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1、第第 7 7 部分部分 可编程控制通信与网络技术可编程控制通信与网络技术 授课教师：李授课教师：李授课教师：李授课教师：李 建建建建 兴兴兴兴 （E-mailE-mail：）可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLC）第第 7 部分部分 可编程控制器通信与网络技术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，相当多近年来，工厂自动化网络得到了迅速的发展，相当多近年来，工厂自动化网络得到了迅速的发展，相当多近年来，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，如的企业已经在大量地使用可编程设备，如的企业已经在大量地使用可编程设备，如的企业已经在大
2、量地使用可编程设备，如PLCPLC、工业控制工业控制工业控制工业控制计算机、变频器、机器人、柔性制造系统等。将不同厂家计算机、变频器、机器人、柔性制造系统等。将不同厂家计算机、变频器、机器人、柔性制造系统等。将不同厂家计算机、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，生产的这些设备连在一个网络上，相互之间进行数据通信，生产的这些设备连在一个网络上，相互之间进行数据通信，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。由企业集中管理，已经是很多企业必须考虑的问题。由企业集中管理，已经是很多企业必
3、须考虑的问题。由企业集中管理，已经是很多企业必须考虑的问题。 本章主要介绍有关本章主要介绍有关本章主要介绍有关本章主要介绍有关PLCPLC的通信与工厂自动化通信网络的通信与工厂自动化通信网络的通信与工厂自动化通信网络的通信与工厂自动化通信网络方面的初步知识。方面的初步知识。方面的初步知识。方面的初步知识。 可编程控制器通信与网络技术可编程控制器通信与网络技术参考书参考书n邱公伟，可编程控制器网络通信及应用， 清华大学出版社，2000n阳宪惠，工业数据通信与控制网络， 清华大学出版社，20037 PLC通信与网络技术通信与网络技术7.1 PLC通信基础通信基础n概述概述n通信通信通信通信：当任意
4、两台设备之间有信息交换时，它们之间就产生了通信。nPLCPLC通信通信通信通信：是指PLCPLC与与与与PLCPLC、PLCPLC与计算机与计算机与计算机与计算机、PLCPLC与现场与现场与现场与现场设备或远程设备或远程设备或远程设备或远程I/OI/O之间之间之间之间的信息交换。n PLCPLC通信的任务通信的任务通信的任务通信的任务：就是将地理位置不同的PLC、计算机、各种现场设备等，通过通信介质通信介质通信介质通信介质连接起来，按照规定的通信协议通信协议通信协议通信协议，以某种特定的通信方式通信方式通信方式通信方式高效率地完成数据的传送、交换和处理。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.1
5、 通信方式通信方式n并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行通信与串行通信n并行通信并行通信并行通信并行通信：是以字节或字为单位的数据传输方式，除了8根或16根数据线、一根公共线外，还需要数据通信联络用的控制线。n并行通信的传送速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的数据传送。n并行通信一般用于PLC的内部，如PLC内部元件之间、PLC主机与扩展模块之间或近距离智能模块之间的数据通信。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.1 通信方式通信方式n并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行通信与串行通信n串行通信串行通信串行通信串行通信：以二进制位（
6、bit）为单位的数据传输方式，每次传送一位，除了地线外，在一个数据传输方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作为通信联络控制线n串行通信需要的信号线少，最少的只需要两三根线，适用于距离较远的场合。n串行通信多用于PLC与计算机之间、多台PLC之间的数据通信。n传输速率传输速率传输速率传输速率是评价通信速度的重要指标。在串行通信中，传输速率常用比特率来表示，其单位是比特/秒（bit/s）或bps7.1 PLC通信基础通信基础7.1.1 通信方式通信方式n单工通信与双工通信单工通信与双工通信单工通信与双工通信单工通信与双工通信 n单工通信方式单工通信方式单工通信方式单工通信方式：只能沿单一方
7、向发送或接收数据。n双工通信方式双工通信方式双工通信方式双工通信方式：其信息可沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。n全双工方式全双工方式全双工方式全双工方式：数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传送，通信的双方都能在同一时刻接收和发送信息n半双工方式半双工方式半双工方式半双工方式：用同一根线或同一组线接收和发送数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据n在PLC通信中常采用半双工和全双工通信。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.1 通信方式通信方式n异步通信与同步通信异步通信与同步通信异步通信与同步通信异步通信与同步通信 按同步方式的不同，串行通信分为异步
