第六章可编程控制器网络与通信

1、61网络与通信慨述网络与通信慨述一、数据通信一、数据通信p数据信息：具有一定编码、格式和位长要求的数据信息：具有一定编码、格式和位长要求的信号信号p数据通信：将数据信息通过适当的传输线路从数据通信：将数据信息通过适当的传输线路从一台机器传输到另一台机器。这里的机器可以一台机器传输到另一台机器。这里的机器可以是计算机、是计算机、PLC或是有数据通信功能的其他设或是有数据通信功能的其他设备。备。 p数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的及其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传输、信息交换和通信处理

2、三项任务。传输、信息交换和通信处理三项任务。p数据通信系统一般由传输设备、传输控制设备和传输数据通信系统一般由传输设备、传输控制设备和传输协议及通信软件等组成。协议及通信软件等组成。p(一一)数据传输方式数据传输方式 p 1并行通信与串行通信并行通信与串行通信 p并行通信并行通信所传输数据的各位同时发送或接收；所传输数据的各位同时发送或接收；p串行通信串行通信所传输数据按顺序一位一位地发送或接所传输数据按顺序一位一位地发送或接收。收。（1）异步传输：）异步传输：也称为起止式传输，它是利用起止法来达到收发同步也称为起止式传输，它是利用起止法来达到收发同步目的的。目的的。异步传输中，将被传输的数据

3、编码成一串脉冲。异步传输中，将被传输的数据编码成一串脉冲。 例如，传输一个例如，传输一个ASCII字符字符(每个字符有每个字符有7位位) 。l传输速率用每秒钟传输的位数传输速率用每秒钟传输的位数(bs)来表示，称之为波特率来表示，称之为波特率 。l若某异步串行通信的字符格式为若某异步串行通信的字符格式为1个起始位、个起始位、8个数据位、个数据位、2个停止位，个停止位，波特率为波特率为1200b/s，则每秒所能传输的字符数最多为，则每秒所能传输的字符数最多为（+）个）个 p（2）同步传输：在数据开始处就用同步字）同步传输：在数据开始处就用同步字符符(通常为通常为12个个)来表示。由定时信号来表示

4、。由定时信号(时钟时钟)来实现发送端同步，一旦检测到与规定的来实现发送端同步，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同步字符相符合，接下去就连续按顺序传输数据。输数据。基带传输与频带传输基带传输与频带传输 （1）基带传输：基带：电信号的基本频带。计算机或数字设备产生的“0”和“1”的脉冲序列电信号就是基带信号。p 基带传输：数据传输系统不对信号做任何调制，直接传输数据基带传输：数据传输系统不对信号做任何调制，直接传输数据的传输方式。例如，对二进制数字信号不进行任何调制，按照的传输方式。例如，对二进制数字信号不进行任何调制，按照它们原有的波形它们原有的波形(以脉冲形式以脉冲形式)

5、直接传输。直接传输。p 曼彻斯特编码：为了避免当存在许多个连续的曼彻斯特编码：为了避免当存在许多个连续的“0”和和“1”时系时系统无同步参考，多采用。统无同步参考，多采用。（2）频带传输）频带传输p 把信号调制到某一频带上的传输方式。把信号调制到某一频带上的传输方式。p 当进行频带传输时，用调制器把二进制数字信号调制成能在公当进行频带传输时，用调制器把二进制数字信号调制成能在公共电话线上传输的音频信号共电话线上传输的音频信号(模拟信号模拟信号)在通信线路上进行传输。在通信线路上进行传输。信号传输到接收端后，再经过解调器的解调，把音频信号还原信号传输到接收端后，再经过解调器的解调，把音频信号还原

6、成二进制的数字信号。成二进制的数字信号。 三种方式：调幅、调频和调相调幅：调幅：根据数字信号的变化改变载波信号的幅度的调制方式 调频：调频：根据数字信号的变化改变载波信号的频率的调制方式 调相：调相：根据数字信号的变化改变载波信号的相位的调制方式 p串行通信通常传输是数字量，这种信号包括从低频到高频极其丰富的谐波信号，要求传输线的频率很高。而远距离传输时，为降低成本，传输线频带不够宽，使信号严重失真、衰减，故常采用调制解调技术。 1单工通信方式：数据的传输始终只能在一个方向进行，而不能进行反向传输半双工通信方式：信息流可以在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向的传输 全双工通信方式：能在两

