可编程序控制器通信及应用

第9章可编程序控制器通信及应用9.1概述随着工业自动化技术的广泛应用，人们对自动化控制的要求越来越高，已经不再局限在单机小规模应用，大型的集散控制系统已经成为一种流行趋势，PLC系统的扩展和联网技术越发显示出重要的地位。在水处理行业、能源行业、大型加工企业、交通等行业以其极高的稳定性得到了广泛的认可。欧姆龙系列PLC常用的通信方式有四种，有以太网通信方式、Controllerlink通信方式、DeviceNet和CompoBus/S方式及串行口通信方式。图9-1所示为一个比较完整的欧姆龙系列PLC组网方案。可将图9-1所示的网络从高到低划分为三个层次：信息层、控制层和设备层。信息层包括工业以太网（Ethernet）和SYSNET，主要负责远程大量信息的集中采集和实时监控，对现场的PLC、检测元器件和执行机构实行中央集中控制，最新的工业以太网技术（CIP技术）在商用以太网的基础上增加了工业级的实时性，已成为最通用最高速的一种信息网络。控制层包括HostLink、PCLink和ControllerLink，控制层网络的特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。最底层网络为设备层，它们有CompoBus/D（DeviceNet）、CompoBus/S、ProfiBus-DP、Modbus等，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表或智能设备之间的通讯，设备层网络应是与现场设备连接方便，并能起到省配线的作用，成本低廉。第三层网络又称之为现场总线。Ethernet、ControllerLink和DeviceNet代表了欧姆龙以上三个层次网络产品的最新技术。9．1．1信息层1．工业以太网工业以太网支持TCP/IP，UDP/IP标准协议，可与其他以太网设备，工作站、个人电脑及其他生产商提供的以太网产品通信。支持FINS通信，可使用FINSGATEWAY功能使以太网与工业控制网络通信，协议为开放型。有Socket服务功能，使用UDP或TCP协议传送数据。自带FTP服务功能，从而使工作站或个人电脑能通过FTP客户功能对PLC进行数据读写，而无需PLC上编程。带有E-mail功能，能向mailserver发送用户自定义信息，故障信息，状态信息等，带RAS功能，支持远程数据访问。带有自诊断功能，节点旁路功能，传输路径具有断线冗余功能。远程站点可执行PING指令，可检测网络连接状态。具有历史故障履历。传输率为10/100Mbps，传输协议采用TCP/IP、UDP/IP、FINS、FTP、SMTP等，传送距离可达30Km。2．工业以太网特性(1)环境适应性包括机械环境适应性(如耐振动、耐冲击)、气候环境适应性(工作温度要求为-40～+85℃，至少为-20～+70℃，并要耐腐蚀、防尘、防水)、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081-2、EN50082-2标准。(2)可靠性工业以太网产品要适应工业控制现场的恶劣环境。(3)安全性在易爆或可燃的场合，工业以太网产品还需要具有防爆要求，包括隔爆、本质安全两种方式。(4)安装方便，适应工业环境的安装要求。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定地工作的问题，一些公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品，安装在标淮DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。另外一些公司还专门开发和产生了用于工业控制现场的加固型连接件(如加固的RJ45接头、具有加固RJ45接头的工业以太网交换机、加固型光纤转换器/中继器等)，可以用于工业以太网变送器、执行机构等。图9-1欧姆龙产品组网通信图9．1．2控制层1．HostLink(SYSMACLink)HostLink协议常用于计算机和欧姆龙PLC之间的通信，也叫SYSMACWay。HostLink采用主从总线通信方式，计算机为主站，PLC为从站。PLC与计算机之间通信功能可以是一对多或多对一通信，但PLC之间是不能通信的。通过上位机软件控制平台，可以与PLC进行数据交换，既可以监视各个PLC的运行状态，也可以发布相应的控制和操作命令给各个PLC。2．ControllerLinkControllerLink是一个可以灵活而且简易的发送和接收大数据包的工业自动化网络，可以适用在欧姆龙C200HX/HG/HE系列PLC，CS系列PLC，CJ系列PLC，CVM1系列PLC，CV系列PLC，CQM1H系列PLC，和IBMPC/AT及其兼容计算机。它是应用在PLC层上的控制网络，可以用双绞线或光缆连接。当与计算机连接时要有ControllerLink支持板，与计算机构成FinsGateway网关，PLC以FINS指令与其他的系统进行信息交换。9．1．3设备层1．CompoBus/D（DeviceNet）DeviceNet又叫器件网络，采用现场总线技术，具有标准化开放构，可以方便的与符合现场总线标准的产品构成同一个网络，主要用于连接在现场执行控制任务的PLC、I/O终端、I/O链接单元、显示终端及智能设备等现场器件。可以是欧姆龙的PLC产品，也可以是符合标准的非欧姆龙的PLC产品。2．CompoBus/S传统方式中，PLC与端子转换单元之间要有比较复杂的连线，传感器之间的连接也比较复杂，应用CompoBus/S高速控制总线，则使这一切变得简易快速，专用的电缆无需端子转换单元，T分支连接器允许简单的插接式系统扩展，当扩展到32个从站256个I/O点时循环时间不超过1ms，传感器放大器采用搭锁连接，更换更为方便。3．通用串行口与带有条形码阅读器等的RS-232C端口或RS-422A/485端口的通用设备间，在没有指令发送——应答接收的步骤下，单方地按照CPU单元的程序内的TXD指令从发送端口发送数据，或按照RXD指令读取接收端口内的数据。另外，可在数据的发送或接收帧中指定首标、结束代码。9.2工业以太网通信在工业自动控制中的以太网应用与商业应用中的以太网有所区别，主要是在层次结构上的区别和特性上的差别。