8、通信和同步通信n异步通信：异步通信：异步通信：异步通信：通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。n异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，一般用于低速通信，PLC一般使用异步通信。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.1 通信方式通信方式n异步通信与同步通信异步通信与同步通信异步通信与同步通信异步通信与同步通信n同步通信同步通信同步通信同步通信：以字节为单位。每次传送l2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。n同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。在同步通信中，发送方和接收方要保持完全的同步。n在近距离通信时，可以在传输线中设置一根时钟信号线。在远距
9、离通信时，可以在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方完全相同的接收时钟信号。n同步通信方式传输效率高，但是对硬件的要求较高，一般用于高速通信。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.1 通信方式通信方式n基带传输与频带传输基带传输与频带传输基带传输与频带传输基带传输与频带传输n基带传输：按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。n基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，常用数据编码方法有非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码等。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.1 通信方式通信方式n基带传输与频带传输基带传输与频带传输基带传输与频带
10、传输基带传输与频带传输n频带传输频带传输频带传输频带传输：是一种采用调制解调技术的传输形式。发送端采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。n常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即Modem。nPLC通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.2 通信介质通信介质n通信介质通信介质通信介质通信介质：是在通信系统中位于发送端与接收
11、端之间的物理通路。n通信介质一般可分为：导向性介质、非导向性介质n导向性介质导向性介质导向性介质导向性介质：这种介质将引导信号的传播方向，如：双绞线、同轴电缆和光纤等；n非导向性介质非导向性介质非导向性介质非导向性介质：一般通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向，如短波、微波和红外线通信等。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.2 通信介质通信介质n双绞线双绞线双绞线双绞线n双绞线是由两根彼此绝缘的导线按照一定规则以螺旋状绞合在一起。这种结构能在一定程度上减弱来自外部的电磁干扰及相邻双绞线引起的串音干扰。但在传输距离、带宽和数据传输速率等方面仍有其一定的局限性。 7.1 PLC通信基础通信
12、基础7.1.2 通信介质通信介质n非屏蔽双绞线电缆非屏蔽双绞线电缆非屏蔽双绞线电缆非屏蔽双绞线电缆：价格便宜、直径小节省空间、使用方便灵活、易于安装n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10Mbps；4类线数据传输率可达16Mbps；5类线数据传输可达100Mbps。n屏蔽双绞线电缆屏蔽双绞线电缆屏蔽双绞线电缆屏蔽双绞线电缆：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。 7.1 PLC通信基础通信
13、基础7.1.2 通信介质通信介质n同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆n与双绞线相比，同轴电线抗干扰能力强，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。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.2 通信介质通信介质n同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆n同轴电缆主要有：5050电缆和电缆和电缆和电缆和7575电缆。电缆。电缆。电缆。n50电缆：用于基带数字信号传输，又称基带同轴电缆。电缆中只有一个信道，数据信号采用曼彻斯特编码方式，数据传输速率可达
14、10Mbps，这种电缆主要用于局域网。n75电缆：是CATV系统使用的标准，它既可用于传输宽带模拟信号，也可用于传输数字信号。对于模拟信号而言，其工作频率可达400MHZ。若在这种电缆上使用频分复用技术，则可以使其同时具有大量的信道，每个信道都能传输模拟信号。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.2 通信介质通信介质n光纤光纤光纤光纤n光纤光纤光纤光纤是一种传输光信号的传输媒介n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。n由于在纤芯与包层之间存在着折射率的差异，
15、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 PLC通信基础通信基础7.1.2 通信介质通信介质n光纤光纤光纤光纤n根据制作材料的不同，光纤可分为：石英光纤、塑料光纤、玻璃光纤等；n根据传输模式不同，光纤可分为：多模光纤和单模光纤；n根据纤芯折射率的分布不同，光纤可以分为：突变型光纤和渐变型光纤；n根据工作波长的不同，光纤可分为：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.2 通信介质通信介质n光纤光纤光纤光纤n在实际光纤传输系统中，还应配置与光纤配套的光源发生器件和光
