工控网基础讲稿

1、 工业控制网络基础工业控制网络基础上海电机学院上海电机学院 仲葆文仲葆文工业控制网络在工业生产中已得到广泛的应用西门子工控网在啤酒生产线中的应用 一、工业控制网络的基本概念 二、通信方式与串行通信接口 三、网络的类型 四、常用网络设备 五、 构成通信网络的数据传输介质$1 概述 一、工业控制网络的基本概念 工业控制网络是一种把整个工厂中各个生产流程和自动化控制系统通过各种通信设备组织为一个整体的一种通信网络。 在这个通信网络中，可有各种不同结构、遵守各种不同通信协议的通信系统存在，其中主要是工业以太网和工业现场总线。 工业以太网Industrial Etherenet 按IEEE 802.3标

2、准建立的开放的通信系统，用于传输大量数据，可与远程网络连接 工业现场总线按现场总线标准建立的开放的通信系统，用于现场控制和数据交换 点到点通信ptp用于2个点之间的通信，如PLC与PLC、PLC与PC、PLC与人机接口、打印机、条码扫描器、读卡器等设备连接。工厂自动化网络结构 1现场设备层 主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。 一般采用现场总线如Profibus-DP，也可用PtP。2车间监控层 车间监控层又称为单元层，用来完成车间主生产设备之间的连接，实现车间级设备的监控。 车间级监控包括生产设备状态的在线监控、设

3、备故障报警及维护等。通常还具有生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。3工厂管理层 车间操作员工作站通过集线器（HUB）或交换器（SWITCH）与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。 车间管理网又作为工厂主网的一个子网，通过交换机、网桥或路由器等网络设备连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。 工厂管理层又称信息层，一般使用以太网技术，这一层关注的焦点是高速的数据包传输和高容量的数据共享。返回返回提纲提纲二、通信方式与串行通信接口1. 计算机的通信方式(1)并行通信与串行通信 并行通信是以字节（8位）或字（16位）为单位的数据传输方式，有8根或16根数据线、1根公共线以传输

4、数据，另外还有一些通信双方联络用的控制线。并行通信速度快，但因传输线的数量多，抗干扰性差，一般用于近距离的数据传送，例如PLC的模块之间的数据传送。 串行通信是以二进制的位（bit）为单位的传输方式，每次只传送1位，最少只需要2根线（双绞线）就可以连接多台设备，组成控制网络。串行通信需要的信号线少，适用于距离较远的场合。 串行通信的传输速度要比并行通信慢。（2）异步通信与同步通信 串行通信中，接收方和发送方应使用相同的传输速率。但由于双方使用的传输速率存在微小的误差，会形成累积误差而使发送和接收的数据造成错位，使接收方收到错误的信息。 为了解决这一问题，需要使发送过程和接收过程同步。按同步的方

5、式不同，串行通信分为异步通信和同步通信。 异步通信异步通信的字符信息格式如图，每发送1个字符（数据），由1位“起始位”开始，接着是78位“数据位”，然后是1位“奇偶校验位”（也可以没有），最后是12位“停止位”。 双方对格式和传输速率约定相同。 接收方在收到停止位与起始位之间的下降沿时，将它作为接收的起点，在每一个时钟脉冲（代表1位）的中间接收信息。由于接收的位数不多，即使双方的时钟频率有微小的误差，其累积误差也不会过大而造成错位。 同步通信同步通信以字节为单位，每次按约定传送12个同步字符（作为通知对方开始接收）、若干个数据字节和校验字符。 同步通信时，双方采用同一个时钟脉冲以保持完全的同步

6、。接收方通过调制解调的方式在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方同步的接收时钟信号。 同步通信不必在每一个数据字节上加上起始位、停止位、奇偶校验位，因此传输效率较高，但对硬件要求较高。 （3）单工和双工通信 单工方式只能沿单一方向传输数据，即某一方只能发送或只能接收； 双工方式可以沿两个方向传输数据，每一方既能发送也能接收。双工方式又可分为全双工方式和半双工方式：全双工方式是通信双方在同一时间可同时 发送和接收数据（同时）半双工方式是通信双方在同一时间只可发送数据或接收数据（分时）（4）传输速率 串行通信中传输速率的单位是波特（bit），又称为波特率，符号是bit/s或bps，即每秒传

