可编程控制器的通信及网络.ppt

第8章 可编程控制器的通信及网络,81 通信网络的基础知识 82 可编程控制器的网络,第8章 可编程控制器的通信及网络,三菱公司的PLC网络系统，根据其连接方式和结构可分为：上位连接系统；下位连接系统；同位连接系统；复合型网络连接系统。 本章先介绍通信网络基础知识、可编程控制器的网络、最后介绍三菱公司PLC网络系统。 81 通信网络的基础知识 811数据通信基础 数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。 数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其它数字设备连接起来，高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理三项任务。 数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议及通信软件等组成。 1数据传送方式 (1) 并行通信与串行通信 两种基本方式： 并行通信所传送数据的各位同时发送或接收； 串行通信所传送数据按顺序一位一位地发送或接收。 并行通信传送速度快，但一个并行数据有多少位二进制数，就需要多少,第8章 可编程控制器的通信及网络,根传送线，通信线路复杂，成本高,常用于近距离的通信。 串行通信仅需一根到两根传送线，长距离传送时，通信线路简单、成本低，但传送速度慢，常用于长距离传送而速度要求不高的场合。 (2)同步和异步传送 串行通信中采用两种同步技术异步传送和同步传送。 异步传送 也称起止式传送，利用起止法来达到收发同步的。 异步传送时，被传送的数据编码成一串脉冲。字节的传送由起始位“0”开始；然后是被编码的字节，通常规定低位在前，高位在后；接下来是校验位(可省略)；最后是停止位“1”(可以是l位、1.5位、或2位)表示字节的结束。格式如图8-l所示。 图8-l 串行通信异步传送 异步传送方式硬件结构简单，但每一个字节都要加起始位、停止位，传,第8章 可编程控制器的通信及网络,传送效率低，主要用于中、低速的通信。 同步传送 在数据开始处用同步字符(通常为l-2个)来指示。由定时信号(时钟)实现发送端同步，一旦检测到与规定的同步字符相符合，接下去就连续按顺序传送数据。 数据以一组数据(数据块)为单位传送，数据块中每字节不需要起始位和停止位.通常用于数据传送速率超过2000bps的系统。 （3）基带传送和频带传送 基带传送 基带指电信号的基本频带。计算机或数字设备产生的“0”和“1”的电信号脉冲序列是基带信号。 基带传送指数据传送系统对信号不做任何调制，直接传送的数据传送方式。 频带传送 将信号调制到某一频带上的传送方式。当进行频带传送时，用调制器把二进制信号调制成音频信号(模拟信号)，在通信线路上进行传送。信号传送到接收端后，再经过解调器的解调，把音频信号还原成二进制的电信号。 基带传送方式整个频带范围都用来传送某一数字信号，即单信道。常用,第8章 可编程控制器的通信及网络,于半双工通信。 频带传送时，在一条传送线上可用频带分割的方法将频带划分为几个信道，同时传送多路信号。 2数据传送方向 在通信线路上按照数据传送的方向可以划分为单工、半双工和全双工通信方式。 (1)单工通信方式 指信息的传送始终保持同一个方向，而不能进行反向传送，如图8-2(a)示。其中A端只能作为发送端，B端只能作为接收端。 (2)半双工通信方式 指信息流可以在两个方向上传送，但同一时刻只限于一个方向传送，如图8-2(b)示，其中A端和B端都具有发送和接收的功能. 图8-2 通信方向 (3)全双工通信方式 全双工通信能在两个方向上同时发送和接收，如图8-2(c)所示。A端和B,第8章 可编程控制器的通信及网络,端双方都可以一面发送数据，一面接收数据。 3传送介质 常用传送介质有：同轴电缆、双绞线、光缆。其中双绞线(带屏蔽)：成本低、安装简单；光缆：尺寸小、重量轻、传输距离远，但成本高，安装维修需专用仪器。具体性能见表8-1(P287)。 4串行通信接口标准 (1)RS-232C串行接口标准 RS-232C是1969年由美国电子工业协会EIA(E1ectronic Industries Association)公布的串行通信接口标准。“RS”是英文“推荐标准”一词的缩写，“232”是标识号，“C”表示此标准修改的次数。它即是一种协议标准，又是一种电气标准，规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。PLC与上位计算机间的通信通过RS-232C标准接口来实现。 接口的机械特性 RS-232C的标准接插件是25针的D型连接器。其机械尺寸和外形如图8-3所示。 接口的电气特性 RS-232C采用负逻辑。规定逻辑“1”电平在-5V-15V范围内，逻辑“0”在+5V+15V范围内。这样在线路上传送的电平可高达12V.,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-3 25针D型连接器 RS-232C标准中还规定：最大传送距离为15m(实际上可达约30m)，最高传送速率为20Kbps(Kbit/s)。 接口的信号功能 RS-232C定义了25针连接器中的20条连接线。其中在PLC与上位计算机连接器中用到的信号线见表8-2(P288)。 RS-232C的不足之处 传送速率和距离有限； 没有规定连接器，因而产生25针不同的设计方案，这些方案有时不兼容； 每根信号线只有一根导线，两个传送方向，仅有一根信号地线，存在潜在的地线回流问题； 接口应用不平衡的发送器和接收器，可能在信号成分间产生干扰。