16、检测器件。n最常见的光源发生器件是发光二极管（LED）和注入激光二极管（ILD）。n光检测器件是在接收端能够将光信号转化成电信号的器件，目前使用的光检测器件有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD），光电二极管的价格较便宜，然而雪崩光电二极管却具有较高的灵敏度。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.2 通信介质通信介质n光纤光纤光纤光纤n光纤的优点光纤的优点光纤的优点光纤的优点：1）光纤支持很宽的带宽（10141015HZ），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
17、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。n光光光光纤纤纤纤的的的的缺缺缺缺点点点点：系统成本较高、不易安装与维护、质地脆易断裂等。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口 PLCPLC通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信接口标准有接口标准有接口标准有接口标准有RS-232CRS-232C、RS-422ARS-422A和和和和RS-485RS-485等。等。等。等。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC
18、常用通信接口常用通信接口nRS-232CRS-232CnRS-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。nRS-232C采用负逻辑负逻辑负逻辑负逻辑，用-5-5-15-15V V表示逻辑表示逻辑表示逻辑表示逻辑“ “l”l”，用+5+5+15+15V V表示逻辑表示逻辑表示逻辑表示逻辑“0”“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”。nRS-232C只能进行一对一的通信一对一的通信一对一的通信一对一的通信，RS-232C可使用9针或25针的D型连
19、接器，PLC一般使用9针的连接器7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口nRS-232CRS-232C7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口nRS-232CRS-232C7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口nRS-232CRS-232CnRS-232-C的电气接口采用单端驱动、单端驱动、单端驱动、单端驱动、单端接收的电路单端接收的电路单端接收的电路单端接收的电路，容易受到公共地线上的电位差和外部引入的干扰信号的影响，同时还存在以下不足之处：1）传输速率较低，最高传输速度速率为20kbps。2）
20、传输距离短，最大通信距离为15m3）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，与TTL电平不兼容7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口nRS-422ARS-422A n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。 nRS-422A采用平衡驱动、差分接收平衡驱动、差分接收平衡驱动、差分接收平衡驱动、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。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口nRS-422A
21、RS-422AnRS-422在最大传输速率10Mbps时，允许的最大通信距离为12m。传输速率为100kbps时，最大通信距离为1200m。n一台驱动器可以连接10台接收器。n RS-422A是全双工全双工全双工全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收，所以采用RS422接口通信时最少需要4根线。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口nRS-485RS-485nRS-485是RS-422的变形，为半双工半双工半双工半双工，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。n RS-485的逻辑“1”以两线间的电压差为+（26）V表示，逻辑“0”
22、以两线间的电压差为-（26）V表示。n电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。nRS-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。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.3 PLC常用通信接口常用通信接口nRS-485RS-4857.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准 n开放系统互连模型开放系统互连模型开放系统互连模型开放系统互连模型（OSIOSI）n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(OpenSys
