第9章可编程控制器的通信

9.1PLC通信的基本概念9.2S7-200PLC的通信与网络9.3S7-200PLC通信和网络功能的实现本章小结

9.1PLC通信的基本概念

9.1.1通信系统的构成

9.1.2通信方式

9.1.3通信介质

9.1.4PLC常用的通信接口

9.1.5通信协议

9.1.6网络结构概述

9.1.7PLC与计算机通信的基本功能PLC通信：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：将地理位置不同的PLC、计算机、各种现场设备用通信介质连接起来，按照规定的通信协议，以某种特定的通信方式高效地完成数据的传送、交换和处理。

9.1.1通信系统的构成

通信系统的组成：一般由传送设备、传送控制设备、通信介质、通信协议和通信软件等部分构成，示意图如下。通信介质（总线）通信软件通信协议传送控制设备传送设备(接收器)传送设备(发送器)图9-1通信系统的基本组成示意图

传送设备主要是用以发送或接收信息.对于多台设备之间的数据传送，有时还有主、从之分。主设备起控制、发送和处理信息的主导作用，从设备被动地接收、监视和执行主设备的信息。

在PLC通信系统中，传送设备可以是PLC、计算机或各种外围设备。

传送控制设备主要用于控制发送与接收之间的同步协调，以保证信息发送与接收的一致性。

通信介质是信息传送的基本通道，是发送设备与接收设备之间的桥梁。通信协议是通信过程中必须遵守的各种数据传送规则，是通信得以进行的法律。

通信软件用于对通信的软件、硬件进行统一调度、控制和管理。

9.1.2通信方式1．基本通信方式

并行通信方式是指被传送数据的所有位同时发送或接收。并行传送的数据有多少位，传输线就需要多少根。8位同时传送设备A设备B并行通信的特点是传送速度快，但如果数据位数较多，传送距离较远，则会使得线路复杂且成本高。因此，并行通信方式一般只在PLC的内部各元件之间、主机与扩展模块或近距离智能模块之间使用。图9-2并行通信示意图串行通信方式是指将被传送的数据逐位逐位地顺序传送。不论被传送的数据有多少位，只需要1~2根传输线分时传送，数据从低位开始一位接一位按顺序传送。传送数据：10100011设备A设备B11000101

TTTTTTTT串行通信的特点是传送速度慢，但传送线少、成本低，适合长距离通信。串行通信广泛用于PLC与PLC之间、PLC与计算机之间的数据传送。图9-3串行通信示意图2．串行通信分类串行通信按数据传送的方向可将其分为单工、半双工和双工,其示意图如下：

(a)单工(b)半双工

(c)全双工AAABBB图9-4单工、半双工和全双工通信方式的示意图在串行通信方式中，发送端与接收端之间的同步问题是数据通信中的一个重要问题，处理不当往往会导致数据传送的失败。为此，在串行通信中采用了同步通信与异步通信技术。同步通信：以数据块为单位，在每个数据块的开始加入一个同步字符来控制同步，而在数据块中的每个字节前后不需加开始位、校验位和停止位标记，因而克服了异步传送效率低的缺点。同步传送要求有统一的时钟信号来实现发送端和接收端之间的严格同步，这种传送方式所需要的软件和硬件的价格昂贵，所以通常只在数据传输速率要求较高的时候才使用。异步通信：将被传送的数据编码成一串脉冲，按照约定好的固定格式，发送设备一帧一帧地发送，接收设备一帧一帧地接收。在发送数据的同时发出字符的开始和结束标志，用于控制字符发送的开始与结束。各部件之间进行通信时没有统一的时间标准，可以有各自的时钟。示意图如下：11010000101111空闲位开始位字符编码奇偶校验位停止位空闲位图9-5异步串行通信示意图异步串行通信中的设备间有两项规定：(1)传送字符的数据格式：上图是一个7位字符数据传送格式。(2)发送设备与接收设备有一致的数据传送速率。波特率：单位时间内传送二进制数的位数。例如，数据的传送速率为每秒480字符，每个字符为10位，则数据传送的波特率为：10X480=4800位/秒=4800bps传送每一位的时间Td=1/波特率=1/4800=0.208ms异步通信方式的硬件结构简单，但传送每一个字节都要加开始位、校验位和停止位，所以传送效率较低，主要用于中低速数据通信。S7-200PLC采用异步串行通信方式，传送字符数据格式有10位数据和11位数据两种。10位字符数据：1个起始位、8个数据位、1个停止位，传送速率为9600bps。11位字符数据：1个起始位、8个数据位、1个偶校验位、1个停止位，传送速率为9600bps或19200bps。PLC通信一般使用半双工或全双工异步串行通信方式。9.1.3通信介质