,第8章 可编程控制器的通信及网络,(3)RS-422A、RS-423A与RS-449、RS-485 RS-449标准 EIA于1977年制定了新标准RS-449，其特点是： 支持较高的数据传送速率； 支持较远的传送距离； 制定连接器的技术规范； 提供平衡电路改进接口电气特性。 EIA的RS-449标准定义了RS-232C中所没有的10种电路功能，规定用37脚的连接器. EIA推荐的串行通信的主要性能参数见表8-3(P289)。 RS-422A和RS-485及其应用 目前在PLC局域网络中广泛应用的RS-485串行接口总线实际上是RS-422A的变形，它与RS-422A不同点在于RS-422A为全双工，RS-485为半双工，RS-422A采用两对平衡差分信号线，而RS-485只需其中一对。 RS-422A485互联方案见图8-4示，这个电路可以构成RS-422A串行接口(按图中虚线连接)，也可以构成RS-485接口(按图中实线连接).,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-4 RS-422A485互联方案 RS-485串行接口用于多站互连的原理如图8-5所示。 图8-5多站互连的RS-485(最多32对驱动器接收器) RS-422A与RS-485的比较见表8-4(P290)。 (4)RS-232C422A转换电路,第8章 可编程控制器的通信及网络,两台或多台带有RS-232C接口的设备远距离(如数百米)连接进行通信或组成分散式系统，不能直接用RS-232C串行接口连接，但可采用RS-232C422A转换电路进行连接，如图8-6示。 图8-6 RS-232C422A转换装置电原理图 8.1.2 工业局域网基础 将地理位置不同而又具有各自独立功能的多台计算机，通过通信设备和通信线路相互连接起来构成计算机系统称为计算机网络。网络中每台计算机或交换信息的设备称为网络的站或结点。 网络按站间距离分为： 全域网:GAN(Global Area Network),通过卫星通信连接各大洲不同国家。,第8章 可编程控制器的通信及网络,广域网(又称远程网)：它站点分布范围很广,从几公里到几千公里。 局域网：地理范围有限，通常在几十米到几千米。数据通信传送速率高，误码率低；网络拓扑结构比较规则. 1局域网四大要素 网络的拓扑结构、介质访问控制、通道利用方式、传送介质，是局域网的四大要素。 (1)网络拓扑结构 指网络中的通信线路和结点间的几何布置，用以表示网络的整体结构外貌，它反映了各个模块间的结构关系. 星形网络 以中央结点为中心与各结点连接组成，网络中任何两个结点进行通信都必须经过中央结点控制，其网络结构如图8-7(a)示。 环形网络 网中各结点通过环路通信接口或适配器连在一条首尾相连的闭合环形通信线路上。环路上任何结点均可以请示发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环形网中的数据主要是单向传送，也可以是双向传送。环形网络结构如图8-7(b)所示。,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-7 网络拓扑结构图 总线形网络 利用总线把所有结点连接起来，这些结点共享总线，对总线有同等访问权。总线形网络结构如图8-7(c)示。 (2)介质访问控制 指对网络通道占有权的管理和控制。 局域网络上的信息交换方式有两种：一种是线路交换，即发送结点与接收结点之间有固定的物理通道，且该通道一直保持到通话结束，如电话系统。第二种是“报文交换”或“包交换”。这种交换方式是把编址数据组，从一个转换结点传到另一个转换结点，直到目的站。 介质访问控制主要有两种方法： 令牌传送方式 对介质访问的控制权以令牌为标志。令牌是一组二进制码，网络上的结点按某种规则排序，令牌被依次从一个结点传到下一个结点，只有得到,第8章 可编程控制器的通信及网络,令牌的结点才有权控制和使用网络。 争用方式 允许网络中各结点自由发送信息。当两个以上结点同时发送时会出现线路冲突，需要做些规定，加以约束。目前常用的是CSMACD规约(以太网规约)，即带冲突检测的载波监听多路存取协议。 2网络模型 开放系统互连参考模型OSI/RM(Open System Interconnection/Reference Model),1979年国际标准化组织(ISO)提出.该模型规定了七个功能层,每层都使用自己的协议,结构如图8-8示。 (1)OSI层次结构 物理层(Physical) 物理层在信道上传送未经处理的信息，该层协议涉及通信双方的机械、电气和连接规程。 数据链路层(Data Link) 任务是将可能有差错的物理链路，改造成对于网络层来说是无差错的传送线路。 网络层(Network) 也称为分组层，任务是使网络中传送分组。,第8章 可编程控制器的通信及网络, 传输层(Transport) 基本功能是从会话层接收数据，把它传到网络层，并保证这些数据正确地到达目的地。 会话层(Session) 控制一个通信会话进程的建立和结束。 表示层(Presentation) 实现不同信息格式和编码之间的转换。 应用层(Application) 应用层的内容，要根据对系统的不同要求而定. 图8-8 网络协议分层结构图 (2)IEEE 802参考模型 美国电气和电子工程协会(IEEE)1980年2月提出局域网络协议草案(称之为802协议)。目前工业局域网中用得最多的一种。 该协议将OSI模型最低两层分为三层，即物理信号层、介质访问控制层和逻辑链路控制层。它们的对应关系如图8-9示。 