7、个方向上同时发送和接收 双绞线：最常用的传输介质，由呈螺旋排列的两根绝缘导线组成，两根导线相互扭绞在一起，可使两线之间的电磁干扰减至最小。同轴电缆：由内外导体组成。内导体是单股或多股线；圆柱形的外导体，通p 常由编织线组成并围裹着内导体。 ：一种能传输光波的介质。它的内层是具有较高折射率的光导玻璃纤维，外层包裹着一层折射率较低的材料，利用不断的全反射来传输被调制的光信号。p用于设备之间数据传输的连接结构称为通信接口。p在工业现场控制中普遍采用串行数据通信 RS232C串行通信接口 pRS232C串行通信接口 pRS串行通信接口 p串行接口的实际应用在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，

8、被称为多路复用（Multiplexing）1.频分多路复用2.时分多路复用p 1.频分多路复用 频分多路复用（Frequency-division multiplexing，FDM），是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。FDM常用于模拟传输的宽带网络中。在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多,在频分复用系统中，信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频段，每路信号用其中一个频段传输，因而可以用滤波器将它们分别滤出来，然后分别解调接收 2.时分多路复用时分多路复用（TDM）是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号

9、在不同的时间内传送，将整个传输时间分为许多时间间隔（Slot time，TS，又称为时隙），每个时间片被一路信号占用。TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号的。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因数字信号是有限个离散值，所以TDM技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通信系统的传输一般采用FDM。1.电路交换p电路交换是由交换机在两个通信站点之间建立一条物电路交换是由交换机在两个通信站点之间建立一条物理专用线路。理专用线路。一旦一次通话建立，在两部电话之间就一旦一次通话建立，在两部电话之间就有一条物理通路存在，直到这次通话结束，然后自动有

10、一条物理通路存在，直到这次通话结束，然后自动拆除物理通路拆除物理通路2.报文交换p报文交换报文交换(message switching)(message switching)属于存储交换属于存储交换。报。报文交换不是先建立物理电路，当发送方有数据要文交换不是先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它将把要发送的数据当做一个整体交给发送时，它将把要发送的数据当做一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到一个交换设备

11、，如此循环往复直至将数据发送到目的结点目的结点它兼有电路交换和报文交换的优点。分组交换在线路上采用动态复用技术,传送按一定长度分割为许多小段的数据分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。连接连接策略策略优 点缺 点电路电路交换交换快速。适用于不允许传输延迟的情况由于网络线路是专用的，所以其他路由不能使用。和电话通话一样，通信双方必须同时参与报文报文交换交换路由是非专用

12、的，完成一个报文传输后，可以立刻被重新使用。接收方无须立即接受报文通常报文需要用更长的时间，才能到达目的地。由于中间节点必须存储报文，所以报文过长，也会产生问题。报文尾部仍沿用原先设定的路由，而不管网络状况是否已经改变分组分组交换交换当发生阻塞时，分组交换网络的数据报方式会为报文的不同分组选择不同的路由，因此能更好地利用网络由于每个分组被单独传送，费用将相应增加。必须为每个分组选择路由。在数据报方式中，分组可能不按次序到达 p计算机网络按其工作环境、应用技术条件和覆盖范围的大小可分为局域网和广域网。PLC网络属于局域网的范畴。(一)局域网的四大要素 网络拓扑结构p网络拓扑结构是指网络中的通信线

13、路和节点间的几何布置，用以表示网络的整体结构外貌。 p以中央节点为中心，由中央节点与各节点连接组成的，网络中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点 p各节点通过环路通信接口或适配器连在一条首尾相连的闭合形通信线路上，环路上任何节点均可以请示发送数据。请求一旦被批准，便可以向环路发送数据。 p利用总线把所有的节点连接起来，使这些节点共享总线，对总线有同等的访问权。 p通信中对介质的访问可以是随机的，即各站(节点)可在任何时刻，任意地访问介质，这种方式称为随机访问方式，也称为争用方式，常用的技术为CSMACD p通信中对介质的访问也可以是受控的，即各站(节点)可用一定的算法调整各站访问介质的顺序

14、和时间，这种方式称为控制访问方式，常用的技术有令牌总线和令牌环（或称之为标记总线和标记环）标记环） p通道利用方式 p传输介质 (二)网络体系结构 p从功能上对网络结构进行的描述 分层的功能子集 p较高层次建立在较低层次的基础上，较低层次为较高层次提供服务 接口 p分层结构的层与层之间通过接口相连(软件接口或硬件接口) p分层结构中最关键的问题 p通信协议是通信双方为实现正确通信所作的约定，所制订的规则。 p用N个比较简单的对等层通信协议取代一个错综复杂的整体式通信协议，使通信协议可由“分级构造方法”来实现，从而使实现的复杂性大大下降。p对等层通信协议的实现是一个把PCI包装上或从PDU上把P