7、送的二进制位数。 常用的波特率有9600bps、19200bps、38.4kbps、1.5Mbps、10Mbps等2. 串行通信接口的标准（1）RS-232C 由美国EIC（电子工业联合会）于1969年公布的通信协议。该协议规定采用负逻辑，用-15-5V表示逻辑“1”，+5+15V表示逻辑“0”。使用9针和25针DB型连接器。当通信距离较近时通信双方可直接连接。 最简单的情况，在通信中不需要控制联络信号，只需要3根线（发送线、接收线、信号地）便可实现全双工异步串行通信。RS-232C采用共地传送方式，容易引起共模干扰。RS-232C最大通信距离为15m，最高传输速率为19.2kbit/s，只能

8、进行一对一的通信。（2）RS-422A RS-422A也是一种异步串行通信协议，它采用平衡驱动、差分接收电路(见图)，共模信号可以互相抵消。它从根本上取消了信号地线，从而消除了由公共地线引入的干扰。 平衡驱动器相当于2个单端驱动器，其输入信号相同，2个输出信号互为反相信号。 外部输入的干扰信号是以共模方式出现的，2根传输线上的共模干扰信号相同，而接收器是差分输入，只对差模信号进行处理，共模信号可以互相抵消。只要接收器有足够的抗共模干扰能力，就能克服外部干扰。 RS-422A最大传输速率为10M Bit /S（此时允许的最大通信距离为12m）。 最大通信距离为1 200m（此时的最大传输速率为1

9、00 kbit/s）。一台驱动器可以连接10台接收器。广泛地用于计算机与终端或外设之间的远距离通信。RS-422是全双工操作，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收。数据通过4根导线传送（4线操作）。（3）RS-485 RS485是RS-422A的变形，RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收。使用RS-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统。 RS-485为半双工2线操作，一对平衡差分信号线不能同时发送和接收。系统中可以有32个站。新的接口器件已允许连接多达128个站。返回提纲返回提纲三、网络的类型 网络可以按其传输媒体分类（有线网、无线网），也可按

10、其传输速率分类（低速网、中速网、高速网），通常按其逻辑结构拓扑结构分类。 网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，把计算机等网络单元抽象为点，把网络中的通信媒体（如电缆）抽象为线，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构。1. 星型拓扑结构 每个节点均以1条单独的通道与中心节点相连，任何2个节点之间的通信必须通过中心节点转接，中心节点是控制中心。 星形结构的优点是建网容易，控制简单。它的缺点是网络共享能力差，可靠性低。如果一旦中心节点出现故障，则会导致全网瘫痪。2. 环型拓扑结构 网络中各节点通过1条首尾相连的通信链路连接而成1个闭合环型结构网，数据在环上单向流动。由于各节点共享环路，因此需要采取措

11、施（如令牌控制）来协调控制各节点的发送。 环型结构的优点是无通道选择问题，它的缺点是不便于扩充，系统响应延时大 令牌网：（Token Ring 或 Token Bus)l 令牌网络结构分为令牌环和令牌总线l 在令牌网络中，媒体访问控制是通过令牌的特殊标志来实现的。令牌是一个特殊的控制帧，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。l 令牌有“空”和“忙”两种状态。持有令牌的装置可以发送信息。l 发送站首先把令牌的状态置为“忙”，并写入要传送的信息（数据 发送站名 接收站名）送入环网传输。l 令牌沿环网一周后返回发送站时，信息已被接收站拷贝，发送站把令

