 它的每个节点依靠网络中其他的每个节点进行数据的发送和接收。 广域网的端到端拓扑结构使用通过(通常)专线连接的不同地点。,图7-12 端到端广域网,2. 环形 在一个环形广域网拓扑结构中，每个节点被连接到两个其他地点以使整个广域网形成 一个环形模形,图7-13 环形广域网,3. 星形 单个地点作为许多其他地点的中央连接点,图7-14 星形广域网,4. 网状,图7-15

7、全网状和半网状的广域网,5. 分层,图7-16 一个分层广域网拓扑结构,五、PLC的网络系统 （一）PLC网络控制系统概述 随着自动化技术、微电子技术、计算机技术、网络技术和传感技术的飞速发展，电力电子器件、智能控制芯片和智能传感器的不断出现。计算机网络控制系统已成为工业控制领域的先进性与可发展性的热门技术。,工业现场自动控制的发展可分为以下4个阶段: 1模拟仪表控制系统 显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰 2直接数字控制系统 DDC 优点：易于根据全局情况进行控制计算和判断，统一调度和安排。 缺点：对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性。 3集散控制系统 DCS 核心思

8、想是集中管理、分散控制 4现场总线控制系统 FCS 用现场总线将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。FCS实质是种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。,现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定的传输媒体作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种网络相互适应的，满足各种实际需要的自动化控制系统。 典型的FCS的结构如图7-17所示，管理体系如图7-18所示，各类现场总线的应用

9、范围如图7-19所示，其测控能力如图7-20所示。,图7-17 典型的FCS组成结构,图7-18 FCS二维体系结构,图7-19 各类现场总线的应用范围,图7-20 各系统测控能力比较,5工业以太网控制系统 工业以太网是指技术上与商用以太网 （即IEEE802.3标准）兼容，但其实时性、 互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等 方面可满足工业现场需要。,（二）现场总线与PLC网络的功能特点 网络通信系统是未来PLC的发展主要方向。PLC与计算机通信，在计算机上可以实现的功能为： 1）可以在计算机上编写、调试和修改应用 程序，并可以自动查错和自动监控等功能。 2）可用图形、图像和图表的形式在计算

10、机上对整个生产过程进行运动状态的监视。 3）可对PLC进行全面地系统管理，包括数据处理、生成报表、参数修改和数据查询等。,4）可对PLC实施直接控制。 5）可以打印用户程序和各种管理信息资料。 6）可以实现对生产过程的模拟仿真。 7）可以利用各种可视化编程语言在计算机上编制多种组态软件。 8）可以通过LAN（WAN）和Internet网与PLC生产厂家和其他用户相互间资源共享。,（三）传输媒体的选择和特点 1. 传输媒体的选择 组建网络时，选择网络的传输媒体主要考虑以下几方面的因素： 1）费用 2）容量 3）可靠性 4）环境,2. 双绞线 双绞线是一种价格低廉、易于连接的传输媒体，由两根绝缘导

11、线以螺旋形绞合形成。 3. 同轴电缆 同轴电缆曾经是局域网中应用很多的传输媒体。具有辐射小和抗干扰能力强的特点 4. 光导纤维 光纤是近年来发展起来的新型传输媒体。常采用非常细的、透明度极高的石英玻璃纤维作为纤芯，外涂一层低折射率的包层和保护层。一根或者多根光导纤维组合在一起，形成光缆 5. 无线传输 无线传输常用于电(光)缆铺设不便的特殊地理环境，或者作为地面通信系统的备份和补充。,第二节 串行通信基础 PLC的通信是指PLC与计算机、PLC与PLC 、PLC与现场设备、PLC与远程I/O之间的数据交换。计算机内进行的任何操作和系统间数据交换，它所执行的都是二进制码即“0”和“1”。在不同系