15、CI拆装下来的过程 由语义、语法和定时三部分组成由语义、语法和定时三部分组成l语语 义：义：规定通信双方彼此规定通信双方彼此“讲什么讲什么”，即确定协议，即确定协议元素的类型元素的类型，如规定，如规定通信双方要发出什么控制信号，执通信双方要发出什么控制信号，执行的动作行的动作和返回的应答。和返回的应答。l语语 法法: 规定通信双方彼此规定通信双方彼此“如何讲如何讲”，即确定协，即确定协议元素的格式议元素的格式，如数据，如数据和控制信息和控制信息的格式。的格式。l定时定时关系：关系：规定事件执行的顺序，即确定通信过程中通规定事件执行的顺序，即确定通信过程中通信状态的变化信状态的变化相邻层数据流之

16、间的关系执行通信协议的包装与拆装过程 开放系统互联参考模型OSI p应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层 IEEE 802参考模型 p将OSI模型的最低两层分为三层，即物理信号层、介质访问控制层和逻辑链路控制层 层层 次次功功 能能7. 应用层应用层 提供电子邮件、文件传输等用户服务提供电子邮件、文件传输等用户服务6. 表示层表示层 转换数据格式，数据加密和解密转换数据格式，数据加密和解密5. 会话层会话层 通信同步，错误恢复和事务操作通信同步，错误恢复和事务操作4. 传输层传输层 网络决策，实现分组和重新组装网络决策，实现分组和重新组装3. 网络层网络层 路由选择，计费

17、信息管理路由选择，计费信息管理2. 链路层链路层 错误检测和校正，组帧错误检测和校正，组帧1. 物理层物理层 数据的物理传输数据的物理传输 异种网络互联原理p异种网互联要解决协议的相互转换问题 网间网的体系结构 p(1)应用层 p(2)传输层(TCP) p(3)网间网层(IP) p(4)网络接口层 异种网的协议转换TCP/IP网间网体系结构 p根据以太网物理层介质和速率的不同可分为多种类型 信号部件p一些标准化的电子部件(设备)，用来在以太网中接收和发送信号p(1)以太网接口p在计算机内部的可以使以太网系统工作起来的智能部件 (2)收发器发送器和接收器的组合 (3)收发器电缆 p将以太网接口和

18、收发器连接起来的电缆 (4)中继器 p信号部件，用于连接两个同轴电缆段端口 物理传输介质p常用的物理传输介质有同轴电缆、双绞线和光缆。在同一个以太网中，还可能包括不同类型的介质系统，并通过中继器连接，以组成一个网络信道。 10Base5网 p帧是指一系列标准化的数据位，用来在网络中传输数据。以太网系统的核心概念是帧。帧的构成规则和组织是构成以太网系统的关键 pDIX标准是Xerox、Intel和DEC三家公司发布的以太网技术规范，IEEE .3标准就是在其基础上制定出来的。前同步信号 p主要用于提供使所有接口识别一个正在传输中的帧所需的时间， 目的地址字段p每个以太网接口都分配了一个唯一的48

19、位地址，即接口的物理地址或者说是硬件地址。 源地址字段 p发出帧接口的物理地址，该地址是供高层协议用的。 类型字段 p用来说明以太网帧中的高级网络协议数据的类型 数据字段 p至少包括46个字节，最多为1 500个字节。网络协议软件应提供至少46个字节的数据，以满足以太网系统正常运行的要求。 FCS字段p也称为循环冗余码校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)段，这个32位字段包含的值是通过循环冗余检验的方法计算出来的，用来检验帧字段数据位的完整性(不包括前同步信号)。 (1)CSMA的帧发送过程pCSMA协议的帧发送过程如下：p一个节点在发送数据前，首先对总线进行监听，

20、确定介质是否空闲。p如果介质空闲，则发送；介质忙，则继续监听，直到介质空闲为止。p发送数据时，继续监听总线。一旦监听到碰撞产生，就立即停止发送，并向总线发送一串阻塞信号(JAM)加强冲突，以通知各个节点碰撞已发生。p碰撞发生后，应随机延迟一个时间量，继续争用总线。 (2)CSMA的帧接收过程p总线上的非发送节点始终处于监听状态，一旦发现总线上有数据传输，就立即启动帧接收过程。对接收的帧进行如下处理：滤除“帧碎片”，即若检测出接收到的帧长度小于最小帧长度限制，则认为该帧不完整，将其丢弃。检测帧的目的地址能否与本节点地址匹配。如果不匹配，则丢弃该帧。对帧进行CRC校验，如果CRC有错，则丢弃该帧。