12、牌的状态为“空”，送入环网继续传输，以供其它站使用。l 令牌传递总线能提供实时同步操作，传送效率高，适于频繁，较短的数据传送。因此它更适合于需要进行实时通信的工业控制网络系统。3. 树型拓扑结构 树型拓扑结构是天然的分层网络结构。其特点是网络成本低，结构比较简单。树型结构非常适合于分主次、分等级的层次型管理系统。4. 总线型拓扑结构 总线型结构是最普遍使用的一种网络拓扑结构。它是将各个节点和1根总线相连。总线型结构的特点是网络结构简单、灵活、可扩充性好、可靠性高、资源共享能力强。但由于同环型结构一样采用共享信道，因此需处理多站争用总线的问题。 以太网就是采用这种网络拓扑结构。（CSMA/CD，

13、带冲突检测的载波侦听多路访问）返回提纲返回提纲四、常用网络设备 为了实现网络资源共享，须将处于同一地域或不同地域的、同类型或不同类型的网络互相连接起来（网络互联）。网络互联一般都不能简单地直接相连，而需要通过一定的网络设备进行连接。 工控网中常用的网络设备有网卡、集线器、路由器及光/电交换器等。1. 网卡 网卡（网络接口卡）是局域网的接入设备，是计算机与网络之间的桥梁。 网卡的作用： 读入由其它网络设备传输过来的数据包，将其变换成计算机能识别的数据（解包），通过计算机内部总线将数据传输到CPU、RAM或硬件驱动器中； 将PC设备发送的数据打包后输送到其它网络设备中去。2. 中继器 中继器是连接

14、网络线路的一种装置，用于延长网络的长度。线路上传输的信号会发生衰减，因此线路距离有一定的限制。中继器可将信号进行放大后再次发送，通过中继器可将线路接长而信号衰减仍在允许范围内。3. 集线器（HUB） 集线器实际上是一种中继器的扩展形式，它与中继器的区别在于能够提供多端口服务，因此可称为多口中继器。4. 交换器（SWITCH） 交换器类似集线器，具有多个端口，在每个端口上可连接1个网络设备。 交换器与集线器的区别：集线器相当一个简单的共享设备，在同一段时间内只能有2个设备通过集线器进行通信；而交换器通过内部的电路处理后可对各个端口提供相互通信的通道，使同一时间内可有多台设备同时发送信息，从而使数

15、据传输的效率更高。 目前出现的交换式集线器使集线器具有交换的功能，使集线器和交换器已没有了本质的区别。 使用光纤进行通信的交换器称为光交换器（OSM），它具有光纤接口，在光纤端口上具有将光信号与电信号进行转换的功能，因而可使用光纤通信，速度为100Mbit/s。 既能使用光纤，也能使用信号电缆的交换器称为光电交换器（OSM/ESM），它既有通常的网线接口（如RJ-45），也具有光纤接口。6.通信处理器 常用的工业以太网通信处理器（CPCommunicaton Processer，通信处理单元），包括用在S7 PLC站上的处理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等。 S7

16、-300系列PLC的以太网通信处理器是CP343-1系列，按照所支持协议的不同，可以分为CP343-1、CP343-1 ISO、CP343-1 TCP、CP343-1 IT和CP343-1 PN，如图所示。 通过CP343-1模块，用户可以很方便地将S7-300系列PLC通过工业以太网进行连接，并且支持使用STEP7软件，通过以太网对S7-300进行远程组态、编程和诊断。同时，S7-300也可以同S7-200、S7-400系列PLC进行以太网的连接。 CP343-1 返回提纲返回提纲五、 构成通信网络的数据传输介质传输介质在通信双方之间传输 信号的物质常用传输介质： 双绞线 同轴电缆 光缆1.