23、tem Interconnection)，作为通信网络国际标准化的参考模型，n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。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准 n开放系统互连模型开放系统互连模型开放系统互连模型开放系统互连模型（OSIOSI）n物理层（物理层（物理层（物理层（ Physical LayerPhysical Layer）n物理层是为建立、保持和断开在物理实体之间的物理连接，提供机械的、电气的、功能性的和规程的特性。n物理层是建立在传输介质之上，负责提供传送数据比特位“0”和“1”码的物理条件。同时，定义了传输介质与网络接
24、口卡的连接方式以及数据发送和接收方式。n接口标准RS-232C、RS-422和RS-485等就属于物理层。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准n开放系统互连开放系统互连开放系统互连开放系统互连模型（模型（模型（模型（OSIOSI）n数据链路层（数据链路层（数据链路层（数据链路层（Datalink LayerDatalink Layer）n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。n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。n在数据链路上，数据以帧格式传输数据以帧格式传输数据以帧
25、格式传输数据以帧格式传输，帧是包含多个数据比特位的逻辑数据单元，通常由控制信息和传输数据两部分组成。n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）。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准n开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（OSIOSI）n网络层（网络层（网络层（网络层（Network LayerNetwork Layer）n网络层完成站点间逻辑连接的建立和维护，负责传输数据的寻址，提供网络各站点间进行数据交换的方法，完成传输数据的路由选择和信息交换的有关操
26、作。n网络层的主要功能是报文包的分段、报文包阻塞的处理和通信子网内路径的选择。n常用的网络层协议有X.25分组协议和IP协议。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准n开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（OSIOSI）n传输层（传输层（传输层（传输层（Transport LayerTransport Layer）n传输层是向会话层提供一个可靠的端到端（end-to-end）的数据传送服务。n传输层的信号传送单位是报文（Message），它的主要功能是流量控制、差错控制、连接支持。n典型的传输层协议是因特网TCP/IP协议中的T
27、CP协议。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准n开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（OSIOSI）n会话层（会话层（会话层（会话层（Session LayerSession Layer）n两个表示层用户之间的连接称为会话，对应会话层的任务就是提供一种有效的方法，组织和协调两个层次之间的会话，并管理和控制它们之间的数据交换。n网络下载中的断点续传就是会话层的功能。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准n开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（OSIOSI）n表示
28、层（表示层（表示层（表示层（Presentation LayerPresentation Layer）n表示层用于应用层信息内容的形式变换，如数据加密/解密、信息压缩解压和数据兼容，把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准n开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（OSIOSI）n应用层（应用层（应用层（应用层（Application LayerApplication Layer）n应用层作为参考模型的最高层，为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。n七层模型中所有其它层的目的
29、都是为了支持应用层，它直接面向用户，为用户提供网络服务。n常用的应用层服务有电子邮件(E-mail)、文件传输(FTP)和Web服务等。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准 n开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（开放系统互连模型（OSIOSI）nOSI 7层模型中，除了物理层和物理层之间可直接传送信息外，其它各层之间实现的都是间接的传送。nOSI 7层参考模型只是要求对等层遵守共同的通信协议，并没有给出协议本身。nOSI 7层协议中，高4层提供用户功能，低3层提供网络通信功能。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机
30、通信标准 nIEEE802IEEE802通信标准通信标准通信标准通信标准nIEEE802通信标准是IEEE（国际电工与电子工程师学会）的802分委员会从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。n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。nIEEE802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（Tok
