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1、第9章 可编程控制器的联网与通信,9.1 可编程控制器的网络基础,9.2 三菱公司的可编程控制器网络,9.3 FX系列可编程控制器网络的应用,PLC网络是具有34级子网的多级分布式网络。具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各类报表制作等多种功能的系统。PLC网络是CIMS系统非常重要的组成部分之一。 PLC网络与其它工业控制局域网相比，具有高性价比、高可靠性等特点。, PP结构、NBS模型、ISO模型 PP结构 金字塔PP（Productivity Pyramid）结构用来描述产品所提供的功能。图9-1 a)为A-B公司的PP结构，图9-1 b)为MODICON公司的PP结构，图9
2、-1 c)为SIEMENS公司的PP结构。 这些PP结构的共同特点是：上层负责生产管理，中层负责生产过程的监控，下层负责现场控制与测量。,9.1.1 PLC网络的拓扑结构及各级子网通信协议配置原则,9.1 可编程控制器的网络基础,图9-1 各公司PP结构示意图 a) A-B公司的PP结构 b) MODICON公司的PP结构 c) SIEMENS公司的PP结构, NBS模型 NBS模型是美国国家标准局为工厂计算机控制系统而提出的，它共有6级，每级都规定了应该完成的功能，NBS模型已得到国际认可，如图9-2所示。,图9-2 NBS模型, ISO模型 ISO模型是国际标准化组织（ISO）为企业自动化
3、系统建立的模型，同NBS模型一样，它也是6级，如图9-3所示。,图9-3 ISO模型,PP结构、NBS模型、ISO模型，尽管它们在各级（层）的内涵有所差别，但它们的本质是一样的。 PLC网络的拓扑结构 PLC网络中不同的层所要实现的功能不同。在高层中，主要传送的是生产管理信息，通信报文长，每次传输的信息量大，要求通信的范围也比较广，但对通信的实时性要求不高。而在底层传送的主要是过程数据及控制命令，通信报文较短，每次通信的信息量不大，传输的距离相对较近，但对实时性、传输可靠性要求较高。中间层对通信的要求正好居于两者之间。 PLC网络只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同的子网中配置不同
4、的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求。 PLC网络分级与PP结构分层不是一一对应关系。相邻几层的功能，若对通信要求相近，则可合并，并由同一级子网去实现。采用多级复合结构，不仅使网络通信具有适应性，而且使网络具有良好的可扩展性，用户可以根据投资情况及生产发展状况，从单台PLC到网络，从底层到高层逐步扩展。,不同的公司，其PLC网络有所不同。图9-4所示为典型的三级复合型拓扑结构，最高层为信息管理网络，选用Ethernet(以太网)或MAP网；中间层为高速数据通道，它负责过程监控，一般配置令牌总线通信协议；底层为远程I/O链路，负责现场控制功能，配置周期I/O通信机制。,图9-4 三级复合拓扑
5、结构的PLC网络, PLC网络各级子网通信协议配置的规律 通过典型PLC网络的介绍，可以看出PLC网络各子网通信协议配置的规律如下： 1) PLC网络通过采用3级或4级子网构成复合型拓扑结构，各级子网中配置不同的通信协议，以适应不同的通信要求。 2) PLC网络中配置的通信协议分两类：一类是通用协议；另一类是公司的专用协议。前者主要配置在PLC网络的高层子网中，通常采用的协议是ETHERNET协议或MAP规约，这反映PLC网络标准化和通用化的趋势，不同PLC网络之间的互联，PLC网络与不同局域网的互联都是在高层子网之间进行的。后者配置在PLC网络的中、低层子网中，故不同PLC的网络的中低层是不