通信介质是信息传输的物理通道，是PLC、计算机及外部设备之间相互连接的桥梁。

PLC中常用的通信介质：带屏蔽的同轴电缆、双绞线、光纤等。

PLC对通信介质的基本要求：通信介质必须具有传输速率高、能量损耗小、抗干扰能力强、性能价格比高等到特性。在各种通信介质中，由于双绞线和同轴电缆的成本低、安装简单，性能价格比比较高，广泛应用PLC的通信之中。随着通信技术和计算机技术的发展，PLC的通信介质已有向红外线、无线电、微波、卫星通信等无线介质的方向发展的趋势。

图9-6常用的有线介质外形图：(a)无屏蔽双绞线UTP(d)同轴电缆(b)光纤(c)屏蔽双绞线STP表9-1几种常用通信介质的性能表性能通信介质双绞线同轴电缆光缆传送速率9.6Kbps~2Mbps1~450Mbps10~500Mbps连接方法点对点连接，可多点连接，1.5km内不用中继站点对点连接，可多点连接，宽带时10km内不用中继站，基带时1~3km内不用中继站点对点连接，50km内不用中继站传送信号数字信号、模拟信号、调制信号调制信号、数字信号、声音图像信号调制信号、数字信号、声音图像信号支持网络星型网、环型网、小型交换机总线型网、环型网总线型网、环型网抗干扰能力一般好极好抗恶劣环境能力好好，但必须将电缆与腐蚀物隔开极好，耐高温和其它恶劣环境9.1.4PLC常用的通信接口

1．RS232C通信接口它规定通信设备之间信息交换的方式与功能。它采用按位串行通信的方式传送数据，波特率规定为300、600、1200、4800、9600、19200bps等几种。机械性能上，RS232C接口是标准25针的D型连接器。实际使用时并未将25个引脚全部用完，最简单的通信只需用3根线，最多用22根。当PLC与计算机通信时，使用的连接器有25针的也有9针的。表9-2PLC与计算机连接时RS232C的引脚使用情况表引脚信号说明2TXD发送数据3RXD接收数据4RTS请求发送5CTS允许发送6DSR数据装置准备好7信号地信号地8DCD载波检测20DTR数据终端准备好22振铃指示响铃信号

2.S422A通信接口S422A通信速率、通信距离、抗共模干扰等方面较RS232C接口有较大的提高。使用RS422A接口最大数据传输速率可达10Mbps（对应距离为12m），最大通信距离为1200m（对应的通信速率为10Kbps）。3．RS485通信接口RS485的抗干扰能力极强，传输距离可达1200m,传输速率可达10Mbps。9.1.5通信协议通信协议：通信双方交换信息时所必须遵守的各种规则。目前国际上公认的标准化组织及其通信协议主要有如下四个。

(1)国际标准化组织ISO（InternationalStandardsOrganization）:ISO在通信方面的主要贡献是建立了开放式系统互联通信协议OSI（OpenSystemInterconnection）。

(2)国际电子电器工程师协会IEEE(theInstituteofElectricalandElectronicEngineer):它对通信的主要贡献是建立了IEEE802通信协议。

(3)美国高级研究院ARPA(AdvancedResearchProjectsAgency):成功地开发了著名的TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）与FTP

(FileTransferProtocol)通信协议。这个协议已成为当今国际互联网（Internet网）的通信标准。

(4)美国通用汽车公司GM(GeneralMotor)：建立了制造自动化协议MAP(ManufactureAutomationProtocol).MAP协议的产生，能使来自不同的厂家的PLC、计算机、自动化仪表等设备和控制系统连成一个整体。几种通信协议模型的比较:应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层逻辑链接控制LLC介质存取控制MAC物理层应用层主要通信层TCP网际层IP网络界面层(a)OSI模型(b)IEEE802(c)TCP/IPMAP协议的模型与ISO的OSI协议基本相同，只是内容和功能有所增强。