17、 双绞线 双绞线是最常用的传输介质，通信距离可达十几km，当通信距离过长时，要加放大器或中继器 双绞线电缆中封闭着1对或几对双绞线，在其外面再包上硬的护套。每一对双绞线由2根绝缘铜导线按一定的密度互相绞合在一起，用以降低信号干扰的程度。在每根导线的绝缘层上分别涂上不同的颜色以示区别（如4对双绞线的电缆中各导线的颜色是：白桔、桔；白绿、绿；白兰、兰；白棕、棕。 双绞线分为非屏蔽的双绞线（UTP，常称为TP）和屏蔽双绞线（STP，常用的有工业双绞线ITP）。非屏蔽双绞线常用RJ-45接头（水晶头）与其它设备连接，工业双绞线ITP使用9针或15针的D型接头） 非屏蔽双绞线根据电气特性分为5类，100

18、Mbps以太网使用的是5类线，超5类线用于千兆以太网。TPITP2. 同轴电缆 同轴电缆由内导体铜芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及塑料保护层构成。 同轴电缆分两种：50的和75的同轴电缆。根据直径的不同，又分为粗缆和细缆二种。 50的同轴电缆用于数字传输，常用于局域网，75的同轴电缆既可传输数字信号，也可传输模拟信号，是电视天线和宽带网使用的标准电缆。3. 光缆 光纤是光导纤维的简称，结构与同轴电缆类似，只是其中心是光传播的玻璃纤维，没有网状屏蔽层。多条光纤组成一束构成光纤电缆。 光纤通信是利用光纤传递光脉冲来进行通信，有光脉冲相当于“1”，没有光脉冲相当于“0”。为使光纤能传输信号，光

19、纤两端须配有光发射机和光接收机。光发射机用发光二极管或激光二极管把电信号转换为光信号；光接收机用光敏晶体管把光信号转换为电信号。光纤用光信号传输信息，不受电磁干扰影响。 光纤主要分为单模和多模两大类。 单模光纤的纤芯直径很小（810m），在给定的工作波长上只能以单一模式传输； 多模光纤的纤芯直径较粗（50200m），在给定的工作波长上能以多个模式同时传输。 在传输性能上，单模光纤要比多模光纤好，光信号损耗小、数据传输率高、传输距离长（达25km）。网络工程中，一般采用62.5m/125m的多模光纤，户外布线距离大于2km时可选用单模光纤。 光纤通信时具有单向传输的特性，对双向传输的通信设备需同

20、时接入一对光纤：一根作为发送，另一根作为接收用。$2 西门子S7-300PLC的通信功能 S7-300有很强的通信功能：CPU模块集成有MPI和DP通信接口，有Profibus-DP和工业以太网的通信模块，以及点对点通信模块。通过MPI、Profibus-DP、工业以太网、PtP等通信网络，在主站和从站之间、工作站和分布式I/O之间可以周期性地自动交换数据。在各自动化系统、PLC、计算机、人机界面之间均可以交换数据。数据通信可以周期性地自动进行，也可由用户程序块调用。一、 S7-300的通信网络1. MPI通信网络 MPI是多点接口的简称。 S7-300 CPU都集成 了MPI通信协议和MPI

21、的 物理层RS-485接口。最大传输速率为12M Bit /S。 PLC通过MPI能同时连接 运行STEP 7 的编程器 计算机 人机界面（HMI） 及其它SIMATIC S7 M7 和C7。2. PROFIBUS工业现场总线PROFIBUS是用于车间级监控和现场层的通信系统。 S7-300 PLC可以通过通信 处理器或集成在CPU上的Profibus - DP接口连接到Profibus - DP网上。 通过ProfiBus网络能够实现高速和使用方便的分布式I/O控制。 Profibus 的物理层是RS-485接口。最大传输速率为12M Bit/S，最多可以与127个节点进行数据交换。网络中可

22、以串接中继器，用光纤通信距离可达90Km。 主站设备带有PROFIBUS-DP接口（或带有通信模块）的S7-300/400的CPU PG和OP。 从站设备分布式I/O设备ET200；配置通信处理器或带有DP接口的S7-300 S7-400；带有EM277通信模块的S7-200；数控系统、机械手、变频器及其它非西门子的装置。3.工业以太网 工业以太网用于工厂管理层和单元层的通信系统。用于对时间要求不太严格，需要传送大量数据的场合。 西门子的工业以太网的传输速率为10M /100M bit /s，最多可以达到1024个网络节点，网络的最大范围为150km。 S7-300通过通信处理器CP 343-