以太网通常有六个层面，低三层为物理层、数据链路层和网络层，这三层是工业以太网和商业以太网差别不大。它的作用是与物理媒体（构成网络的硬件设备）一起实现各智能设备之间的可靠数据通信，包括不同媒体物理信号之间的转换、链路控制、网络寻址、路由选择及错误检测。高三层是会话层、表示层和应用层，这三层是工业以太网和商业以太网之间有很大的差别，商业以太网多用于办公系统，注重的数据安全和海量数据管理，其应用层软件多为商用软件。在工业以太网中注重的是数据的抗干扰性和实时性，其应用层软件多为工业控制软件，如组态软件、LabVIEW或VB、VC开发的专用控制平台。9.2.1局域网局域网是工业以太网最常用的一种，通常是一个大型的工业控制系统需要集散控制而不用多地区控制时使用，如发电厂、污水处理厂。局域网投资规模较小，具有网络结构简单、扩充简易、数据传输速率高、误码率低等优点。局域网的特性主要决定于传输媒体、拓扑结构和媒体访问控制方法三个方面。1．传输媒体传输媒体可以是粗同轴电缆、细同轴电缆、宽带同轴电缆、双绞线和光缆。在不同的标准中对其传输速率和编码形式有相应的规定。具体可以参照IEEE802.1、IEEE802.2、IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5和IEEE802.6这六个国际标准。2．拓扑结构网络拓扑结构是指用传输媒体互联各种设备的物理布局。将参与LAN工作的各种设备用媒体互联在一起有多种方法，实际上只有几种方式能适合LAN的工作。目前大多数网络使用的拓扑结构有3种：星行拓扑结构、环行拓扑结构、总线型拓扑结。（1）星型拓扑结构星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于这种结构，如下图所示。其中，图9-2为目前使用最普遍的以太网(Ethernet)星型结构，处于中心位置的网络设备称为集线器，英文名为Hub。这种结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的一点是，中心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树，如图9-3所示。每个Hub与端用户的连接仍为星型，Hub的级连而形成树。然而，应当指出，Hub级连的个数是有限制的，并随厂商的不同而有变化。还应指出，以Hub构成的网络结构，虽然呈星型布局，但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式。图9-2以Hub为中心的星型结构拓扑图图9-3星行树结构（2）环型网络拓扑结构环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有端用户连成环型，如图9-4所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。图9-4环型网络拓扑结构（3）总线拓扑结构总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式，也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如图9-5所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时，这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中，对线路的访问依靠控制端的探询来确定。然而，在LAN环境下，由于所有数据站都是平等的，不能采取上述机制。对此，研究了一种在总线共享型网络使用的媒体访问方法：带有碰撞检测的载波侦听多路访问，英文缩写成CSMA/CD。这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其它站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点，但由于布线要求简单，扩充容易，端用户失效、增删不影响全网工作，所以是网络技术中使用最普遍的一种。在我们实现工业以太网控制系统时优选这种结构。图9-5总线拓扑结构3．媒体控制方法媒体控制方法是将传输媒体的频带有效地分配给网上各个站点的方法。常用的局域网媒体访问控制协议有载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、令牌环(TokenRing)、令牌总线(TokenBUS)和光纤分布数据接口(FDDI)。9.2.2广域网1．公共交换电话网（PSTN）模拟拨号服务是基于标准电话线路的电路交换服务，这是一种最普遍的传输服务，往往用来作为连接远程端点的连接方法，比较典型的应用有：远程端点和本地LAN之间互连、远程用户拨号上网，用作专用线路的备份线路。由于模拟电话线路是针对话音频率（30－4000Hz）优化设计的，使得通过模拟线路传输数据的速率被限制在33.4kbit/s以内，而且模拟电话线路的质量有好有坏，许多地方的模拟电话线路的通信质量无法得到保证，线路噪声的存在也将直接影响数据传输速率。2．综合业务数字网（ISDN）综合业务数字网（ISDN）为用户提供端一端数字通信线路，目前ISDN有两类接口标准：基本速率接口（BRI）和基群速率接口（PRI）。基本速率接口（BR）提供2B＋D数字通道，其中2个B通道（每个B通道为64kbit/s）是承载通道，用于完成两端之间数据传输，D通道（16kbit/s）是控制通道，用于在用户和ISDN交换节点之间传输呼叫控制协议报文。一次群有两种速率标准，一种和E1线路的传输速率相对应，为31个B通道，另一种和T1线路的传输速率相对应，为24个B通道，其中一个B通道用作信令传输通道，相当于BRI的D通道。ISDN用户端和ISDN交换节点之间的连接也采用普通观绞线，因此当用户要求把模拟电话线路改成综合业务数字网（ISDN）线路时，不用重新铺设用户线路。虽然模拟拨号服务和ISDN服务都属于电路交换服务，但两者还是存在很大差别。由于ISDN直接在端一端之间提供数字通道，不但传输速率高，达到2×64kbit/s（BRI），而且可以通过数字通道传输语音