通信与网络课件

1,第6章 通信及网络,天津职业技术师范大学 2013年3月25日,第6章 通信及网络,6.1 通信及网络概述 6.2 通信实现 6.3 网络通信 6.4 自由口通信,6.1 通信及网络概述,6.1.1 通信方式 6.1.2 网络概述 6.1.3 S7-200通信及网络,返回本章首页,6.1.1 通信方式,1. 基本通信方式 2. 异步串行通信 3. 通信接口,1. 基本通信方式,（1）并行通信 （2）串行通信 （3）串行通信分类,（1）并行通信 并行通信方式一般发生在可编程序控制器的内部各元件之间、主机与扩展模块或近距离智能模板的处理器之间。 并行传送时，一个数据的所有位同时传送，因此，每个数据位都需要一条单独的传输线，信息有多少二进制位组成就需要多少条传输线，如下图8.1所示。,（3）串行通信分类 按时钟 串行通信按时钟可分为同步传送和异步传送两种方式。 同步传送：同步传送是以数据块(一组数据)为单位进行数据传送。在数据开始处用同步字符来指示，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，就按顺序连续传送数据。由于不需要起始位和停止位，克服了异步传送效率低的缺点，但是所需要的软件及硬件价格是异步传送的8一12倍。,异步传送：允许传输线上的各个部件有各自的时钟，在各部件之间进行通信时没有统一的时间标准，相邻两个字符传送数据之间的停顿时间长短是不一样的，它是靠发送信息时同时发出字符的开始和结束标志信号来实现的，如图8.4所示。 按方向 串行通信按信息在设备间的传送方向又为分单工、半双工和全双工三种方式。分别如图8.3中的（a）、（b）和（c）所示。,图8.3 单工、半双工和双工,图8.4 异步串行传送数据格式,2. 异步串行通信,异步传送是以字符为单位发送数据，将被传送的字符数据编码成一串脉冲，每个字符都用起始位和停止位作为字符的开始标志和结束标志。传送字符的数据格式如图8.4所示。,每个字符的起始位为0，然后是数据位(有效数据位可以是58位)，随后是奇偶校验位(根据需要选择)，最后是停止位(可以是1位或多位)，停止位为1。在图8.4中，有效数据位为7位，停止位为1位。在停止位后可以加空闲位，空闲位为1，位数不限，空闲位的作用是等待下个字符的传送。有了空闲位，发送和接收可以连续或间断地进行，而不受时间限制。,异步串行传送的优点是硬件结构简单，缺点是传送效率低，因为每个字符都要加上冗余的起始位和停止位，主要用于中、低速的通信(小于2000bPs)。 进行异步串行传送数据时，要保证发送设备和接收设备有相同的数据传送格式及相同的传送速率。,数据传送时经常用到波特率的指标，如果每秒传送120个字符，每个字符为10位，则传送的波特率为：120字符/秒10位/字符=1200bps。 然而，波特率与有效数据的传送速率并不一致，如每个字符为10位，而真正有效的数据为7位，则有效数据的传送速率为： 120字符/秒7位/字符840bps。,3. 通信接口,（1）RS232接口 （2）RS485接口 （3）RS422接口,返回本节,（1）RS-232接口,RS-232串行通信接口标准是1969年由美国电子工业协会EIA（Electronic Industies Association）公布的串行接口标准，RS是推荐标准，232是标志号。它既是一种协议标准，也是一种电气标准，它规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。至今仍在计算机和PLC中广泛使用。 RS-232接口采用负逻辑，用-5-15V表示“1”，用+5+15V表示“0”。采用按位串行的方式单瑞发送、单端接收，传送距离近（最大传送距离为15m），数据传送速率低（最高传送速率为20Kbps)，抗干扰能力差。,（2）RS-422接口,美国EIA于1977年制定了串行通信标准RS-499，对RS-422的电气特性进行了改进，RS-422是RS-499的子集。 RS-422接口采用两对平衡差分信号线，以全双工方式传送数据，通信速率可达10Mbps，最大传送距离为1200m。抗干扰能力较强，适合远距离传送数据。,（3）RS-485接口,RS-485接口是RS-422的变形，与RS-422相比，只有一对平衡差分信号线，以半双工方式传送数据，在远距离高速通信中，以最少的信号线完成通信任务，因此在PLC的控制网络中广泛应用。 