23、1及光纤、双绞线与工业以太网连接。4. 点对点连接(Point to Point) 点对点连接可以连接两台 PLC、或PLC连接计算机 打印机和条码阅读器等。 可通过CPU 313C-2PtP、CPU 314C-2PtP集成的通信接口，或CP340、CP341等通信处理模块建立点对点连接。 点对点连接的接口可以是20mA电流环（TTY） RS-232C RS-422和RS-485，可以使用的通信协议有ASCII、3964（R）、RK512等。 全双工模式（RS-232C）最高传输速率19.2 Kbps，半双工模式（RS-485）最高传输速率38.4 Kbps。二、 S7 通信的分类S7通信可以

24、分为三类:l全局数据通信l基本通信l扩展通信。全局数据通信全局数据（GD）是指整个系统中可以共享的数据 全局数据通信通过MPI接口在CPU间循环交换数据。 用全局数据表来设置各CPU之间需要交换的数据存放的地址区和通信的速率，通信是自动实现的，不需要用户编程。 S7-300 CPU 每次最多可以交换4个含有22B的数据包，最多可以有16个CPU参与数据交换。2. 基本通信（非配置的连接） 这种通信可以用于所有的S7-300 CPU ，通过MPI或站内的通信总线来传递最多76B的数据。 在用户程序中用系统功能（SFC）来传送数据。在调用SFC时，通信连接被动态地连接。3. 扩展通信（配置的连接）

25、 这种通信可以用于所有的S7-300 CPU ，通过MPI，PROFIBUS和工业以太网最多可传递64KB的数据。 在用户程序中用系统功能块（SFB）来传送数据。在S7-300中可以用SFB14 “GET”和SFB15 “PUT” 来读/写远端CPU的数据。 这种方式需要用连接表配置连接，被配置的连接在站启动时建立并一直保持。一、Profibus总线和站点之间的连接l Profibus-DP总线以RS-485为底层的通信协议，用光缆或屏蔽双绞线作为传输媒介。使用屏蔽双绞线电缆时最长通信距离为9.6KM，使用光缆时最长通信距离为90KM。传输速率9.6K12Mbps, 一个总线段最多可以接32个

26、站点或有源网络元件（中继器、OLM等）。带中继器最多可以接127个站，中继器一般不超过3个。$3 PROFIBUS-DP的应用D型总线连接器PROFIBUS标准总线推荐总线站与总线的相互连接使用9针D型连接器。 总线终端器几乎所有标准的PROFIBUS总线连接器上都集成了总线终端器，可以由跳接器或开关来选择使用它。ProfiBus-DP网络中的从站是进行输入信息采集和输出信息发送的外围设备，它只与组态它的DP主站交换用户数据。DP从站分为3类： 分布式I/O（非智能型I/O） PLC智能DP从站（I从站） 具有PROFIBUS-DP接口的其他现场设备（1）分布式I/O（非智能型I/O） 分布式

27、I/O单元中没有程序存储和程序执行功能，它只能接收主站的指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。 通常分布式I/O单元由主站（如S7-300）在STEP 7的硬件组态中统一进行I/O编址，在主站的编程中将分布式I/O当作主站本身的I/O一样进行使用。 常用ET200M作为分布式I/O使用，它可以使用S7-300全系列的模块，最多可以扩展8个模块，连接256个I/O通道。使用ET200M时需要1块ET200M接口模块（IM153）来实现与主站的通信。 还可使用非西门子系列的I/O模块作为分布式I/O，如VIPA（德国惠朋公司）的远程I/O模块SM153。ET200M