图9-7几种通信协议模型的比较9.1.6网络结构概述1．简单网络一个主设备和多个从设备通过传输线相连，可以实现多个设备间的通信，这就形成了一种简单的网络结构。

……主设备从设备3从设备2从设备1从设备n图9-8简单网络示意图2．多级网络一般现代大型工业企业，常常采用多级网络结构。PLC厂家常用生产金字塔结构描述其产品可实现的功能。国际标准化组织（ISO）对企业自动化系统确立了初步的6级金字塔结构模型，如图9-9所示。西门子公司S7系列的生产金字塔由4级构成，从上到下依次为：公司管理级、工厂与过程管理级、过程监控级、过程测量与控制级。管理控制车间在线管理作业企业短期生产计划及业务经营企业长期生产经营决策规划过程控制与监督

设备控制

参数检测与执行器驱动

图9-9ISO企业自动化系统模型9.1.7PLC与计算机通信的基本功能PLC与计算机之间的通信又叫上位通信，与PLC通信的计算机常称之为上位计算机。上位计算机可以是个人电脑，也可以是大、中型计算机。把PLC与计算机连接起来，实现数据通信可以更有效地发挥各自的优势，互补应用上的不足，扩大PLC的应用范围。

PLC与计算机通信的基本功能：(1)可以直接在计算机上编写、调试应用程序。(2)可用图形、图像、图表的形式在计算机上对整个生产过程进行运行状态的监视。

(3)可对PLC进行全面地系统管理，包括数据处理、生成报表、参数修改、数据查询等。(4)可对PLC实施直接控制。(5)可以实现对生产过程的模拟仿真。(6)可以打印用户程序和各种管理信息资料。(7)可以利用各种可视化编程语言在计算机上编制多种组态软件。(8)通过计算机可以随时随地获得网上有用的信息和其他PLC厂家、用户的PLC控制信息，也可以将本地的PLC控制信息发送上网，实现控制系统的资源共享。9.2S7-200PLC的通信与网络

9.2.1网络通信协议及类型

9.2.2网络通信硬件9.2.1网络通信协议及类型1．通信协议西门子公司S7系列的生产金字塔中的通信协议分两大类：通用协议和公司专用协议。通用协议采用工业以太网（Ethernet）协议，用于管理级的信息交换。公司专用协议是基于OSI的7层通信结构模型，协议定义了主站和从站两类通信设备。主站可以对网络上另一个设备发出初始化要求，从站只是响应来自主站的信息。S7-200PLC的网络系统中主站、从站间的专用通信协议有3个标准协议和1个自由口协议。(1)PPI协议：点对点接口PPI(Point-to-PointInterface)协议是一种主/从协议。主站设备向从站设备发送要求，从站设备响应。从站不主动发信息，只是等待主站发送的要求并作出相应的响应。网络上所有S7-200CPU都默认为从站。如果在用户程序中允许PPI主站模式，一些S7-200CPU在RUN模式下可以作为主站。一旦允许PPI主站模式，就可以利用网络的有关通信指令来读写其它CPU，并且还可以作为从站响应来自其它主站的申请和查询。任何一个从站可以与多个主站通信，但是在网络中最多只能有32个主站。

（2）MPI协议：多点接口MPI(Multi-PointInterface)协议是主/主协议或主/从协议，协议如何操作依赖于设备类型。如果是S7-300CPU，就建立主/主连接，因为所有S7-300都是网络主站。如果是S7-200CPU，就建立主/从连接，因为S7-200CPU是从站。（3）Profibus协议：Profibus(过程现场总线)协议用于分布式I/O设备（远程I/O）的高速通信。

