plc讲义 第八章 PLC的网络通信技术及应用

1、 第八章第八章 PLC网络通信技术及应用网络通信技术及应用 工业网络工业网络 工业网络是在一个企业范围内将信号检测、数据工业网络是在一个企业范围内将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起，以实现企业内部的资源共享、信息管理、在一起，以实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问企业外部资源和过程控制、经营决策，并能够访问企业外部资源和提供有限的外部访问，使得企业的生产、管理和经提供有限的外部访问，使得企业的生产、管理和经营能够高效率地协调运作，从而实行企业集成管理营能够高效率地协调运作，从而实行企业集成管

2、理和控制的一种网络环境。和控制的一种网络环境。 工业网络结构 ：是以字节或字为单位的数据传输方式，除了8根或16根数据线、一根公共线外，还需要数据通信联络用的控制线。并行通信的传送速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的数据传送。并行通信一般用于PLC的内部，如PLC内部元件之间、PLC主机与扩展模块之间或近距离智能模块之间的数据通信。 ：以二进制位（bit）为单位的数据传输方式，每次传送一位，除了地线外，在一个数据传输方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作为通信联络控制线串行通信需要的信号线少，最少的只需要两三根线，适用于距离较远的场合。串行通信多用于PLC与计算机、多台

3、PLC之间的数据通信。是评价通信速度的重要指标。在串行通信中，传输速率常用比特率来表示，其单位是比特/秒（bit/s）或bps ：只能沿单一方向发送或接收数据。：其信息可沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。：数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传送，通信的双方都能在同一时刻接收和发送信息：用同一根线或同一组线接收和发送数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据在PLC通信中常采用半双工和全双工通信。 按同步方式的不同，串行通信分为异步通信和同步通信通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。 异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，

4、一般用于低速通信，PLC一般使用异步通信。 ：以字节为单位。每次传送l2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。 同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。在同步通信中，发送方和接收方要保持完全的同步。 在近距离通信时，可以在传输线中设置一根时钟信号线。在远距离通信时，可以在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方完全相同的接收时钟信号。 同步通信方式传输效率高，但是对硬件的要求较高，一般用于高速通信。 基带传输：基带传输：按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，常用数据编码方法有非归零码NRZ、曼彻

5、斯特编码和差动曼彻斯特编码等。：是一种采用调制解调技术的传输形式。发送端采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即Modem。PLC通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。 ：是在通信系统中位于发送端与接收端之间的物理通路。通信介质一般可分为：导向性介质、非导向性介质：这种介质将引导信号的传播方向，如：双绞线、同轴电缆和光纤等

6、；：一般通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向，如短波、微波和红外线通信等。 一、双绞线一、双绞线 双绞线是由两根彼此绝缘的导线按照一定规则以螺旋状绞合在一起。这种结构能在一定程度上减弱来自外部的电磁干扰及相邻双绞线引起的串音干扰。但在传输距离、带宽和数据传输速率等方面仍有其一定的局限性。 ：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。：抗干扰能力强，

7、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。 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。 同轴电缆主要有：50电缆：用于基带数字信号传输，又称基带同轴电缆。电缆中只有一个信道，数据信号采用曼彻斯特编码方式，数据传输速率可达10Mbps，这种电缆主要用于局域网。75电缆：是CATV系统使用的标准，它既可用于传输宽带模拟信号，也可用于传输数字

8、信号。对于模拟信号而言，其工作频率可达400MHZ。若在这种电缆上使用频分复用技术，则可以使其同时具有大量的信道，每个信道都能传输模拟信号。 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。 根据制作材料的不同，光纤可分为：石英光纤、塑料光纤、玻璃光纤等；根据传输模式不同，光纤