28、VIPA SM153（2）智能DP从站（I从站）： 可以用另外的PLC（智能型I/O）作为智能从站。该从站本身具有独立执行程序的能力，同时还可与主站交换数据，在它的存储器中有一片特定区域作为与主站通信的共享数据区。 在设立智能从站时，需先在STEP 7的硬件组态中对主站和从站分别定义数据输入区域和输出区域的地址。（3）具有PROFIBUS-DP接口的其他现场设备 如西门子的SINUMERIK数控系统、SITRANS现场仪表、MicroMaster变频器、SIMOREG DC-Master直流传动装置等都可配置PROFIBUS-DP接口，可以作DP从站，受主站控制。 其它公司支持DP接口的输入/

29、输出、传感器、执行器或其它智能设备，也可以接入PROFIBUS-DP网络。二、硬件及通信组态硬件及通信组态 连接在Profibus电缆线上的站点需在编程软件STEP7上通过硬件组态才能与主站建立通信关系。 硬件组态时要按照实际配置的硬件设备进行设置。 先设置站点，再建立网络，然后在网络上依次挂上各个从站，并对主站及各个从站设置地址。添加I/O，修改I/O地址编译并保存，下载实例介绍： 触摸屏远程控制电机控制要求： 通过触摸屏界面编程，在界面上绘制启动、停止、点动三个按钮；绘制速度设定文本框，要求通过数字键盘输入给定频率（050HZ）；绘制频率监视以及故障监视文本框，实现实时频率和变频器故障监视

30、。（如图） 触摸屏通过MPI电缆同PLC连接，并通过PLC对电动机实现实时监控。 PLC的CPU模块选用CPU314C-2DP，用DP接口连接分布式I/O模块和1台西门子MicroMaster 440变频器作为从站，通过DP通讯控制电机运转、变速、停止。并读取MM440启动、停止、故障状态及频率到PLC，并且以数字表的形式在触摸屏上显示（1） 变频器的Profibus通信协议（USS）数据通信格式（报文格式）为：协议头用户数据协议尾PKWPZDPKW区是参数识别数值区，最多可包括4个字： PKE主站请求的任务识别标记及参数号PKW IND 参数分组编号及分区选择 PWE1 PWE2变频器的参数

31、值 PZD区用于控制和监测变频器，最多可有10个字：PZD1PZD10 按USS通信协议规定可选用5 种类型的结构，如下图所示，从PPO1PPO5：MM440 仅支持PPO1 和PPO3 ，本例选择PPO3，由0PKW/2PZD 组成；在PZD1中有2种定义：PZD2中也有2种定义：主站（PLC）发送给从站（变频器）的数据为任务报文（指令），此时PZD1=STW（控制字），PZD2=HSW（主设定值）；主站接收到的从站数据为应答报文，此时PZD1=ZSW（状态字），PZD2=HIW（主实际值） 控制字STW和状态字ZSW的定义为参见“MM440的控制字和状态字”（MM440的操作手册中） 由M

32、M440控制字中各位的定义，可编制各种控制命令： 停止命令： 047E: 0000, 0100, 0111, 1110 正转启动命令： 047F: 0000, 0100, 0111, 1111 反转启动命令： 0C7F: 0000, 1 100, 0111, 1111 正向点动命令： 057E: 0000, 0101 , 0111, 1110 反向点动命令： 067E: 0000, 011 0, 0111, 1110 故障确认： 04FE： 0000, 0100, 1111, 1110位数：15 14 13 12 , 11 10 9 8 , 7 6 5 4 , 3 2 1 0 当从变频器读入应答报文到PLC的位存储区MW14和MW16时，MW14（MB14,MB15）中为状态字ZSW。 则： M15.2=1表示变频器正在运行； M15.2=0表示变频器停止运行； M15.3=1表示变频器故障； M14.5=0表示电动机过载； M14.7=0表示变频器过载。（2） 变频器的参数设置 用PLC控制变频器的输出频率时，可通过各种不同的途径来加以控制：可用PLC的输出端口代替按钮实现多段速固定频率运行； 也可用模拟量输出模块输出010V电压或420mA电流接到变频器的模拟量输入端口控制运行频率。 如由PLC作为主站对变频器从站进行远程控制时，就要按照通信协议通过通信模板