21、进行帧长度校验。如果帧长不是8位的整数倍，则丢弃该帧。提取LLC协议数据单元(PDU)发送到LLC子层。 p按照国际电工委员会的定义，现场总线（Fieldbus）是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点的数据总线。 p以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称为现场控制系统(FCS) p现场总线反映了控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向 一、现场总线的特征 现场通信网络p通信线一直延伸到生产现场或生产设备中，是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互联的现场通信网络 。 p工业生产现场环境十分恶劣。由于采用数字信号代替模拟信号(例如，m

22、A DC信号)，因此，自控系统与设备有了通信能力。 现场装置互联p现场装置包括各类工业产品，它们是传感器、变送器和执行器，包括通断开关、过程变量(诸如温度、压力、流量)的转换器、转角发送器、控制阀、带电子驱动的电动机，等等。安装在现场的PLC和远方单回路调整器也属于现场装置。这些装置通过一对传输线互联。 互操作性p互操作性：用户希望将各制造商的性能价格比最优的产品集成在一起，以实现“即接即用”；希望对不同品牌的现场设备统一组态，以构成所需的控制回路。 分散功能块p FCS废弃了DCS的I/O单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场装置，从而构成虚拟控制站。p用户可灵活选用各种功能块

23、，构成所需控制系统，实现彻底的分散控制。仅靠现场装置即可完成诸如传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等自动控制的基本功能，并可随时诊断装置的运行状态。 通信线供电p通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式用于防爆安全环境的低功耗现场仪表。 开放式互联网络p既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联 ；p开放式互联网络还体现在网络数据库共享方面，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。p现场总线已不仅仅是一种工业总线，它是一个符合的开放式互联网络。 节省硬件与投资 p由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警

24、和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 节省安装费用p现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而使电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。p有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60%以上。 节省维护开销 p由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，因此用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，

25、因此 ，能尽早找出故障原因并快速排除，缩短维护停工时间；同时由于系统结构已简化，连线简单，因此，减少了维护工作量。 用户具有高度的系统集成主动权p用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免产生因选择了某一品牌的产品而“框死”了使用设备选择范围的问题，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权掌握在用户手中。 提高了系统的准确性与可靠性p现场总线设备实现了智能化、数字化；与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传输误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 pIEC在

26、综合了多种现场总线标准的基础上制定了现场总线通信协议模型(ISA为美国仪表学会，又名国际测量与控制学会的缩写)。它规定了现场应用过程之间的相互可操作性、通信方式、层次化的通信服务功能的划分、信息的流向及传递，并将上述内容以类似于ISO参考模型的方式进行了定义。 p现场总线的体系结构，省略了网络层、传输层、会话层及表示层这四层。这主要是针对工业过程的特点，使数据在网络流动中尽量减少中间环节，加快数据的传输速度，提高网络通信及数据处理的实时性。 p目前已存在若干种现场总线，它们之间区别最大之处在于数据链路层协议，尤其是这层中的介质访问控制(MAC)子层。MAC协议可分为如下三种类型。(1)集中式轮

27、询协议 p基本原理：网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点，被轮询的节点允许与其他节点通信。 (2)令牌总线协议p基本原理：IEEE4相同 。这是一种多主站协议，主站之间以令牌传输协议进行工作；持有令牌的站，可轮询其他站。 (3)总线仲裁协议p机理：类似于多机系统中并行总线的管理机制，即采用分时复用方式，将总线时间分成若干个“传输周期”；任一节点申请访问总线，由“总线仲裁”部分确定将下一个传输周期的总线使用权授给哪一个节点。 p1984年IEC就开始起草现场总线国际标准，但一直到1993年才通过了物理标准即IEC611。但数据链路层和应用层标准一直未能通过，经过长达15年争论之后，终于在200

28、0年1月4日形成了由多部分组成而非单一标准的IEC61158国际标准。该标准包括八种类型(Type)的现场总线。 (一一)Type 1现场总线现场总线p分为分为低速总线和高速现场总线。低速总线和高速现场总线。H总线主要用于现场级，其速率为总线主要用于现场级，其速率为.kb/s，以两线制向现场仪表供电，并能支持带，以两线制向现场仪表供电，并能支持带总线供电设备的本质安全总线供电设备的本质安全 。总线主要面。总线主要面向过程控制级、远程和高速工厂自动化向过程控制级、远程和高速工厂自动化的应用，其速率为的应用，其速率为b/s,2.5Mb/s和和100Mb/s。p基金会现场总线基金会现场总线(FF)是

29、是Type 1现场总线的一个现场总线的一个子集子集(Subset) p(二二)Type 2现场总线现场总线 p得到得到ControlNet International(CI)组织的支持组织的支持 p(三三)Type 3现场总线现场总线 p详见详见64节节 (四四)Type 4现场总线现场总线 p由丹麦由丹麦Process Data Sikebory Aps从从1983年开年开始开发，主要应用于啤酒、农业、仪器和饲养始开发，主要应用于啤酒、农业、仪器和饲养业，现已成为业，现已成为EN50170欧洲标准的第一部分。欧洲标准的第一部分。它得到它得到PNET(Process Automation NE