9、可分为： 多模光纤和单模光纤；根据纤芯折射率的分布不同，光纤可以分为： 突变型光纤和渐变型光纤；根据工作波长的不同，光纤可分为： 短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。在实际光纤传输系统中，还应配置与光纤配套的光源发生器件和光检测器件。最常见的光源发生器件是发光二极管（LED）和注入激光二极管（ILD）。光检测器件是在接收端能够将光信号转化成电信号的器件，目前使用的光检测器件有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD），光电二极管的价格较便宜，然而雪崩光电二极管却具有较高的灵敏度。 ： 1）光纤支持很宽的带宽（10141015 HZ），覆盖了红外线和可见光的频谱。 2）具有很快的传输速率，

10、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。： 系统成本较高、不易安装与维护、质地脆易断裂等。 PLC通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信接口标准有RS-232C、RS-422A和RS-485等。 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

11、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 RS-232-C的电气接口采用，容易受到公共地线上的电位差和外部引入的干扰信号的影响，同时还存在以下不足之处：1）传输速率较低，最高传输速度速率为20kbps。2）传输距离短，最大通信距离为15m3）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，与TTL电平不兼容 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。 R

12、S-422A采用电路，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。 RS-422在最大传输速率10Mbps时，允许的最大通信距离为12m。传输速率为100kbps时，最大通信距离为1200m。一台驱动器可以连接10台接收器。RS-422A是，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收，所以采用RS422接口通信时最少需要4根线。 RS-485是RS-422的变形，为，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+（26）V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 R

13、S-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。 只有一个中心节点，网络上其他各节点都分别与中心节点相连，通信功能由中心节点进行管理，并通过中心节点实现数据交换。这种结构的所有节点都通过相应硬件连接到一条无源公共总线上，任何一个节点发出的信息都可沿着总线传输，并被总线上其他任意节点接收。它的传输方向是从发送节点向两端扩散传送。环形结构中的各节点通过有源接口连接在一条闭合的环形通信线路中，是点对点式结构，即一个节点只能把数据传送到下一个节点。若下一个节点不是数据发送的目的节点，则再向下传送直到

14、目的节点接收为止。 从站：被动性主站：主动性令牌: 持有令牌的主站对总线相有控制性S7系列PLC通常有四种组网方式：点对点、MPI多点网络、PROFIBUS和工业以太网。基本概念基本概念 PPI、MPI、PROFIBUS都是异步基于字符传输的协议（带起始位、 8位字符、偶校验和一位停止位）。通讯帧由特殊的起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完成性检查组成。 MPIMPI（Multi-Point InterfaceMulti-Point Interface）即多点接口，可以是主）即多点接口，可以是主/ /主协议或主主协议或主/ /从协议，协议如何操作有赖于设备的类型。从协议，协议如何操作

15、有赖于设备的类型。（1 1）STEP7-Micro/WIN32(STEP7-Micro/WIN32(在在0 0号站号站) )可以监视可以监视2 2号站号站的状态，同时的状态，同时TD 200(5TD 200(5号和号和1 1号站号站) )和和CPU 224CPU 224模块模块（3 3号站和号站和4 4号站）可以实现通信。号站）可以实现通信。 PROFIBUS是世界上第一个开放式现场总线标准，目前技术已成熟，其应用领域覆盖了从机械加工、过程控制、电力、交通到楼宇自动化的各个领域。PROFIBUS于1995年成为欧洲工业标准（EN50170），1999年成为国际标准（1EC61158-3）。1P

16、ROFIBUS的组成 PROFIBUS由三个相互兼容的部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。（1）PROFIBUS-DP（Distributed Periphery 分布I/O系统） PROFIBUS-DP是一种优化模板，是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通信的最佳方案，每秒可传输12兆位。扫描1000个I/O点的时间少于lms。它可以用于设备级的高速数据传输，远程I/O系统尤为适用。位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUSEDP同分散的现场设备进行通。 （2）PROFIBUS-PA（Process Automat

17、ion 过程自动化） 是为PA主要用于过程自动化的信号采集及控制，它是专为过程自动化所设计的协，可用于安全性要求较高的场合及总线集中供电的站点。响应时间（100ms) （3）PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification 现场总线信息规范） 是为现场的通用通信功能所设计，主要用于非控制信息的传输，传输速度中等(60ms)，可以用于车间级监控网络。FMS提供了大量的通信服务，用以完成以中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间，应用过程中通常要求的是随机的信息交换，如改变设定参数。FMS服务向用户提