6、能互联的。 3) 个人计算机加入不同级别的子网，须按所接入的子网配置通信模块或板卡，并按该级子网配置的通信协议编制相应的通信程序。, 通信方法 PLC网络的通信一般都采用串行方式，每级子网都根据其不同的功能配置不同的协议，其中大部分是各公司的专用通信协议。不同公司的专用协议，从协议的规定、帧格式等表面形式看，有明显的区别。但是它们关于如何实现通信的思路却极为相似，这就是“通信方法”。 PLC网络的通信介质是共享资源。挂在共享介质上的各站要想通信，首先要解决共享通信介质使用权的分配问题，即存取控制或访问控制。 一个站取得了通信介质使用权后，接下来的任务是如何完成数据的传输。这就是数据传送方式。
7、这里的通信方法等于存取控制方式+数据传送方式。存取控制方式与数据传送方式都是通信协议有关层次的内容，用它们来描述一种通信过程与人们传统意义上有关通信的概念非常接近。对于局域网而言，存取控制方式与数据传送方式是其通信协议最核心的内容。,9.1.2 PLC网络的通信方法, PLC网络的实时性与其约束条件 实时性 实时性通常是用“响应时间”来定量描述的。响应时间是指某一系统对输入做出响应的时间，以ms、s、min、h为计量单位。响应时间越短，意味着该系统实时性越好。 PLC网络中，各级子网对实时性的要求不同，一个站的实时性要求是指该站提出的所有通讯任务在指定的时限内都能获得响应。整个通信子网的实时性
8、满足要求是指，分布在子网上所有站点的每项通信任务的实时性均得到保证。 约束条件 保证PLC网络的实时性必须满足下列三个时间约束条件： 1) 必须限定每个站点每次取得通信权的时间上限值，以防某一站长期霸占子网而导致其它各站点的实时性恶化。 2) 应当保证在某一固定的时间周期内通信子网上的每个站都有机会取得通信权，这将为每个站提供基本实时性。,3) 对于重要的站可以优先服务，对于某项紧急通信任务，应当给予优先处理。 提高PLC网络实时性的途径 1) 选用合适的存取控制方式。 2) 尽量减少通信协议的层数。 3) 选用适当的数据传送方式。如发送数据时，是否要对方应答，有应答实时性就受影响。 PLC控
9、制网络与PLC通信网络 PLC控制网络与PLC通信网络是两个不同的概念。PLC网络包括PLC控制网络与PLC通信网络两种。 PLC控制网络 PLC控制网络只传送ON/OFF开关量，且一次传送的数据量较少，但对实时性要求高的网络。 PLC通信网络 PLC通信网络又称高速数据公路，该类网络既可以传送开关量，又可以传送数字量，一次通信传送的数据较大。,这两种PLC网的本质区别在于：前者的一个工作过程就像PLC对自己的I/O区操作一样，后者的一个工作过程类似于普通局域网的工作过程。 随着通信技术的发展，多类型自动化控制系统(顺序、运动、过程、信息)的集成，PLC控制网络只传送开关量不传送数字量的限制正
10、在被打破，如三菱公司的CC-LINK(控制与通信)现场总线等。 PLC网络中常用的通信方式 周期I/O方式通信 全局I/O方式通信 主从总线1:N通信方式 令牌总线N:N通信方式 浮动主站N:M通信方式 令牌环通信方式 CSMA/CD通信方式 多种通信方式的集成,计算机具有很强的数据处理、图像处理能力，并配有多种高级语言，若选择适当的操作系统，则可提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是能为用户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、报警显示及生产管理等功能。 计算机在PLC网络中的作用 计算机在PLC网络中的作用可分为下列四个方面： 1) 构成以计算机为上位机，数
11、台PLC为下位机的小型集散系统，用个人计算机实现操作站功能。 2) 在PLC网络中，把计算机开发成简易工作站或工业终端，实现集中显示，集中报警功能。 3) 把计算机开发成PLC编程终端，通过编程器接口接入PLC网络，进行编程、调试及监控。,9.1.3 计算机与PLC网络的联网通信,4) 把计算机开发成网间连接器，进行协议转换，实现PLC网络与其它计算机网络的互联。图9-5为通过计算机把局域网（NT网）与专用的PLC网互联的结构图，此处计算机主要起网间连接器的作用。,图9-5 计算机作为网间连接器, 计算机与PLC网络联网通信分类 计算机与PLC网络联网通信通常分为专用通信与公用通信两类： 专用