30、T)用用户组织的支持，在现场大约有户组织的支持，在现场大约有5000个应用系统个应用系统 (五五)Type 5现场总线现场总线 p即 为 I E C 定 义 的 H 2 总 线 ， 它 由 F i e l d b u s Foundation(FF)组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网(High Speed Ethernet,HSE)标准。该总线使用框架式以太网(Shelf Ethernet)技术，传输速率从100Mb/s到1Gb/s或更高 p采用了CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网IEEE802.3u标准的最新技术。Typ

31、e 5现场总线于2000年3月完成了规范制定、实验室和现场试验，并开始推向市场。这也标志着以太网开始全面进入工业自动化领域。 (六六)Type 6现场总线现场总线 pType 6 Swiftnet现场总线由美国现场总线由美国STAR协会主协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。路层，在标准中没有定义应用层。 (七七)Type 7现场总线现场总线 p成立于成立于1

32、987年的年的WorldFIP协会制定并大力推协会制定并大力推广广Type 7现场总线。现场总线。WorldFIP协议是协议是EN50170欧洲标准的第三部分欧洲标准的第三部分p数据链路层采用总线裁决数据链路层采用总线裁决(Bus Arbitrator)方方式式 (八八)Type 8现场总线现场总线 p由德国由德国Phoeniz Contact 公司开发，公司开发，Inter Bus Club俱乐部支持俱乐部支持 p设计一个四组抢答器，控制要求如下：设计一个四组抢答器，控制要求如下：p任一组抢先按下按钮后，该组的蜂鸣器要发出任一组抢先按下按钮后，该组的蜂鸣器要发出响声（一直响，除非复位），锁住

33、抢答器，其响声（一直响，除非复位），锁住抢答器，其它组抢答无效，抢答器设有复位开关，复位后它组抢答无效，抢答器设有复位开关，复位后可重新抢答。请设计该抢答器的梯形图程序可重新抢答。请设计该抢答器的梯形图程序（用（用S7-200PLC设计）。设计）。p 数字量数字量I/O信号如下：信号如下： 第一组第一组-第四组抢答按钮第四组抢答按钮(常开按钮常开按钮)I1.0I1.3, 第一组第一组-第四组抢答蜂鸣器第四组抢答蜂鸣器Q1.0-Q1.3,复位复位信号信号I1.4. pPLC网络通常在一个工业企业内构建，地理范围在10km以内。对于联网工作的PLC，p硬件上要增加通信接口、通信模块、电缆或光缆以及

34、相应的通信器(部）件。p软件上要配备符合网络协议的通信程序。 p(一)ISO企业自动化系统模型 p高三级负责经营管理，低三级负责生产控制和过程监控。如果通过一个控制系统把这六级功能全部集成起来，实现各级优化进而全局优化，那么这就是目前所说的全局CIMS系统。p在现实条件下，用PLC网络实现低三层或低四层功能，构成所谓低成本CIMS系统 1.A-B公司的PLC网络p 是三级总线复合型拓扑结是三级总线复合型拓扑结构。最底一级为远程构。最底一级为远程I/O系系统，负责收集现场数据，统，负责收集现场数据，驱动执行器，在远程驱动执行器，在远程I/O系系统中配置了周期统中配置了周期I/O通信机通信机制。中

35、间一级为高速数据制。中间一级为高速数据通道通道DH+(或或DH，DH)，它负责过程监控，在高速它负责过程监控，在高速数据通道中配置令牌总线数据通道中配置令牌总线通信协议。最高一级可选通信协议。最高一级可选用以太网或者用以太网或者MAP网，这网，这一级负责生产管理。一级负责生产管理。 (二二)几个几个PLC网络结构网络结构 p采用复合型结构，分为三层，分别为下位、同位、上位连接系统。p下位连接系统位于最下层，负责现场数据的采集及执行元件的驱动，它以一台PLC为主，通过远程I/O链接把远程I/O单元、远程终端及I/O链接单元互联在一起；同位连接系统居于中间，负责控制，它将数台PLC互联在一起；p上

36、位连接系统处于最高层，负责整个系统的监控优化，它以计算机为上位机，将作为下位机的PLC互联在一起。 p将PLC网络分成若干级通信子网 p不同层所实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，因此，它们对通信的要求也就不一样。在上层所传输的主要是些生产管理数据，通信报文长，每次传输的信息量大，要求通信的范围也比较广，但对实时性的要求却不高。在底层传输的是些过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及可靠性的要求却比较高。中间层对通信的要求正好居于二者之间。 p目前PLC网络采用分级分布式复合结构时，一般分为三级(层) 1.管理层p整个网络的最高层次。整个系统的图文显示，