18、供了广泛的应用范围和更大的灵活性，通常用于大范围、复杂的通信系统。2PROFIBUS协议结构PROFIBUS协议以ISOOSI参考模型为基础。第一层为物理层，定义了物理的传输特性；第二层为数据链路层；第三层至第六层PROFIBUS未使用；第七层为应用层，定义了应用的功能。PROFIBUS-DP是高效、快速的通信协议，它使用了第一层、第二层及用户接口，第三七层未使用。这样简化了的结构确保了DP的高速的数据传输。 3 3传输技术传输技术 PROFIBUS对于不同的传输技术定义了惟一的介质存取协议。 (1)RS-485 RS485是PROFIBUS使用最频繁的传输技术。（2）IECll58-2 根据

19、IECll58-2在过程自动化中使用固定波特率31.25kb/s的同步传输，它可以满足化工和石化工业对安全的要求，采用双线技术通过总线供电，这样PROFIBUS就可以用于危险区域了。（3）光纤 在电磁干扰强度很高的环境和高速、远距离传输数据时，PROFIBUS可使用光纤传输技术。使用光纤传输的PROFIBUS总线段可以设计成星型或环型结构。现在在市面上已经有RS-485传输链接与光纤传输链接之间的耦合器，这样就实现了系统内RS-485和光纤传输之间的转换。 （4）PROFIBUS介质存取协议 PROFIBUS通信规程采用了统一的介质存取协议，此协议由OSI参考模型的第二层来实现。在PROFIB

20、US协议设计时充分考虑了满足介质存取控制的两个要求，即：在主站间通信时，必须保证在分配的时间间隔内，每个主站都有足够的时间来完成它的通信任务，在PLC与从站（PLC或其他设备）间通信时，必须快速、简捷地完成循环，进行实时的数据传输。为此，PROFIBUS提供了两种基本的介质存取控制：令牌传递方式和主/从方式。令牌传递方式可以保证每个主站在事先规定的时间间隔内都能获得总线的控制权。令牌是一种特殊的报文，它在主站之间传递着总线控制权，每个主站均能按次序获得一次令牌，传递的次序是按地址升序进行的。 主/从方式允许主站在获得总线控制权时，可以与从站通信，发送或获得信息。 主站要发出信息，必须持有令牌。

21、假设有一个由3个主站和7个从站构成的PROFIBUS系统。3个主站构成了一个令牌传递的逻辑环，在这个环中，令牌按照系统预先确定的地址升序从一个主站传递给下一个主站。当一个主站得到了令牌后，它就能在一定的时间间隔内执行该主站的任务，可以按照主/从关系与所有从站通信，也可以按照主/主关系与所有主站通信。在总线系统建立的初期阶段，主站的介质存取控制(MAC)的任务是决定总线上的站点分配并建立令牌逻辑环。在总线的运行期间，损坏的或断开的主站必须从环中撤除，新接入的主站必须加入逻辑环。MAC的其他任务是检测传输介质和收发器是否损坏，检查站点地址是否出错，以及令牌是否丢失或有多个令牌。 PROFIBUS的

22、第二层按照国际标准IEC870-5-1的规定，通过使用特殊的起始位和结束位、无间距字节异步传输及奇偶校验来保证传输数据的安全。PROFIBUS第二层按照非连接的模式操作，除了提供点对点通信功能外，还提供多点通信的功能，即广播通信和有选择的广播、组播。所谓广播通信，即主站向所有站点（主站和从站）发送信息，不要求回答。所谓有选择的广播、组播是指主站向一组站点（从站）。 在自由口模式下，主机只有在RUNRUN方式时，用户才可以用相关的通信指令编写用户控制通信口的程序。当主机处于STOP方式时，自由口通信被禁止，通信口自动切换到正常的PPI协议操作。5S7-200CPU接入PROFIBUS网络S7-2