使用RS-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统，系统中最多可以有32个站，新的接口器件已允许连接128个站。,6.1.2 网络概述,网络结构概述 （1）简单网络 （2）多级网络 2. 通信协议 （1）通用协议 （2）公司专用协议,1. 网络结构概述,（1）简单网络 多台设备通过传输线相连，可以实现多设备间的通信，就形成网络结构。下图就是一种最简单的网络结构，它由单主设备和多个从设备构成。,（2）多级网络 现代大型工业企业中，一般采用多级网络的形式，可编程序控制器制造商经常用生产金字塔结构来描述其产品可实现的功能。这种金字塔结构的特点是：上层负责生产管理，底层负责现场检测与控制，中间层负责生产过程的监控与优化。 国际标准化组织（ISO）对企业自动化系统确立了初步的模型，如图8.6所示。,图8.6 ISO企业自动化系统模型,2. 通信协议,（1）通用协议 国际标准化组织ISO（International Standard Organization）于1978年提出了开放系统互联OSI（Open Systems Interconnection）的模型，它所用的通信协议一般为7层，如下图8.7所示。,图8.7 通用协议模型,（2）公司专用协议 低层子网和中层子网一般采用公司专用协议，尤其是最底层子网，由于传送的是过程数据及控制命令，这种信息较短，但实时性要求高。公司专用协议的层次一般只有物理层、链路层及应用层，而省略了通用协议所必须的其他层，信息传送速率快。,返回本节,6.1.3 S7-200通信及网络,1. 字符数据格式 2. 网络层次结构 3. 通信类型及协议 4. 通信设备,1. 字符数据格式,（1）10位字符数据 传送数据由1个起始位、8个数据位、无校验位、1个停止位组成。传送速率一般为9600波特。 （2）11位字符数据 传送数据由1个起始位、8个数据位、1个偶校验位、1个停止位组成。传送速率一般为9600波特或19200波特。,2. 网络层次结构,西门子公司的生产金字塔由4级组成，由下到上依次是：过程测量与控制级、过程监控级、工厂与过程管理级、公司管理级。S7系列的网络结构如下图8.8所示。,图8.8 西门子生产金字塔及网络,PROFIBUS,MPI,S7-300,S7-200,LOGO!,Actuators,Sensors,（1）工业以太网,SIMATIC NET的顶层为工业以太网（见下图），它是基于国际标准IEEE802.3的开放式网络。以太网可以实现管理-控制网络的一体化，可以集成到互联网，为全球联网提供了条件。以太网在局域网（LAN）领域中的市场占有率高达80%，通过广域网（例如ISDN或Inter-net），可以实现全球性的远程通信。网络规模可达1024站，距离可达1.5km（电气网络）或200km（光纤网络）。符合IEEE802.3u标准的100Mbit/s的高速以太网发送信息显著加快，占用总线的时间极短。,将S7-200接入工业以太网，计算机应安装以太网网卡，S7-200配备以太网模块CP243-1或互联网模块CP243-1 IT。安装了STEP 7-Micro/WIN之后，计算机将会有一个标准的浏览器，可以用它来访问CP243-1 IT模块的主页。使用时，应在软件中配置TCP/IP协议。,工业以太网将控制网络集成到信息技术（IT）中，可以与使用TCP/IP协议的计算机传输数据，使用E-mail和Web技术，允许用户在工业以太网的Socket接口上编制自己的协议，可以在网络中的任何一点进行设备启动和故障检查，使用冗余网络可以构成冗余系统。西门子提供以太网通信模块或通信处理器，远程访问路由器用于在广域网连接的两个以太网之间实现远程通信。,（2）现场总线PROFIBUS,安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。 西门子通信网络的中间层为工业现场总线PROFlBUS，它是用于车间级和现场级的国际标准，传输速率最大为12Mbit/s响应时间的典型值为1ms，使用屏蔽双绞线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可接127个从站。,PROFlBUS包括三部分： PROFlBUS-DP（Decentralized Periphery）分布式外部设备； PROFlBUS-PA（Process Automation）过程自动化； PROFlBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）现场总线报文规范。