37、管理决策的制定与实施，各子系统间或与外系统间的数据互换以及数据库管理等职能都属于这个网络层次的范畴，它同时又是广域网的节点。以太网协议是管理层最常用和值得推荐的通信协议。 2.控制层 p这个层次的各个子站都是控制或监控功能的集成节点。 p开放式、标准的现场总线是构成此层面的技术基础 3.现场层p这个层面上的各个子站都紧靠现场的传感器和执行器。传感器信号或现场数据能及时、准确地被采集，系统对执行器的指令能迅速地贯彻。 控制层和现场层具有以下特点 (1)标准化的现场总线模式p必须是标准的现场总线，并具备总线式和树状灵活的拓扑结构，同时必须有开放式的现场总线支持(Open Fieldbus Supp

38、ort)，其数据传输率不能低于500Kb/s。 (2)智能分布式拓扑结构其特点 ：p设备既可通过当地人机界面控制，又可以通过主站控制。p当主站出现问题时，其他从站能照常工作；当某一从站出现问题时，主站与其他从站能照常工作；当某一站出现问题时，有错误记录功能，待重新恢复时，能够进行错误分析。 p主站的计算机可接入控制层的任意一子站中。 p PLC网络中配置的通信协议分为两类：一类是通用协议；一类是各公司专用协议 p PLC网络的高层子网配置的通用协议通常为以太网协议，多数公司均提供一个支持TCP/IP的以太网接口。PLC网的互联，PLC网与其他局域网的互联将通过高层来实现。 p PLC网络的中间

39、层子网往往采用各公司的专用协议。由于中间层负责监控数据，数据长度介于控制数据与管理数据之间，对实时性要求比较高，所以常用令牌方式控制通信，也有采用主从方式控制通信的。pPLC网络的低层子网也常采用各公司的专用协议。最底层用于传递控制数据及控制命令。这种数据很短，对实时性要求较高，故常采用周期I/O方式通信。 (一)PLC控制网络的通信类型 p PLC控制网络是指以传输开关量数据为主，传输数字量数据为辅，并且每次传输的数据量较少的网络。1.周期I/O方式 p 主站中的“远程I/O缓冲区”进行周期性的刷新，相当于直接访问了远程I/O单元。适用于少量数据的通信 2.全局I/O方式p一种串行共享存储区

40、通信方式，它主要用于带有链接区的PLC之间的通信。 p在PLC网的每台PLC的I/O区中各划出一块用来作为链接区，每链接区都采用邮箱结构。相同编号的发送区与接收区大小相同，占用相同的地址段，一个为发送区，其他皆为接收区。采用广播方式通信。 p等值化过程使得PLC网中的每台PLC的链接区中的数据保持一致，适用于少量数据的通信，但通信速度较快。(二二)PLC通信网络的通信类型通信网络的通信类型 p PLC通信网络是指传输数字量为主，传输开关量为辅，并且每次传输的数据量通信网络是指传输数字量为主，传输开关量为辅，并且每次传输的数据量较大的网络较大的网络1.主从总线方式主从总线方式p 在总线结构的在总

41、线结构的PLC子网上有子网上有N个站，其中，只有个站，其中，只有1个是主站，其他皆是从站。个是主站，其他皆是从站。p 主从总线方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮询表法主从总线方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮询表法p 轮询表是一张从机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照轮询表的排列轮询表是一张从机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照轮询表的排列顺序对从站进行询问顺序对从站进行询问 p为了保证实时性，要求轮询表包含每个站，且一个轮询周期中询问不能少于一次 p两种基本的数据传输方式。一种是只允许主从通信，不允许从从通信，从站与从站要交换数据，必须经主站中

42、转。另一种是既允许主从通信也允许从从通信，从站获得总线使用权后先安排主从通信，再安排自己与其他从站(即从从)之间的通信。 2.争用主线方式p适用于总线结构的PLC网络；总线上各站地位平等，没有主从之分。p优点是在负载不重时有较高的网络传输效率，并且基本上没有时延。缺点是当负载很重时，由于争用冲突增多，网络效率下降 p适用于PLC网中的上层即对实时性要求不高的生产管理子网 3.令牌环方式 p采用环型结构时，通信类型可采用令牌环方式，不会发生访问冲突，且具有较好的实时性。p令牌在物理环中一站接一站地传输，获得令牌的站才有权发送数据p有控制的通信，通信发送的时延是确定的，并且对负载的轻重是不敏感的，