23、00CPU必须通过PROFIBUS-DP模块EM277连接到网络，不能直接接入PROFIBUS网络进行通信。 自由通信口方式使S7-200 PLC 可以与任何通讯协议公开的其它设备控制器进行通信，即S7-200 PLC 可以由用户自己定义通信协议，例ASCII 协议，波特率最高为38.4kbit/s 可调整，因此使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置更加灵活方便。 S7-200中两个CPU 间简单的数据交换，用户可通过编程来编制通信协议来交换数据，例如具有RS-232 接口的设备可用PC/PPI 电缆连接起来，进行自由通信方式通信。利用S7-200的自由通信口及有关的网络通信指令，可以将S7-

24、200CPU加入ModBus网络和以太网络。 Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，具有较广泛的应用。Modbus协议现在为一通用工业标准。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。该协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其他设备的过程，以及怎样检测错误并进行记录。它确定了消息域格式及内容的公共格式。 西门子PLC与变频器的通信协议STEP7 Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通信设计的预先定义的专门的子程序和中断服务程序，从而与Modbus主站通信简单易行。使用一个

25、Modbus从站指令可以将S7-200组态为一个Modbus从站，与Modbus主站通信。当在用户编制的程序中加入Modbus从站指令时，相关的子程序和中断程序自动加入到所编写的项目中。 网络连接器可以用来把多个设备连接到网络中。网络连接器有两种类型：一种仅提供连接到主机的接口；另一种则增加了一个编程接口。通过网络连接器上的选择开关可以对网络进行偏置和终端匹配（电阻）。两种连接器都有两组螺丝端子，可以连接网络的输入和输出。 S7-200的通信指令包括用于PPI协议的网络读写指令、用于自由通信模式的发送和接受指令以及用于控制变频器的USS协议指令等。 将特殊标志寄存器中的将特殊标志寄存器中的SM

26、B30SMB30和和SMB130SMB130中的内容设置为中的内容设置为（2 2）1616，则可将，则可将S7S7200 CPU200 CPU设置为点到点接口设置为点到点接口PPIPPI协协议主站模式。议主站模式。执行网络读写指令时，执行网络读写指令时，PPI主站与从站之间的数据以主站与从站之间的数据以数据表的格式传送。数据表的格式传送。 网络读写数据表网络读写数据表 D表示操作是否完成，表示操作是否完成，D=1表示完成，表示完成，D=0表示表示末完成；末完成；A表示操作是否排队，表示操作是否排队，A=1表示排队有效，表示排队有效，A=0表示排队无效；表示排队无效；E表示操作返回是否有表示操作

27、返回是否有错误，错误，E=1表示有错误，表示有错误，E=0表示无误。表示无误。E1、E2、E3、E4错误错误编码，执行指令后编码，执行指令后E=1时，则由这时，则由这4位返回一个位返回一个错误码。错误码。 例8-2 一条生产线正在灌装黄油桶并将其送到四台包装机（打包机）中的一台上。打包机把8个黄油桶包装到一个纸板箱中。一个分流机控制着黄油桶流向各个打包机。4个CPU221模块用于控制打包机，一个CPU222模块安装了TD200操作器接口，被用来控制分流机。 2号站中S7-200使用网络读指令不断地读取每个打包机的控制和状态信息。每次某个打包机包装完100箱，分流机会注意到，并用网络写指令发送一

28、条信息清除状态字。 00和和10表示无奇偶校验；表示无奇偶校验；01表示奇校验；表示奇校验；11表示偶校验。表示偶校验。 0表示每个字符有效数据位为表示每个字符有效数据位为8位；位；1表示每个字符有效数据位为表示每个字符有效数据位为7位。位。 例8-3接收一个字符串，直到接收到换行字符。接收完成后，信息会发送回到发送。 USS指令包括在STEP 7-Micro/WIN指令库中。用户可以利用USS指令控制实际变频器，并读取写入变频器参数。这些变频器包括MicroMaster 3（MM3）和Micromaster 4（MM4）。STEP 7-Micro/WIN指令库通过包括专门设计使用USS协议与

