第六章组态软件通信-四川机电职业技术学院单片机教学课件

《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信1本章主要内容6.1通信基础6.2通信网络6.3通信组态6.4通信连接的诊断《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信26.1通信基础6.1.1通信通信是用于描述两个通信伙伴之间数据传送的术语。通信伙伴是可以互相进行通信的模块，也就是说它们可以互相交换数据，它们可以是PLC中的中央处理器板和通信处理器，或者是PC中的通信处理器。站是可以作为一个单元与一个或多个子网连接的设备，它可以是PLC或者是PC。子网（络）是用于描述一个单元的术语，该单元包含建立数据连接所必须的所有物理组件以及相关的数据交换方式。网络是一个或多个互相连接的子网（它们可以相同，也可以不相同）组成的单元，它包括所有可以互相通信的站。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信36.1.2网络拓扑如果多个独立的自动组件要相互交换数据，则它们之间必须进行物理连接。该物理连接可以有不同的结构，网络拓扑是这种结构的基本几何布置。各个通信伙伴构成了这种结构的节点。1）点对点：这种最简单的结构仅用于由两个通信伙伴组成的网络。这种布置称为点对点连接。2）线形：线形结构的网络根据一根主线（也就是所谓的总线）进行布置。所有的通信伙伴通过馈线与总线连接。多个通信伙伴不能同时对话。一次只有一个通信伙伴可以进行发送。这是必要的规则，称为总线访问方式。一个通信伙伴出现故障对于整个网络影响很小或者没有影响。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信43）环形：在这种结构中，通信伙伴互相连接成环行。一个环可以由按顺序排列的点对点连接组成。在这种结构的网络中，每个节点都可以用作中继器，这使得桥接距离可以更长。但是与线形结构相比，如果在环形结构中通信伙伴出现故障，则会引起更大的问题。4）星形：在星形结构中，所有通信伙伴与中央的星形耦合器相连接。该星形耦合器控制整个通信。通常，星形耦合出现故障会使整个网络中断。一个通信伙伴出现故障对于整个网络影响很小或者没有影响。5）树形：树形结构可以看作连接的线形结构，可以具有不同的尺寸，并且类型也可以不同。连接各条线的元素非常重要。如果要连接的线类型相同，则这些元素可以只是中继器；如果要连接的线类型不同，则需要转换器。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信56.1.3网络的分类根据地理范围，网络可以分为三类，它们是：LAN（局域网），范围＜5km；MAN（城域网），范围在10～100km；WAN（广域网），范围可以是一个国家或一个洲际网络。由于限制的不确定性，有时不能精确地进行分类。拓扑：因为要进行桥接的距离不同，所以对于使用的拓扑来说，网络类型的信息很有用WAN的拓扑根据其地理要求来确定。出于经济方面的考虑，在大多数情况下都使用不规则树网结构的网络。LAN的拓扑结构更为明确，LAN的典型拓扑是线形、环形和星形。传送媒体：物理传送媒体的选择取决于期望的网络大小、抗干扰性和传送率。按照复杂性和性能的升序排列，传送媒体有：未屏蔽的非绞合双线、未屏蔽的双绞线、同轴电缆、光纤电缆。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信66.1.4访问方式访问方式是指确定通信伙伴何时可以发送消息的规则。主要有以下几种方式：（1）主从方式在主从方式中，主站控制整个总线的通信量。主站把数据发送至连接的从站，同时提示它们发送数据。在大多数情况下，从站之间不提供直接通信。这种方式很好，因为它是一个简单而有效的总线控制器。（2）CSMA/CD方式在CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）方式中，每个通信伙伴在任何时候都可以发送数据。但是，与此同时其他通信伙伴不能发送数据。如果由于信号延迟而使两个通信伙伴同时开始发送，则会引起冲突。在这种情况下，两者都会进行冲突检测，并且停止发送。经过一段时间之后，它们会试图再次进行发送。