43、所以比较适合在实时系统中使用 4.令牌总线方式 p在物理总线上组成一个逻辑环 p和争用总线方式一样采用总线网络拓扑，但在介质访问控制方面，又和令牌环方式一样采用有控制的令牌方式。p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和从站之分，也可以说N个站都是主站。 5.浮动主站方式 p采用令牌与主从总线相结合的存取控制技术 p适用于总线结构的PLC网。设在总线上有M个站，其中N个为主站，其余为从站(NM)。lN个主站组成逻辑环，通过令牌在逻辑环中依次流动，在N个主站之间分配总线使用权，这就是浮动主站的含义。获得总线使用权的主站再按照主从方式来确定在自己的令牌持有时间内与哪些站通信。一般

44、在主站中配置有一张轮询表，可按轮询表上排列的其他主站号及从站号进行轮询。获得令牌的主站对于用户随机提出的通信任务可按优先级安排在轮询之间或之后进行。 (一一)概述概述 网络类型网络类型 (1)国际标准的通信网络类国际标准的通信网络类型型 工业以太网工业以太网 按照IEEE(以太网)国际标准设计的用于区域和单元联网的通信网络，能应用各种传输介质(同轴电缆、工业双绞线、光缆)，传输速率可达10Mbs。最近又推出符合IEEE 802U国际标准，传输速率为100Mbs的“快速以太网”。工业以太网是采用争用总线方法(CSMA)的通信类型。的通信类型。 PROFIBUS 现场总线p 满足IEC61158国

45、际标准和EN50170欧洲标准的要求。主要适用于车间级和现场级的PLC网络通信p PROFIBUS的通信类型属于浮动总站方式的范畴。 AS-i接口 传感器-执行器接口p 符合IEC TG 17B国际标准和EN50295欧洲标准。它在现场级通信中非常实用。它通过直接相连的电缆(双绞线)传输简单的二进制编码的信号，与PROFIBUS的强大功能相比，它只传递开关、位置等少量数据，但它最大优点是可以用通信电缆直接供电。连接长度为100m，带中继器扩展器的最大连接长度为300mp ASi的通信类型为主从总线方式。 (2)专用通信网络类型 p MPI网 小范围的通信网络p MPI接口集成在S7系列PLC(

46、包括S7200、S7300、S7400等)、PCPG等内部，用于配置小范围的通信网络。p 可用于PLC之间进行少量的数据交换，可在PLC与编程、监控设备(如PGPC)之间进行数据通信。它不需要额外的硬件和软件，不但成本低，而且用法简便。传输速率可达kb/s。 S7-115U/H, S5-135US5-155U/H, SIMATIC 505S5-95US7-400M7-400S7-300M7-300STEP 7S7-22xOPPG/PC19.2 或 187.5 Kbp MPI网络通信类型为：当通信设备全为S7300 PLC时为令牌总线方式；当网络中有S7300 PLC(主站)和S7200 PLC

47、(从站)时，为主从总线方式。 S7-115U/H, S5-135US5-155U/H, SIMATIC 505S5-95US7-400M7-400S7-300M7-300STEP 7S7-22xOPPG/PC19.2 或 187.5 Kb PPI网络 为S7-200系列PLC开发的通信协议可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。传输速率可达kb/s。S7200系列PLC的CPU上集成的编程接口同时就是PPI通信的联网接口。S7-222 / 224 / 226 主 站 或 从 站S7-221 从 站STEP7-Micro-winTD200PPI 协协 议议端口ASIEMENSSIMATICS7-2

48、00CPU 214SFRUNSTOPI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5Q1.0Q1.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7触摸屏触摸屏p利用PPI通信协议进行通信非常简单方便，只用NETRNETW两条语句即可进行数据信号的传输，不需额外再配置其他模块或软件。pPPI网络通信类型为：当只有一个主站时，为主从总线方式；当有多个主站时，为浮动主站方式。S7-222 / 224 / 226 主 站 或 从 站S7-221 从 站STEP7-Micro-winTD200PPI 协协 议议端口ASIE

49、MENSSIMATICS7-200CPU 214SFRUNSTOPI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5Q1.0Q1.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7触摸屏触摸屏 点对点接口 自由通信方式p使得PLC可以与任何通信协议公开的其他设备控制器进行通信 第三方第三方PLCPLCS7-200打印机打印机 条条 码码 阅阅 读读SIEMENSSIMATICS7-200CPU 214SFRUNSTOPI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1