29、驱动器通讯的预配置子程序和中断例行程序的方法，使控制MicroMaster驱动器的作业更加简便。在STEP 7-Micro/WIN指令树的“库”文件夹中找到这些指令。当选择一条USS指令时，会自动增加一个或多个相关子程序（USS1至USS7）。 EM241调制解调器模块EM 241调制解调器扩充模块是一个模拟线路调制解调器，作为S7-200扩充模块。 CP243-1以太网模块利用该模块可增加S7-200系列CPU的输入、输出点数。 CP243-2 AS-I模块 EM277(PROFIBUS-DP)在S7-200中用于PROFIBUS和MPI的从站。EM 277 PROFIBUS DP模块的技术

30、规范 EM 277 PROFIBUS-DP模块前视图 DP从站接口引脚图 组态特性组态特性 （4）当EM 277 PROFIBUS-DP模块用作MPI通讯时，其MPI主站必须使用DP模块的站址向S7-200发送信息，发送到EM 277 DP模块的MPI信息，将会被传送到S7-200上。 EM 277模块是从站模块，它不能使用NETR和NETW功能在S7-200间通讯。尽管自由口是S7-200的一个特性，但EM 277模块不能用作自由口方式通讯。 （3）与许多DP站不同的是，EM 277模块不仅仅是传输I/O数据。EM 277能读写S7-200 CPU中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换

31、任何类型的数据。首先将数据移到S7-200 CPU中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在S7-200 CPU中的变量存储器内，并可移到其它数据区。EM 277 PROFIBUS-DP模块的DP端口可连接到网络上的一个DP主站上，但仍能作为一个MPI从站与同一网络上如SIMATIC编程器或S7-300/S7-400 CPU等其它主站进行通信。 （1）EM277经过串行I/O总线连接到S7-200CPU。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277模块。这个端口支持9600b/s12Mb/s之间的任何传输速率。 （2）EM277

32、模块在PROFIBUS网络中只能作为PROFIBUS从站出现。 使用使用EM 277将将S7-200 CPU作为作为DP从站连接到网络从站连接到网络 举例：双主站单从站的PROFIBUS-DP网络 一类主站完成总线通信控制与管理通信控制与管理，完成周期性数据访问，完成周期性数据访问，包括PLC、PC或可做一类主站的控制器。 二类主站完成非周期性数据访问非周期性数据访问，如数据读写、系统配置、故障诊断等，包括操作员工作站(如PC机加图形监控软件)、编程器、HMI等。 (1) 硬件:带Siemens CP5611卡的PC机两台，CPU224一块，带Siemens EM277DP通讯模块;三个网络连

33、接器;连接线为双绞线。(2) 软件:用于软件编程的STEP7-MICROWIN3.2和用于实现PROFIBUS-DP协议网络配置的SIMATIC NET6.0。 PROFIBUS-DP主站和从站的组态一类主站的组态在PC1(一类主站)使用SIMATIC net 6.0软件来组态整个PROFIBUS-DP网络。具体步骤如下:(1) 使用SIMATIC程序组中的Configuration Console设定PROFIBUS的模式为Configured Mode，插槽号随意，如图所示: (2) 用PC Station Wizard进行一系列简单的设置后新建一个工程设置CP5611的参数:网络类型设为

34、 PROFIBUS，站地址为1(也可为其他值，但不能重复，其他站点地址的设定与此类同);加上PROFIBUS-DP总线(DP master system(1)，并把CP5611设为DP-Master(即一类主站)。导入EM277的GSD文件，在视窗右侧的从站设备栏里面就可以找到 EM277模块了。将EM277图标拖到DP总线上，站地址为设置2，V存储器偏移量本例设置为4000，然后根据需要设定EM277的发送和接收缓冲区大小。最后将配置结果下载到模块。结果如图所示: 二类主站的组态1) 同样还是在PC1上，在上一个图的界面中点击图标 (Configure Network)，出现如下图，添加一个SIMATIC PC Station(此时这个PC Station还没有挂到DP网上)。 （2）双击SIMATIC PC Station它，弹出如图的