电气控制与PLC工程应用电子课件-第7章

第7章PLC的通信及网络技术7.1PLC通信基础7.2三菱FX系列PLC的通信7.3PLC网络7.4三菱PLC网络的工程应用实例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，相当多的企业已经在大量地使用可编程设备，如PLC、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。本章主要介绍有关PLC的通信与工厂自动化通信网络方面的初步知识。7.1PLC通信基础•概述•通信：当任意两台设备之间有信息交换时，它们之间就产生了通信。•PLC通信：是指PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与现场设备或远程I/O之间的信息交换。•PLC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，通过通信介质连接起来，按照规定的通信协议，以某种特定的通信方式高效率地完成数据的传送、交换和处理。7.1PLC通信基础7.1.1通信方式7.1.2通信介质7.1.3PLC常用通信接口7.1.4计算机通信标准7.1.1通信方式1.并行通信与串行通信2.单工通信与双工通信3.异步通信与同步通信4.基带传输与频带传输3.异步通信与同步通信图7-1异步通信的信息格式7.1.2通信介质1.双绞线2.同轴电缆3.光缆表7-1常用通信介质特性传输媒介特性传输媒介双绞线同轴电缆光缆基带（50Ω）宽带（75Ω）传输速率/（Mbit/s）1~41~101~45010~500网络段最大长度/km1．51~31050抗电磁干扰弱中中强支持的拓扑结构星形、环形、公共总线型环形、公共总线型公共总线型环形、公共总线型•光纤•光纤是一种传输光信号的传输媒介•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。•由于在纤芯与包层之间存在着折射率的差异，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。7.1.2通信介质•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•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。•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。3.光缆1)光纤支持很宽的带宽，其范围在1014~1015Hz之间，这个范围覆盖了红外线和可见光的频谱。2)具有很快的传输速率，当前限制其所能实现的传输速率的因素来自信号生成技术。3)光纤抗电磁干扰能力强，由于光纤中传输的是不受外界电磁干扰的光束，而光束本身又不向外辐射，因此它适用于长距离的信息传输及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。•同轴电缆•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。•光纤•光纤的优点：1）光纤支持很宽的带宽（1014～1015HZ），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。•光纤的缺点：系统成本较高、不易安装与维护、质地脆易断裂等。7.1.3PLC常用通信接口1.RS-232C2.RS-422A3.RS-485•RS-232C•RS-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。•RS-232C采用负逻辑，用-5～-15V表示逻辑“l”，用+5～+15V表示逻辑“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”。•RS-232C只能进行一对一的通信，RS-232C可使用9针或25针的D型连接器，PLC一般使用9针的连接器1.RS-232C1)传输速率较低，最高传输速度速率为20kbit/s。2)传输距离短，最大通信距离为15m。3)接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容，故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。表7-2RS-232C接口引脚信号的定义引脚号（9针）引脚号（25针）信号方向功能18DCDIN数据载波检测23RXDIN接收数据32TXDOUT发送数据420DTROUT57GND—信号公共参考地66DSRIN74RTSOUT请求传送85CTSIN清除传送922CI（RI）IN振铃指示1.RS-232C图7-2两个RS-232C数据终端设备的连接a)典型连接b)近距离连接1.RS-232C图7-3单端驱动单端接收的电路•RS-422A•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。•RS-422A采用平衡驱动、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。2.RS-422A图7-4平衡驱动差分接收的电路•RS-485•RS-485是RS-422的变形，为半双工，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。•RS-485的逻辑“1”以两线间的电压差为+（2~6）V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-（2~6）V表示。•电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。•RS-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。3.RS-485图7-5使用RS-485的网络3.RS-485图7-6RS-232C/RS-422A转换器原理图7.1.4计算机通信标准1.开放系统互连模型2.IEEE802通信标准•开放系统互连模型（OSI）•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(OpenSystemInterconnection)，作为通信网络国际标准化的参考模型，•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。•开放系统互连模型（OSI）•数据链路层（DatalinkLayer）•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。•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。•在数据链路上，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。•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）。1.开放系统互连模型(1)物理层(2)数据链路层(Data(3)网络层(Network(4)传输层(Transport(5)会话层(Session(6)表示层(Presentation(7)应用层(Application1.开放系统互连模型图7-7开放系统互连(OSI)模型2.IEEE802通信标准(1)CSMA/CD协议(2)令牌总线(3)令牌环•IEEE802通信标准•IEEE802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。•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。•IEEE802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（TokenRing）•IEEE802通信标准•CSMA/CD协议•CSMA/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，因此必须采取措施来防止冲突。•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；•IEEE802通信标准•令牌总线•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。•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，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。(2)令牌总线图7-8令牌总线结构•IEEE802通信标准•令牌总线•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。•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“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。•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。•IEEE802通信标准•令牌环•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。•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。7.2三菱FX系列PLC的通信7.2.1FX系列PLC的通信模式7.2.2PLC与计算机专有协议的通信7.2.3PLC与计算机无协议通信7.2.4并行通信与N∶N通信7.2.1FX系列PLC的通信模式1)PLC的N∶N通信方式。2)PLC双机并联通信方式。3)PLC与计算机专有协议通信方式。4)PLC与计算机无协议通信方式。(1)PLC的N∶N通信方式(2)PLC双机并联通信方式(3)PLC与计算机专有协议通信方式(4)PLC与计算机无协议通信方式表7-3FX系列PLC各通信模式的特性N∶N网络PLC并联专用协议计算机连接无协议通信传输标准RS⁃􀰊485RS⁃􀰊485/RS⁃􀰊422ARS⁃􀰊485/RS⁃􀰊422A或RS⁃232C传输距离500mRS⁃􀰊485/RS⁃􀰊422A:500mRS⁃232C:15m连接数量8站1∶11∶N(N≤16)1∶1通信方式半双工半双工/全双工数据长度固定7bit/8bit校验无/奇/偶停止位1bit/2bit表7-3FX系列PLC各通信模式的特性N∶N网络PLC并联专用协议计算机连接无协议通信波特率38400bit/s19200bit/s300/600/1200/2400/4800/9600/19200bit/s头字符固定无/有效尾字符控制线—协