50、.4I1.5Q1.0Q1.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7 调制解调调制解调器器 监监 控控 端端 软软 件件 PG/OPPROFIBUS以太网以太网MPI505S7-300S7-400S7-400S5-115US5-135US5-155U505S7-400管理计算机S5-115US7-300PG/PCS7-200 LOGO!ActuatorsSensors2.网络部件p(1)网络连接器 也称RS485总线连接器 p将网络通信接口(也包括编程接口)与网络电缆连接在一起 (2)网络电缆 (3)网络中继器p 可以放大信号、扩展节点间的连接距离，也可以用作抗干扰隔离

51、 网络通信接口 (1)PLC集成通信接口p例如，S7300系列PLC中的CPU3152DP(CPU模块)上就集成了PROFIBUSDP总线通信接口，这样PLC就可直接连接到PROFIBUSDP网络上。(2)PLC通信模块 p包括接口模块(IM)、接口子模块(IF)和通信处理器(CP) p例如，CP3425通信处理器就是一种将S7300系列PLC连接到PROFIBUSDP网络上的通信模块。 (3)PC通信适配卡(器)p它们可将PC连接到相应的网络中去。p例如，CP5611卡可直接插入到PC机的PCI槽上。卡上有9针总线连接器插座，用来连接PROFIBUS或MPI网络。连接入网，并经过COM PR

52、OFIBUS软件配置后，它便具备了强大的通信功能，使得PC机成为PLC的编程和监控设备。网络通信功能 pSIMATIC NET可实现多种网络通信功能。实际运用中，需要根据网络的大小，通信数据量，节点数，实时性和扩展能力等选择其中一种或几种功能。 (1)PG通信p具有“集成”的通信功能，它能在S7系列PLC和人机界面HMI单元(包括OP操作面板等)以及PG编程器(STEP7)之间进行数据通信。MPI、PROFIBUS和工业以太网均支持PG通信。 (2)S7基本通信p S7系列(S7300，S7400)CPU中集成的通信功能软件模块集(SFC)。它由用户编程调用。每个作业的最大用户数据量为76B，

53、属于小数据量通信任务范畴。pS7基本通信由MPI网实现。 (3)S7通信 p扩充的集成软件通信模块集(SFB)。除了能在PLC、PG、HMI之间通信外，S7通信功能允许用户连接PC机和工作站。用户编程调用相关的SFB软件模块，可使每个作业的最大数据量达到64KB。pS7通信可用MPI、PROFIBUS以及工业以太网实现。 (4)S5兼容通信(SENDRECEIVE) p用于S7系列PLC与S5系列PLC之间进行通信。它只能通过PROFIBUS和工业以太网实现。 (5)标准通信p对于PROFIBUS网络而言，标准通信是指FMS通信，它可用于不同供应商的PLC系列之间传输数据。 p对于工业以太网而

54、言，标准通信有三种类型，即IT通信(采用E_mail和Web技术)、Socket通信和MAP通信。 (6)全局通信(GD) p上述各类通信功能是由事件驱动的通信，而全局通信是由时间周期驱动的通信。通过全局通信，S7系列PLC之间可以周期性地交换数据。全局通信只可以通过MPI网络进行。(二)MPI网络通信pS7300、S7400的PLC可以通过MPI接口组成PLC的MPI网络，S722X PLC作为从站也可以接入MPI网络。MPI网络能使PLC之间进行少量数据交换，不需要额外的硬件和软件，不但成本低，而且用法简便。 p用STEP7软件包中的Configuration功能为每个网络节点分配一个MP

55、I地址和最高地址 p能实现两个或多个PLC之间的数据共享。S7 PLC的程序中的功能块FB、功能块FC以及组织块都能用绝对地址或符号地址来访问全局数据。 (1)全局数据块(GD块) p发送或接收的数据称为全局数据，或者称为全局数据块 p全局数据块(GD块)分别定义在发送方和接收方CPU的存储器中，依靠GD块，为发送方和接收方的存储器建立了映射关系。p在PLC运行时，发送CPU在它的扫描循环末尾发送GD，接收CPU在它的扫描循环的开头接收GD，这样发送GD块中的数据对于接收方来说是“透明”的，即发送GD块中的信号状态会自动影响接收GD块；接收方对接收GD块的访问就相当于对发送GD块的访问p全局数据可以由位、字节、字、双字或相关数组组成，它们被称为全局数据的元素 p一个全局数据块(GD)由一个或几个GD元素组成，最多不能超过24B （）全局数据环(GD环) p全局数据块的一个确切的分布回路p典型的全局数据环有两种：一种是两个以上的CPU组成的全局数据环，一个CPU作GD块发送方时，其他的CPU只能是该GD块的接收方；另一种是两个CPU构成的数据环，一个CPU既能向另一个CPU发送数据块，又能接收数据块。 p其实MPI网络进行GD通信的内在方式有两种，当GD环中仅有两个CPU时，可以采用类全双工点对点方式，不能有其他CPU