（4）自由口协议（用户定义协议）自由口协议是指通过用户程序控制S7-200CPU通信口的操作模式来进行通信。利用自由口模式，可以实现用户定义的通信协议连接多种智能设备。在自由口模式下，通信协议完全由用户程序控制，用户可以通过使用有关指令编写程序控制通信口的操作。当CPU处于RUN模式，通过SMB30（口0）允许自由口模式。当CPU处于STOP模式时，自由口通信停止，通信口转为正常的PPI协议操作。2．通信类型单主站：一个主站与一个或多个从站连接的网络。如图9-10是一个单主站网络结构示意图。图中一台计算机作为主站，4台S7-200CPU作为从站。多主站：一个主站与最少一个从站及一个主站连接的网络。图9-11是一个多主站网络结构示意图。图中一台计算机作为主站，一台TD200中文文本显示器也是主站，另外4台S7-200CPU作为从站。主站计算机S7-200CPUS7-200CPUS7-200CPUS7-200CPUPC/PPI电缆从站从站从站从站图9-10单主站网络结构示意图S7-200CPUS7-200CPUS7-200CPUS7-200CPU主站主站从站从站从站从站CP卡MPI电缆计算机TD200图9-11多主站网络结构示意图9.2.2网络通信硬件1．通信口

S7-200CPU上的通信口是符合欧洲标准EN50170中Profibus标准的RS-485兼容9针D型连接器。其引脚分配如图。在进行调试时，将S7-200接入网络时，该端口一般是作为端口1出现的，端口0为所连接的调试设备的端口。引针5引针9引针6引针1图9-12S7-200CPU通信口引脚分配引针号Profibus名称端口0/端口11屏蔽逻辑地224V返回逻辑地3RS-485信号BRS-485信号B4发送申请RTS（TTL）55V返回逻辑地6+5V+5V，100Ω串联电阻7+24V+24V8RS-485信号ARS-485信号A9不用10位协议选择（输入）端口外壳屏蔽机壳接地表9-3RS-485接口2．网络连接器利用西门子公司提供的两种网络连接器可以将多个设备很方便地连接到网络中。其中一种连接器仅提供连接到CPU的接口，另一种连接器增加了一个编程接口。带有编程接口的连接器可以将SIMATIC编程器或操作面板增加到网络中而不需改变现有的网络连接。

3．通信电缆主要有Profibus网络电缆和PC/PPI电缆。Profibus网络电缆总的规范见表9-4

表9-4Profibus网络电缆的总规范通用特性规范类型屏蔽双绞线导体截面积24AWG（0.22mm2）或更粗电缆电容<60pF/m阻抗100Ω~102Ωprofibus网络的电缆最大长度取决于对波特率的要求和所用电缆类型。要求的传送速率越高，则网络段的最大电缆长度越短，如传送速率为3M~12M波特则最大电缆长度为100米。图9-13PC/PPI电缆外形：

利用PC/PPI电缆和自由口通信功能可以把S7-200CPU与许多配置有RS-232标准接口的设备（如计算机、编程器、调制解调器）相连接。通信PC/PPI电缆的一端是RS-485端口，用来连接PLC主机，另一端是RS-232端口，用于连接计算机等其它设备。PC/PPI电缆分两种型号：一种为带有RS232口的隔离型PC/PPI电缆，用5个DIP开关设置波特率和其它配置项；另一种为带有RS-232口的非隔离型PC/PPI电缆，用4个DIP开关设置波特率。PC/PPI电缆上的DIP开关选择的波特率(见下表)应与编程软件中设置的波特率一致。初学者可选通信速率的默认值9600bps。4号开关为1，选择10位模式，4号开关为0，选择11位模式；5号开关为0，选择RS-232口设置为数据通信设备（DCE）模式，5号开关为1，选择RS-232口设置为数据终端设备（DTE）模式。未用调制解调器时4号开关和5号开关均应设为0。表9-5开关设置与波特率的关系开关1、2、3传输速率（b/s）转换时间(ms)000384000.5001192001010960020114800410024007101120014110600284．网络中继器网络中继器连接到Profibus网络段可以延长网络距离、给网络加入设备，并且提供一个隔离不同网络段的方法。每个中继器允许给网络增加32个设备，可以将网络延长1200米，同时为网络段提供偏置和终端匹配。网络中最多可使用9个网络中继器。5．调制解调器

调制解调器（Moden）的功能是将数字信号转化为模拟信号，以便能在电话线路上使用，实现计算机或编程器与PLC主机之间的远程通信。9.3S7-200PLC通信和网络功能的实现