31、enRing） 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准 nIEEE802IEEE802通信标准通信标准通信标准通信标准nCSMA/CDCSMA/CD协议协议协议协议nCSMA/CD（carrier-sensemultipleaccesswithcollisiondetection）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
32、来防止冲突。n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；7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准nIEEE802IEEE802通信标准通信标准通信标准通信标准n令牌总线令牌总线令牌总线令牌总线n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（ManufacturingAutomationProtocol，即制造自动化协议）系统的内容。n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
33、，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。7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准nIEEE802IEEE802通信标准通信标准通信标准通信标准n令牌总线令牌总线令牌总线令牌总线n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。n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后返回发送站时，信息已被接收站拷贝，发送站将令牌置为
34、“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。n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。 7.1 PLC通信基础通信基础7.1.4 计算机通信标准计算机通信标准nIEEE802IEEE802通信标准通信标准通信标准通信标准n令牌环令牌环令牌环令牌环n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。n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 PC与与PL
35、C通信的实现通信的实现 7.2.1 概述概述 PC具有较强的数据处理功能，配备着多种高级语言，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，特别是动态画面显示等。随着工业PC的推出，PC在工业现场运行的可靠性问题也得到了解决，用户普遍感到，把PC连入PLC应用系统可以带来一系列的好处。 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.1 概述概述nPCPC与与与与PLCPLC实现通信的意义实现通信的意义实现通信的意义实现通信的意义 1）构成以PC为上位机，单台或多台PLC为下位机的小型集散系统，可用PC实现操作站功能。2）在PLC应用系统中，把PC开发成简易工作站或者工业
36、终端，可实现集中显示、集中报警功能。3）把PC开发成PLC编程终端，可通过编程器接口接入PLC，进行编程、调试及监控。4）把PC开发成网间连接器，进行协议转换，可实现PLC与其它计算机网络的互联。 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.1 概述概述nPCPC与与与与PLCPLC实现通信的方法实现通信的方法实现通信的方法实现通信的方法1）判别PC上配置的通信口是否与要连入的PLC匹配，若不匹配，则增加通信模板。2）要清楚PLC的通信协议，按照协议的规定及帧格式编写PC的通信程序。PLC中配有通信机制，一般不需用户编程。若PLC厂家有PLC与PC的专用通信软件出售，则此项任务较容易完
37、成。3）选择适当的操作系统提供的软件平台，利用与PLC交换的数据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。若要PC具有编程功能，应配置编程软件。 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.1 概述概述nPCPC与与与与PLCPLC实现通信的条件实现通信的条件实现通信的条件实现通信的条件 n从原则上讲，PC连入PLC网络并没有什么困难。只要为PC配备该种PLC网专用的通信卡以及通信软件，按要求对通信卡进行初始化，并编制用户程序即可。用这种方法把PC连入PLC网络存在的唯一问题是价格问题。 n用户普遍感兴趣的问题是，能否利用PC中已普遍配有的异步串行通信适配器加上
38、自己编写的通信程序把PC连入PLC网络。 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.1 概述概述n只有满足下列三个条件，PC就可以与PLC互联通信。若不能满足则应配置专用网卡及通信软件实现互联。1）PLC具有异步通信接口。同时还要求双方采用的总线标准一致，都是RS-232C，或者都是RS-422（RS-485），否则要通过“总线标准变换单元”变换之后才能互连。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）用户必须熟悉PLC采用的通信协议。严格地按照协议规定为PC编写通信程序。 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.1 概述概述nPCPC与与