,S7-200的通讯能力(PROFIBUS-DP) PROFlBUS-DP扩展从站模块EM277,（3）现场总线AS-i,西门子通信网络的底层包括AS-i（执行器-传感器接口，Actuator Sensor Interface的简称）。AS-i是传感器和执行器通信的国际标准，响应时间小于5ms，使用未屏蔽的双绞线，由总线提供电源，最长通信距离为300m，最多62个从站。,AS-i用两芯电缆连接现场的传感器和执行器，当前世界上主要的传感器和执行器生产厂家都支持AS-i接口，AS-i是单主站系统，西门子的SIMATIC系统提供通信处理器作为主站，控制过程或现场通信。采用DP/AS-i链接模块可以将AS-i作为Profibus-DP的子网。,CP243-2 S7-200 AS-i主站模块,中 继 器,供 电 单 元,AS-I 主 站 模 块 CP243-2,AS-i从 站 模 块,AS-I 双 绞 线,传 感 器/ 执 行 器,CP243-2 AS-i接 口 模 块,CP243-2 特 性 : 执行器,传感器-通讯接口 最大31 AS-i 从站4输入/4输出 双绞线传送电源和数据 扩展简单,灵活布线100 米无中继器 最大循环周期 5 ms IP65防护等级 模拟量传输 每模块可扩展124DI/124DO 输出/输入点,CP243-2,AS-i位于自动控制系统的最底层，特别适合于连接需传送开关量的传感器和执行器。AS-i属于主从式网络，每个网段只能有一个主站。AS-i所有分支电路的最大总长度为100m，可以用中继器延长。,CP243-2是SIMATIC S7-200的AS-i主站通信处理器，最多可以连接31个AS-i从站。,3. 通信类型及协议,（1）通用协议 （2）公司专用协议 PPI协议 MPI协议 Profibus协议 自由口协议 （3）通信类型,PPI协议定义了主站和从站，网络中主站向从站发出请求，从站只能对主站发出的请求作出响应，自己不能发出请求。主站也可以对网络中其它主站的请求作出相应。,协议支持一个网络中127个地址(0126),最多可以有32个主站，网络中各设备的地址不能重叠。运行STEP 7-Micro/WIN的计算机默认地址为0，操作员面板的默认地址为1，PLC的默认地址为2。,PPI 协议 PPI 是主从协议 S722X既可作主站又可作从站 通讯速率为9.6K，19.2K和187.5K 波特率 MPI 协议 用于S7300和S7400与S7200之间的通讯 通讯速率为19.2和187.5K波特率 自由口通讯 通讯速率从 1.2kbps to 9.6k, 19.2k 或 115.2 Kbps 用户可使用自定义的通讯协议与所用的智能设备通讯 Profibus DP协议 AS-I 接口协议,PPI,可编程序控制器常见的有以下类型： 把计算机或编程器作为主站、把操作员界面作为主站和把PLC作为主站等类型，这几种类型又各有两种连接：单主站和多主站。,图6.9 单主站结构网络,图6.10 多主站结构网络,仅仅使用S7-200设备的网络配置,一、单主站PPI网络,对于简单的单主站网络来说，编程站可以通过PPI多主站电缆或编程站上的通讯处理器(CP)卡与S7-200CPU进行通讯。 在图上面的网络实例中，编程站(STEP 7-Micro/WIN)是网络的主站。在下面的网络实例中，人机界面(HMI)设备(例如:TD200、TP或者OP)是网络的主站。 在两个网络中，S7-200CPU都是从站响应来自主站的要求。 对于单主站PPI网络，需要配置STEP7-Micro/WIN使用PPI协议。如果可能的话，请不要选择多主站网络，也不要选中PPI高级选框。,实 际 应 用 的 PPI 网 络,S7-115U/H, S5-135U S5-155U/H, SIMATIC 505 S5-95U,S7-400 M7-400,S7-300 M7-300,MPI,OP,PG/PC,19.2 或 187.5 Kb,S7-200的通讯能力(MPI),4. 通信设备,（1）通信口 S7-200 CPU主机上的通信口是符合欧洲标准EN 50170中Profibus标准的RS-485兼容9针D型接口。接口引脚如图8.11所示，端口0或端口1的引脚与Profibus的名称对应关系如表8.1所示。