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信76.1.5ISO-OSI参考模型《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信86.1.6总线系统的连接为了确保两个不同网之间的信息流连续，需要特殊的连接元素。根据连接的复杂性或者将要连接的子网之间的差异，可以区分用于网络连接的中继器、网桥、路由器或网关。1）中继器：中继器将收到的信息从一根线复制到另一根线，并且将其放大。中继器对于通信站的各个层都是透明的，也就是说两个网络的物理层必须完全相同。中继器不仅用于连接相似的子网，而且用于扩展现有的子网（例如总线系统）。2）网桥：网桥用于连接在数据链接层（逻辑链路控制LLC）上使用相同协议的子网。对于连接的子网，其传送媒体和总线访问方式（媒体访问控制MAC）可以不同。网桥主要用于连接拓扑不同的本地网络。如果特殊的应用程序需要特定结构连接至子网，则也可以使用网桥。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信93）路由器：路由器用于连接第1层、第2层不同的ISO网络。路由器也为通过现有网络的消息确定最佳的通信路径（路由选择）。确定最佳路径的标准可以是路径长度，也可以是短的传送延迟。为了执行其任务，在转发到达的数据包之前，路由器在网络层中改变数据包的目标地址和源地址。由于路由器与网桥相比，执行的任务明显更加复杂，所以其处理速率较慢。4）网关：网关用于连接具有不同体系结构的网络，也就是说可以连接任何两个子网。根据ISO参考模型，网关的任务是转换所有层的通信协议。网关也可以用于连接ISO网络和非ISO网络。通常，通过网关进行的网络连接需要进行更多的工作，因此速度会更慢。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信106.2通信网络6.2.1工业通信概述工业通信网络分为：管理级、单元级、现场级、执行器—传感器级。1）管理级：在管理级处理影响整个操作的任务。它包括归档、处理、求值和过程值与消息的汇报。也可以从多个站点收集和处理操作数据，从管理级也可以访问其他站点。对于管理级，以太网有多种网络结构。为了连接更远的距离，在绝大多数情况下使用TCP/IP协议。2）单元级：在单元级处理自动化任务。在该级别，PLC、操作和监控设备以及PC彼此连接。根据性能要求，主要的网络类型是工业以太网和PROFIBUS。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信113）现场级：现场级是PLC和设备之间的连接链路。在现场级使用的设备提供过程值和消息等，并且也向设备转发命令。大多数情况下，在现场级传送的数据量较小。对于现场级，PROFIBUS是主要的网络类型。为了与现场设备通信，通常使用DP协议。4）执行器—传感器级：在执行器—传感器级，主站与连接到其子网的执行器和传感器进行通信。该级别的特征是数据传送量极小，可是响应却很快。6.2.2工业通信子网工业通信子网分为：MPI、PROFIBUS、工业以太网。1）MPI：MPI（多点接口）适用于现场级和单元级的小型网络。它只能用于连接SIMATICS7。MPI子网使用PLC中央处理器的MPI接口进行通信。该接口被设计为可编程接口，随着通信要求的增加，它很快就会到达其性能极限。带MPIISA卡的WinCC站S7-400S7-300MPI《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信12PC可以通过安装的MPI卡访问MPI子网，也可以使用访问PROFIBUS的通信处理器。2）PROFIBUS：PROFIBUS（过程现场总线）是一种用于单元级和现场级的子网。它是一种独立于制造商的开放式通信系统。PROFIBUS用于在少数几个通信伙伴之间传送少量数据或中等数量的数据。通过DP（分散设备）协议，PROFIBUS可与智能型现场设备通信。这种通信类型具有快速、周期性传送数据的特点。3）工业以太网：工业以太网是一种适合于管理级和单元级的子网。它用于许多站之间长距离、大数据量的传送。工业以太网是一种用于工业通信的最有效的子网。不用费很大的力，就可以轻松配置和扩充它。