39、与与PLCPLC互联的结构形式互联的结构形式互联的结构形式互联的结构形式n点对点结构：PC的COM口与PLC的编程器接口或其它异步通信口之间实现点对点链接。n多点结构：PC与多台PLC共同连在同一条串行总线上。多点结构采用主从式存取控制方法，通常以PC为主站，多台PLC为从站，通过周期轮询进行通信管理。 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.1 概述概述nPC与与PLC互联通信方式互联通信方式n1）通过PLC开发商提供的系统协议和网络适配器，构成特定公司产品的内部网络，其通信协议不公开。n2）购买通用的上位组态软件，实现PC与PLC的通信。这种方式除了要增加系统投资外，其应用的灵
40、活性也受到一定的局限。n3）利用PLC厂商提供的标准通信口或由用户自定义的自由通信口实现PC与PLC互联通信。这种方式不需要增加投资，有较好的灵活性，特别适合于小规模控制系统。n本节主要介绍利用标准通信口或由用户自定义的自由通信口实现PC与PLC的通信。 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.2 PC与与FX系列系列PLC通信的实现通信的实现 n硬件连接硬件连接n一台PC机可与一台或最多16台FX系列PLC通信，PC与PLC之间不能直接连接。7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.2 PC与与FX系列系列PLC通信的实现通信的实现nFXFX系列系列系列系列PLCPLC
41、通信协议通信协议通信协议通信协议 n数据格式nFX系列PLC采用异步格式，由1位起始位、7位数据位、1位偶校验位及1位停止位组成，比特率为9600bps，字符为ASC码。数据格式如下：7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.2 PC与与FX系列系列PLC通信的实现通信的实现nFXFX系列系列系列系列PLCPLC通信协议通信协议通信协议通信协议n通信命令nFX系列PLC有4条通信命令7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.2 PC与与FX系列系列PLC通信的实现通信的实现nFXFX系列系列系列系列PLCPLC通信协议通信协议通信协议通信协议n通信控制字符nFX系列PLC采
42、用面向字符的传输规程，有5个通信控制字符 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.2 PC与与FX系列系列PLC通信的实现通信的实现nFXFX系列系列系列系列PLCPLC通信协议通信协议通信协议通信协议n报文格式报文格式n其中，STX为开始标志：02H；ETX为结束标志：03H；CMD为命令的ASC码；SUMH、SUML为按字节求累加和，溢出不计。n数据段格式与含义数据段格式与含义 7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.2 PC与与FX系列系列PLC通信的实现通信的实现nFXFX系列系列系列系列PLCPLC通信协议通信协议通信协议通信协议n传输规程传输规程nPC与FX
43、系列PLC间采用应答方式通信，传输出错，则组织重发。nPLC根据PC的命令，在每个循环扫描结束处的END语句后组织自动应答，无需用户在PLC一方编写程序。7.2 PC与与PLC通信的实现通信的实现 7.2.2 PC与与FX系列系列PLC通信的实现通信的实现nPCPC通信程序的编写通信程序的编写通信程序的编写通信程序的编写n编写PC的通信程序可采用汇编语言编写，或采用各种高级语言编写，或采用工控组态软件，或直接采用PLC厂家的通信软件（如三菱的MELSEMEDOC等）7.3 PLC网络网络 7.3.1 生产金字塔结构与工厂计算机控制系统模型生产金字塔结构与工厂计算机控制系统模型nPLC制造厂家常
44、用生产金字塔结构来描述它的产品能提供的功能。这些金字塔的共同特点是：上层负责生产管理，下层负责现场控制与检测，中间层负责生产过程的监控及优化。 7.3 PLC网络网络 7.3.1 生产金字塔结构与工厂计算机控制系统模型生产金字塔结构与工厂计算机控制系统模型n美国国家标准局曾为工厂计算机控制系统提出的NBS模型，它分为6级，并规定了每一级应当实现的功能，这一模型获得了国际广泛的承认。 7.3 PLC网络网络 7.3.1 生产金字塔结构与工厂计算机控制系统模型生产金字塔结构与工厂计算机控制系统模型n国际标准化组织（ISO）对企业自动化系统的建模进行了一系列研究，也提出了6级模型。它的高3级负责经营
45、管理，低3级负责生产控制与过程监控。n这说明现代工业企业自动化系统应当是一个既负责企业管理经营又负责控制监控的综合自动化系统。7.3 PLC网络网络 7.3.2 PLC网络的拓扑结构网络的拓扑结构 n上层上层上层上层所传送的主要是些生产管理信息，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，但对通信实时性的要求却不高；底层底层底层底层传送的主要是些过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及可靠性的要求却比较高；中间层中间层中间层中间层对通信的要求正好居于两者之间。 n采用单级子网，只配置一种通信协议，无法满足所有各层对通信的要求。只有采用多级通信子网
46、多级通信子网多级通信子网多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求 7.3 PLC网络网络 7.3.2 PLC网络的拓扑结构网络的拓扑结构n三菱公司的三菱公司的PLC网络网络 7.3 PLC网络网络 7.3.2 PLC网络的拓扑结构网络的拓扑结构nSIEMENSSIEMENS公司的公司的公司的公司的PLCPLC网络网络网络网络 7.3 PLC网络网络 7.3.2 PLC网络的拓扑结构网络的拓扑结构nOMRONOMRON公司的公司的公司的公司的PLCPLC网络网络网络网络 7.3 PLC网络网络 7.3.3 PLC网络各级子网通信协议配置