12、通信 在计算机上配上某个PLC制造公司的专用通信板卡(PCI卡)及专用通信软件，应用人员只需按要求对通信板卡进行初始化，即可进行通信。该类通信方便、可靠、快捷。它的主要缺点是价格高。 通用通信 利用计算机已配有的异步串行通信适配器，加上应用人员自己开发编写的通信程序把计算机与PLC网络互联，此种通信方式称之为通用通信。该类通信最大的特点是，价格低廉，适用于在中小型企业中应用。 计算机与PLC网络联网通用通信的条件 计算机与PLC及其网络联网通用通信的条件如下： 1) 带有异步串行通信接口的PLC及采用异步串行方式通信的PLC网络才有可能与带异步串行通信适配器的计算机互联。仅此还不行，还要求双方
13、采用的总线标准一致，都是RS-232C，或者都是RS-422A（或RS-485），或者都是20mA电流环，否则要通过“总线标准变换单元”变换后才能互联。,2) 要通过对双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同。 3) 应用人员必须熟悉互联的PLC及PLC网络采用的通信协议。严格按该通信协议编写计算机通信程序。而PLC一方则不需开发人员编写通信协议，只需设置通信参数。 计算机与PLC联网的结构形式 计算机与PLC互联时，一般采用如图9-6所示的两种结构形式。 点对点结构 即计算机的COM口与PLC的PG（编程）口之间实现点对点链接。如图9-6 a)所示。,图9-6 计算机与PL
14、C联网的一般结构 a) 点对点结构 b) 多点结构, 多点结构 多点结构即多台PLC共同连在一条串行总线上与计算机相连。多点结构又称为主从式总线结构。如图9-6 b)所示。,现代工业生产过程正在追求整体过程的综合自动化，即要求把过程控制自动化和信息管理自动化结合起来。显然这个控制要求单靠可编程序控制器是做不到的。面对复杂的控制要求，PLC网络就应运而生，现场应用的PLC网络很多，下面初步介绍下位连接系统、同位连接系统、上位连接系统、复合型PLC网络等几种典型的PLC网络。 下位连接系统 下位连接系统是PLC主机通过串行通信连接远程I/O单元，实现远距离分散检测与控制的系统。系统连接形式一般为树
15、形结构，如图9-7所示。,9.1.4 PLC的典型网络,图9-7 下位连接系统示意图,PLC主机是系统的集中控制单元。远程I/O单元是系统的分散控制单元。远程I/O单元有两种类型：一种是非智能型的，它是主机扩展形式的远程I/O单元，它的输入/输出任务完全受主机控制；另一种是智能型的，它是主机终端形式的远程I/O单元，用户可以对它编写自己的应程序，它的输入/输出任务受内部的用户程序和外部的主机信息共同控制。 系统的通信控制程序由生产厂商编制，并安装在主机和远程I/O单元中。用户只要根据系统要求，设置远程I/O单元的地址和编制用户的应用程序即可使系统运行。 远程I/O单元可以就近安装在被测和被控对
16、象的附近，从而大大缩短了输入/输出信号的连接电缆。因此，下位连接系统特别适合于地理位置比较分散的控制系统，如生产流水线上的各工序的控制。, 同位连接系统 同位连接系统是PLC通过串行通信接口相互接起来的系统。系统中的PLC是并行运行的，并通过数据传递相互联系，以适应大规模控制的要求。同位连接系统常采用总线形结构，如图9-8所示。,在同位连接系统中，各个PLC之间的通信一般采用RS-485（或RS-422A）接口。互联的PLC最大允许数量随PLC的类型不同而不同。系统所用的PLC一般是同一厂商的同一系列的产品。系统内的每个PLC都有一个唯一的系统识别单元号(站号)，号码从0开始顺序设置。在各个PLC内部都设置了一个公共数据区(即信箱)，用作通信数据的缓冲区。PLC系统程序中的通信程序把公共数据区中的发送区数据发送到通信接口上，并且把通信接口上接收到的数据放入公共数据区中的接收区。对用户来讲，这个过程是透明的，自动进行的，不需要用户应用程序干预。,图9