,图8.11 RS-485引脚,（2）网络连接器 网络连接器可以用来把多个设备很容易地连接到网络中。网络连接器有两种类型：一种是仅提供连接到主机的接口，另一种增加了一个编程接口。带有编程口的连接器可以把编程器或操作员面板直接增加到网络中，编程口传递主机信号的同时，为这些设备提供电源，而不用另加电源。,（3）通信电缆 网络电缆 PC/PPI电缆,表 各开关与参数关系对应表,（4）网络中继器 网络中继器在Profibus可以用来延长网络的距离、允许给网络加入设备、隔离不同网络段，每个中继器为网络段提供偏置和终端匹配。 每个网络中最多可以有9个中继器，每个中继器最多可再增加32个设备。,每个网段32个网络节点 每个网段长50 米(不用中继器) 可通过中继器扩展网络 最多9 个中继器 网络可包含127节点 网络可包含32个主站 网络总长9600 米,PPI 网 络 扩 展 连 接,一个网段 一个网段 一个网段,50米 最多1000米 50米,中继器,中继器,PPI 网 络 扩 展 连 接,（5）调制解调器 用调制解调器可以实现计算机或编程器与PLC主机之间的远距离通信。以11位调制解调器为例，通信连接如下图8.12所示。,返回本节,6.2 通信实现,6.2.1 确立通信方案 6.2.2 参数组态,返回本章首页,6.2.1 确立通信方案,包括根据实际通信需要选择单主站或多主站，同时确定各站的编号；选择实现通信的硬件，如选择用PC/PPI电缆，还是用CP卡、MPI卡、EM 277通信模块或调制解调器等。 这几种通信硬件的性能如表6.3所示。,返回本节,6.2.2 参数组态,1. 通信设置 2. 安装或删除通信接口 3. 参数设置,通信设置,图8.13 通信设置状态,图8.14 通信设置,2. 安装或删除通信接口,（1）安装接口 （2）删除接口,图6.15 安装/删除,3. 参数设置,在图7.14所示的对话框，单击Properties按钮，将弹出参数设置对话框，如图8.16所示。其中有两个选项卡：PPI选项卡和Local Connection选项卡。,图6.16 参数设置（PPI选项卡）,返回本节,6.3 网络通信,6.3.1 控制寄存器和传送数据表 6.3.2 网络指令 6.3.3 应用实例,返回本章首页,6.3.1 控制寄存器和传送数据表,1. 控制寄存器 将特殊标志寄存器中的SMB30和SMB130的低2位置为2#10，其他位为0，即SMB30和SMB130的值为16#2，则可以控制将S7-200 CPU设置为PPI主站模式。,表6.4 传送数据表格式,2. 传送数据表 （1）数据表格式 执行网络读写指令时，PPI主站与从站之间的数据以数据表的格式传送。传送数据表的程式描述如表6.4所示。,（2）状态字节 传送数据表中的第一个字节为状态字节，各位及其的含义如下：,E1、E2、E3、E4错误编码。如果执行指令后E位为1，则由这4位返回一个错误码。这4位组成的错误编码及含义如表6.5所示。,D 完成（操作已完成）：0=未完成 1=完成 A 有效（操作已被排队）： 0=无效 1=有效 E 错误（操作错误）： 0=无错误 1=有错误,表6.5 错误编码,返回本节,6.3.2 网络指令,网络指令有两条：NETR和NETW。 1. NETR指令 NETR，网络读指令。使能输入有效时，指令初始化通信操作，通过通信端口PORT从远程设备上接收数据并形成数据表TBL。 NETR指令最多可从远程站点上读16个字节的信息。 指令格式： NETR TBL, PORT 例： NETR VB200, 0,2. NETW 指令 NETW网络读指令。使能输入有效时，指令初始化通信操作，通过端口PORT将数据表TBL中的数据发送到从远程设备。 NETW指令最多可向远程站点上写16个字节的信息。 指令格式：NETW TBL, PORT 使能流输出ENO为0的出错条件为：SM4.3（运行编程错误），0006（运行程序间接寻址错误）。,返回本节,6.3.3 应用实例,有一简单网络，结构如下图所示。其中TD200为主站，在RUN模式下，CPU 224在用户程序中允许PPI主站模式，可以利用NETR和NETW指令来不断读写两个CPU 221模块中的数据。,操作要求： 站4要读写两个远程站（站2和站3）的状态字节和计数值（分别放在VB100和VW101中）。如果某个远程站中的计数值达到200，站4将发生一定动作，并将该远程站的计数值清0，重新计数。 CPU 224通信端口号为0，从