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信136.2.3利用MPI的工业通信MPI子网可用在单元级和现场级上。所连接的通信伙伴必须为SIMATICS7系列的成员。MPI子网可以非常经济地连接少数站。然而，必须接受MPI方案的低性能，最多站数限制在32个。在SIMATICS7系列PLC上可用MPI接口进行通信。1）访问方式：MPI使用令牌传递访问方式，访问总线的权利从一个站传送到另一个站，这种访问权称为令牌。如果一个站收到令牌，它就有权发送消息。如果该站没有消息发送，它就将令牌直接传给逻辑环中的下一个站。否则，令牌将在指定的保留时间之后传递。2）传递媒体：PROFIBUS网络的传送方式同样可用于MPI网络。它可以设计为光纤或电子网络，传输速率通常为187.5Kbit/s。然而，最新版本的S7-400可以达到12Mbit/s的传输速率。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信146.2.4利用PROFIBUS的工业通信PROFIBUS是一种用于只具有有限数量站点的单元级和现场级子网。最多站数限制在127个。PROFIBUS是与制造商无关的开放式通信系统。它基于欧洲标准EN50170（第2卷）PROFIBUS。通过满足这些要求，PROFIBUS保证与符合该标准的第三方组件连接的开放性。PROFIBUS网络如图所示。它说明各个通信伙伴为实现其总线访问所使用的组件。PROFIBUS概念中的开放性当然允许第三方设备与通信网络进行连接。1．PROFIBUS访问方式PROFIBUS网络区分主网站和从网站。主站使用令牌传递访问方式，而从站使用主从访问方式。因此，PROFIBUS访问方式也称为具有下级主从站的令牌传递。带CP5412A2的WinCC站带CP443-5（基本）的S7-400带CP343-5的S7-400PROFIBUS带CP5431FMS/DP的S5-115U《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信152．PROFIBUS协议总体结构可以使用为不同应用情况优化的PROFIBUS协议。以下列出了三种可用的协议版本：•PROFIBUS-FMS（现场总线消息规定）适用于小型单元网络中PLC的通信以及与具有FMS接口的现场设备的通信。有效的FMS服务为大批通信任务的管理提供了广泛的应用范围以及很大的灵活性。•PROFIBUS-DP（分散的外围设备）适用于分散的外部设备（如ET200）的连接，并具有快速的响应时间。•PROFIBUS-PA（过程自动化）已专门设计用于处理工程，它是PROFIBUS-DP的通信兼容扩展。它允许在有潜在爆炸危险的区域中连接现场设备。3．传送媒体PROFIBUS网络可以设计为光纤或电子网络，也可以实现由光纤和电子PROFIBUS网络组成的混合结构。电子网络：电子PROFIBUS网络使用屏蔽双绞线电缆作为其传送媒体。RS485接口根据电压差进行工作。因此，它的抗干扰性比电压或电流接口强。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信16光纤网络：光纤PROFIBUS网络使用光纤电缆作为其传送媒体。光纤网络不易受到电磁干扰，适合长距离并且可以使用塑料或玻璃光纤电缆。传送速率可以从9.6Kbit/s逐步调到12Mbit/s。除冗余光纤之外，极限段长与传送速率无关。建立光纤PROFIBUS网络有两种连接方式可用：使用塑料或玻璃光纤电缆的光链路模块（OLM）。OLM允许以线形、环形或星形结构配置光纤网络。终端设备直接与OLM连接。光纤环可以使用单光纤电缆（发挥最大的经济效益）或双光纤电缆（增加网络利用率）。光链路插头（OLP）允许将总线从站连接到单光纤电缆环上。OLP直接插入总线站的PROFIBUS接口中。在光纤PROFIBUS网络中，对于所有传送速率，最远距离大于100km。《工业控制组态软件及应用》第6章组态软件通信176.2.5利用工业以太网的通信工业以太网是工业环境中最有效的一种子网，它既适用于管理级又适用于单元级。工业以太网是一种符合IEEE802.3标准的开放式通信网络，专门设计它来经济地解决工业环境中所要求的通信任务。这种子网的主要优点在于其速度、简单的扩展性和开放性以及其高利用率与全球分布性。只需费很小的力，就可以配置工业以太网子网。访问方