12、统或计算机之间的信息交换都是采用并行和串行两种通信方式。其传输方式如下所述：,一、并行通信传输方式 并行通信传输方式是指数据各位同时传送。可以用字并行传送，也可以用字节并行传送。 优点：高速度， 缺点：使用线数多、传输距离小，通常小于10m。,图7-21 并行数据传输,二、串行通信传输方式 串行数据通信传输方式是一条信号线传送一种数据源。串行数据传输的距离可达数千米。对远距离、低速度的通信常常选串行通信。 串行通信线路的工作为如下三种方式：,图7-22 串行通信传输方式,（1）单工（单向）通信 只允许数据向一个方向传送，即一个方向传送数据，而另一个方向接收数据。 （2） 半双工通信 允许数据向

13、两个方向的任一方向传送，但每次只能有一个站点发送，另一个站点接收。或相反方向，但不能两端同时发送。 （3）全双工通信 允许同时双向传送数据，要求两端的通信设备都具有完善和独立的发送和接收能力。,三、通信基础 （一）传送编码 计算机中的数和字符都是用一定的编码表示的。常用的编码主要有： 1) 扩展的BCD交换码，一种8位编码，较常用于同步通信中。 2) 美国标准信息交换码ASCII码,（二）串行通信中的两种基本的通信方式 1异步通信ASYNC方式 用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束，构成一帧，如图7-23所示。在异步通信中，发送的每一个数据字符均带有起始位、停止位和可选择的奇偶位

14、。,图7-23 异步通信格式,异步通信数据传输中，微机与其他设备之间必须有两项规定。 （1）字符格式 对字符的编码形式、奇偶校验形式及起始位和停止位的规定。 （2）波特率 对数据传送速率的规定。波特率是以每秒传送的二进制数的位的个数来定义的。,2. 同步通信方式 同步通信需要与数据一起传送时钟信息。数据流中每一个连续不断的数据位均要由一个基本数据时钟控制，并定时在某个特定的时间间隔上。时钟信息可以通过一根信号线进行传送，也可以通过将信息中的时钟代码化来实现。例如，曼彻斯特编码方法，如图7-24所示。,图7-24 同步通信的实现方法 a）数据和时钟通过各自的信号传送 b）通过将数据和时钟编码来实

15、现,同步通信的帧格式分类： 1）单同步格式 如图7-25a所示，每一帧的开始需要一个同步字符，所发送的时钟保证每一位的中间采样该位数据。 2）双同步格式 如图7-25b所示，在每一帧的数据前面需要用两个同步字符。使用特殊字符进一步形成帧的字同步格式有多种方法。 3）IBM双同步格式 如图7-25c所示，有专门的字符定义帧头（SOH）、正文的头（STX）和正文的尾（ETX）,a) 单同步格 b) 双同步格 c) IBM双同步格式 图7-25 同步格式,同步传送的速度高于异步，通常为几十至几千波特。但它要求有时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故硬件复杂，同步传送常用于： 1）计算机到计算机之间的

16、通信。 2）计算机到CRT外设之间的通信。,（三）串行数据通信的标准 为实现计算机与计算机、计算机与外设、计算机与PLC和PLC与PLC间的串行通信，通常采用标准通信接口。 RS-232C串行数据通信接口是计算机早期和现代所拥有的一种标准配置。由美国电子工业协会（EIA）正式公布，在异步串行通信中应用最广泛。包括了按位串行传输的电气和机械两方面的规定，适用于短距离或带调制解调器的通信场合。 为了提高数据传输率和通信距离，EIA又公布了RS-422,RS-485串行总线接口标准。,1RS-232C串行总线标准 RS-232C接口的具体规定如下： （1）适用范围 RS-232C最高的数据速率为19.2kbit/s。如果不增加其他设备，电缆长度最大为15m。不适于接口两边设备间要求绝缘的情况。 （2）RS-232C的信号特性 RS-232C标准规定+3+15V表示逻辑0电平， -3-15V表示逻辑1电平。为了保证二进制数据能够正确传送，设备控制准确完成，有必要使所用的信号电平保持一致。 （3）RS-232C接口信号及引脚说明 表7-1给出了RS-2