47、的规律网络各级子网通信协议配置的规律 1）PLC网络通常采用3级或4级子网构成的复合型拓扑结构，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）在PLC网络中配置的通信协议分两类：一类是通用协议，一类是公司专用协议。3）在PLC网络的高层子网中配置的通用协议主要有两种，一种是MAP规约（全MAP30），一种是Ethernet协议，这反映PLC网络标准化与通用化的趋势。PLC网的互联，PLC网与其它局域网的互联将通过高层进行。7.3 PLC网络网络 7.3.3 PLC网络各级子网通信协议配置的规律网络各级子网通信协议配置的规律4）在PLC网络的低层子网及中间层子网采用公司专用协议。其最底层
48、由于传递过程数据及控制命令，这种信息很短，对实时性要求又较高，常采用周期I/O方式通信；中间层负责传送监控信息，信息长度居于过程数据及管理信息之间，对实时性要求也比较高，其通信协议常用令牌方式控制通信，也有采用主从方式控制通信的。5）PLC网络低层子网对实时性要求较高，其采用的协议大多为塌缩结构，只有物理层、链路层及应用层；而高层子网传送管理信息，与普通网络性质接近，又要考虑异种网互联，因此高层子网的通信协议大多为7层。 7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.1 现场总线概述现场总线概述 n20世纪80年代中期开始发展起来的现场总线已成为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的
49、计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。 n现场总线（Fieldbus）：是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向、串行、多点数字通信的系统双向、串行、多点数字通信的系统双向、串行、多点数字通信的系统双向、串行、多点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。n现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）：基于现场总线的控制系统。FCS实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。 7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.2 现场总线的国际标准现场总线的国际标准 n从1
50、984年IEC（国际电工委员会）开始制定现场总线国际标准至今，争夺现场总线国际标准的大战持续了16年之久。先后经过9次投票表决，最后通过协商、妥协，于2000年1月4日IEC TC65（负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）通过了8种类型的现场总线作为新的IEC61 158国际标准。 7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.2 现场总线的国际标准现场总线的国际标准n1）类型1IEC技术报告（即FF的H1）；n2）类型2ControlNet（美国Rockwell公司支持）；n3）类型3Profibus（德国Siemens公司支持）；n4）类型4P-Net（丹麦ProcessData公司支
51、持）；n5）类型5FFHSE（即原FF的H2，Fisher-Rosemount等公司支持）；n6）类型6SwiftNet（美国波音公司支持）；n7）类型7WorldFIP（法国Alstom公司支持）；n8）类型8 Interbus（德国Phoenix Conact公司支持） 7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.3 现场总线的发展现状现场总线的发展现状 n多种总线共存 n总线应用领域不断拓展 n不断成立总线国际组织 n每种总线都以企业为支撑 n一个设备制造商参加多个总线组织 n各种总线相继成为自己国家或地区标准 n在竞争中协调共存 n以太网成为新热点 7.4 现场总线技术现场总线技术 7.
52、4.4 现场总线的发展趋势现场总线的发展趋势 n网络结构趋向简单化 n大量采用成熟、开放和通用的技术 新型的现场总线控制系统与传统的控制系统（如DCS、PLC）之间并不是完全取而代之的关系，而是继承、融合、提高的关系。 7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.5 现场总线的特点与优点现场总线的特点与优点 nFCSFCS与与与与DCSDCS的比较的比较的比较的比较 7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.5 现场总线的特点与优点现场总线的特点与优点nFCSFCS与与与与DCSDCS的比较的比较的比较的比较7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.5 现场总线的特点与优点现场总线的特点与优点n
53、现场总线的特点现场总线的特点现场总线的特点现场总线的特点 n系统的开放性系统的开放性n互操作性与互用性互操作性与互用性n现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性n系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性n对现场环境的适应性对现场环境的适应性7.4 现场总线技术现场总线技术 7.4.5 现场总线的特点与优点现场总线的特点与优点n现场总线的优点现场总线的优点现场总线的优点现场总线的优点n节省硬件数量与投资n节省安装费用n节省维护开销n用户具有高度的系统集成主动权n提高了系统的准确性与可靠性n此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。7.5 PLC网络应用实例网络应用实例 三菱三菱PLC及网络在汽车总装线上的应用及网络在汽车总装线上的应用