802协议中定义了三种介质访问技术，即802.3(CSMACD)、802.4(Token Bus)和802.5(Token Ring)。 IEEE802.3,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-9 802模型和OSI模型对应关系 又称“以太网”规约。这是一种适合于总线局域网的介质访问控制方法，如图8-10示。 图8-10 总线局域网 为使总线局域各站点的信息发送和接收不产生相互冲突，必须制定传送控制规程，即载波检测多路访问冲突检测CSMACD(Carrier Sense,第8章 可编程控制器的通信及网络,Multip1e Access/Co11ision Detect)。该规程下的工作流程如图8-11示. 图8-11 CSMACD工作流程 IEEE802.4 令牌总线规约。其内容包括令牌传送总线的介质访问控制方法和物理规范。基本特征是在一条物理总线上实现一个逻辑环。如图8-12示。 IEEE802.5 令牌环规约。其内容包括令牌环介质访问控制方法和物理层规范。拓扑结构为环形。如图8-13所示。,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-12 令牌总线相当于一个逻辑环 图8-13 环形局域网 三种网络性能的比较曲线见图8-14所示。 3工业局域网的选型考虑 (1)拓扑结构方面,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-14 三种网络的性能比较 直接控制级 主要完成自动调节和程序控制，其可靠性、实时性要求较高。 监控和优化级 按照一定的最优化指标，规定直接控制级的设定值，有时还要对系统模型进行辨识。 管理级 采用综合性管理，即生产控制工作站根据系统总目标，不断调整监控级的模型结构和控制策略。,第8章 可编程控制器的通信及网络,(2)介质访问控制及通信协议方面 令牌传递方式将日益占主导地位。 82 可编程控制器的网络 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. 821 PLC网络的拓扑结构及其各级子网通信协议配置的原则 1PP结构、NBS模型、ISO模型 （1）PP结构 图8-15（a）为A-B公司的PP结构，图8-15（b）为MODICON公司的PP结构，图8-15（c）为SIEMENS公司的PP结构。虽然它们的层数不同，各层功能有差别，但都表明PLC及其网络在工厂自动化系统中，由上到下在各层中均发挥作用。 共同特点：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。 （2）NBS模型 由美国国家标准局为工厂计算机控制系统提出，共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8-16所示。,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-15 各公司PP结构示意图 图8-16 NBS模型 （3）ISO模型 国际标准化组织（ISO）为企业自动化系统建立的模型，同NBS模型一样，它也是6级，低3级主要负责现场任务的生产控制与监控，高3级负责经营管理，如图8-17所示。,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-17 ISO模型 2PLC网络的拓扑结构 图8-18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。 3PLC网络各级子网通信协议配置的规律 （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。,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-18 三级复合拓扑结构的PLC网络 （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.,第8章 可编程控制器的通信及网络,后者配置在PLC网络的中、低层子网中，不同PLC网络的中低层不能互联。 （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板，并按该级子网配置的通信协议编制相应的通信程序。 822 PLC网络的通信方法 1通信方法 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。 PLC网络的各级子网络无论采用何种结构（总线结构、环形结构等），它的通信介质是共享资源。挂在共享介质上的各站要想通信，首先解决共享通信介质使用权的分配问题，这就是常说的存取控制或访问控制。 所谓通信方法,等于存取控制方式+数据传送方式。 2PLC网络的实时性与其约束条件 （1）实时性 通常用“响应时间”来定量描述的。响应时间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。 （2）约束条件 三个时间约束条件： 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,第8章 可编程控制器的通信及网络,占子网而导致其它各站点的实时性恶化。 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. 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。 （3）提高PLC网络实时性的途径 选用合适的存取控制方式。 尽量减少通信协议的层数。 选用适当的数据传送方式。 3两个主要概念 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。 （1）PLC控制网络 只传送ON/OFF开关量，且一次传送的数据量较少的网络。 （2）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。 4PLC网络中常用的通信方式,第8章 可编程控制器的通信及网络,（1）PLC控制网络的“周期I/O方式”通信 可编程序控制器的远程I/O链路就是一种PLC控制网络，采用“周期I/O方式”交换数据。远程I/O链路按主从方式工作，可编程序控制器带的远程I/O主单元在远程I/O链路中担任主站，其它远程I/O单元皆为从站。 （2）PLC控制网络的“全局I/O方式”通信 一种串行共享存储区通信方式，主要用于带有链接区的PLC之间的通信。 （3）主从总线1N通信方式（PLC通信网络） 又称为1N通信方式，是PLC通信网络上采用的一种通信方式. （4）令牌总线NN通信方式（PLC通信网络） 又称为NN通信方式。在总线结构上的PLC子网上有N个站，它们地位平等，没有主站与从站之分. （5）浮动主站NM通信方式（PLC通信网络） 又称为NM通信方式，它适用于总线结构的PLC通信网络。 （6）令牌环通信方式（PLC通信网络） 少量PLC网络采用环形拓扑结构，其存取控制采用令牌法，有较好的实时性.,第8章 可编程控制器的通信及网络,（7）CSMA/CD通信方式 一种随机通信方式，适用于总线结构的PLC网络，总线上各站地位平等. CSMA/CD存取控制方式是一种不能保证实时性的存取控制方式。 （8）多种通信方式的集成 多种通信方式集成配置在某一级子网上。 823 PC机与PLC网络的联网通信 1PC机在PLC网络中的作用 分为四个方面： （1）构成以PC机为上位机，数台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PC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PC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。 （4）把PC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8-19为通过PC机把局域网（NT网）与专用的PLC网互联的结构图.,第8章 可编程控制器的通信及网络,图8-19 PC机为网间连接器 2PC机与PLC网络联网通信分类 PC机与PLC网络联网通信通常分为专用通信与公用通信两类。 （1）专用通信 PC机上配上某个PLC制造公司的专用通信卡及专用通信软件，应用人员只要按要求对通信卡进行初始化，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。 （2）通用通信 利用PC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PC机与PLC网络互联，称之为通用通信。 3PC机与PLC网络联网通用通信的条件,第8章 可编程控制器的通信及网络,PC机与PLC及其网络联网通用通信的条件如下： （1）带有异步通信接口的PLC及采用异步方式通信的PLC网络才有可能与带异步通信适配器的PC机互联。要求双方采用的总线标准一致. （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。 4PC机与PLC联网的结构形式 一般采用如图8-20所示的两种结构形式。 （1）点对点结构 即PC机的COM口与PLC的PG（编程）口之间实现点对点链接。如图8-20(a)所示。 图8-20 PC机与PLC联网的一般结构图,第8章 可编程控制器的通信及网络,（2）多点结构 又称为主从式总线结构,如图8-20(b)所示。即多台PLC共同连在一条串行总线上与PC机相连。 825可编程序控制器的典型网络 现场应用的可编程序控制器网络很多，下面介绍下位连接系统、同位连接系统、上位连接系统、复合型PLC网络等几种典型的可编程序控制器网络。 1下位连接系统 可编程序控制器主机通过串行通信连接远程I/O单元，实现远距离的分散检测与控制的系统。 系统的连接形式一般为树形结构，如图8-21所示。 图8-21 下位连接系统示意图,第8章 可编程控制器的通信及网络,2同位连接系统 可编程序控制器通过串行通信接口相互接起来的系统。同位连接系统常采用总线形结构，如图8-22所示。 图8-22 同位连接系统示意图 同位连接系统的数据传送如图8-23所示。 图8-23 同位连接系统的数据传送 3上位连接系统 一种自动化综合管理系统。上位计算机通过串行通信接口与可编程序控制器的串行通信接口相连，对可编程序控制器进行集中监视和管理，从而构成集中管理、分散控制的分布式多级控制系统。,第8章 可编程控制器的通信及网络,上位连接系统示意图如图8-24所示。 图8-24 上位连接系统示意图 上位计算机与可编程序控制器的通信一般采用RS-232C或RS-422A（或RS-485）接口。当用RS-232C通信接口时，一个上位计算机只能连接一台可编程序控制器；若连接多台可编程序控制器，则需要加接RS-232C/RS-422A或RS-485转换装置。 4复合型PLC网络 在工厂自动化系统中，常把下位连接系统、同位连接系统、上位连接系统混合在一起使用，构成复合型PLC网络，以实现工厂自动化系统要求的多级功能。 826 三菱公司的PLC