9.3.1选择通信组态

9.3.2PPI网络通信

9.3.3MPI网络通信

9.3.4PROFIBUS网络通信

9.3.5自由口通信

9.3.6工业以太网9.3.1选择通信组态

选择通信组态:根据实际的需要选择网络通信的类型，选择所需的通信硬件，并利用编程软件进行相应设置。表9-6列出了编程软件STEP7-Micro/WIN32支持的可能的硬件组态和波特率。在STEP7-Micro/WIN32中有一个设置通信的对话框，在其中可以配置有关的通信设置。选择菜单命令View>Communications，可以找到这个对话框进行设置。支持的硬件型号支持的波特率(bps)支持的协议PC/PPI电缆到PC通信口的电缆连接器9600,19200PPICP5511(通信处理器)II型，PCMCIA-卡960019200187500PPIMPIProfibusCP5611(通信处理器)PCI卡MPI(多机接口卡)PG中集成的PCISA-卡表9-6STEP7-Micro/WIN32支持的硬件组态

9.3.2PPI网络通信1．PPI网络通信点对点接口PPI（Point-to-PointInterface）协议是西门子公司为S7-200系统开发的一种主/从通信协议。PPI网络中可以有多个主站，如图9-15，网络中使用了CP5611等通信卡。图9-15PPI多主站网络举例当用户编程设置主站通信端口的工作模式后，就可以用网络读写指令（NetR/NetW）读写从站的数据。NETR/NETW格式如下：NETRTBL，PORTNETWTBL，PORTTBL：缓冲区首址，操作数为字节。PROT：操作端口，CPU226为0或1，其他只能为0。网络读NETR指令是通过端口（PROT）接收远程设备的数据并保存在表（TBL）中。可从远方站点最多读取16字节的信息。网络写NETW指令是通过端口（PROT）向远程设备写入在表（TBL）中的数据。可向远方站点最多写入16字节的信息。2．PC/PPI电缆通信设置在STEP7--Micro/WIN32的菜单中选择“查看→通信”选项，在出现通信设置对话框中双击PC/PPI电缆的图标，在出现的PC/PG接口属性的对话框中单击“属性（Properties）”按钮，出现PC/PPI电缆属性对话框。初学者可以使用默认的通信参数。（1）计算机和可编程序控制器在线连接的建立（2）可编程序控制器通信参数的修改（3）可编程序控制器信息的读取9.3.3MPI网络通信多点接口MPI协议允许主／主和主／从两种通信方式。选择何种方式依赖于设备类型。如果设备是S7-300CPU，由于所有的S7-300CPU都必须是网络主站，所以进行主／主通信方式。如果设备是S7-200CPU，那么就进行主／从通信方式，因为S7-200CPU是从站。S7-200可以通过内置接口，连接到MPI网络上，波特率为19.2k/187.5kbit/s。它可与S7-300CPU或者是S7-400CPU进行通讯。S7-200CPU在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通信。MPI协议总是在两个相互通信的设备之间建立逻辑连接。一个连接可能是两个设备之间的非公用连接。另一个主站不能干涉两个设备之间已经建立的连接。主站为了应用可以短时间建立一个连接，或无限地保持连接断开。9.3.4PROFIBUS网络通信PROFIBUS是世界上第一个开放式现场总线标准，于1995年成为欧洲工业标准(EN50170),1999年成为国际标准（1EC61158-3）。在S7-200系列PLC的CPU中，CPU22X都可以通过增加EM277PROFIBUS-DP扩展模块的方法支持PROFIBUSDP（PROFIBUS表示过程现场总线；DP表示分布式外围设备，即远程I/O）网络协议。最高传输速率可达12Mbit/s。采用PROFIBUS的系统，对于不同厂家所生产的设备不需要对接口进行特别的处理和转换，就可以通信。PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成，主站能够控制总线，当主站获得总线控制权后，可以主动发送信息。从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。它们可以接收信号并给予响应，但没有控制总线的权力。当主站发出请求时，从站回送给主站相应的信息。PRORFIBUS除了支持主／从模式，还支持多主／多从的模式。9.3.5自由口通信

自由端口模式:CPU的串行通信口由用户程序来控制的操作模式。当选择了自由端口模式，梯形图程序可以使用接收中断、发送中断、发送指令（XMT）和接收指令（RCV）来控制通信操作。在自由端口模式下，通信协议完全由梯形图程序来控制。当CPU处于RUN模式，通过SMB30（用于端口0）和SMB130（如果CPU有两个端口，则用于端口1）。当CPU处于STOP模式时，自由口通信停止，通信口转为正常的PPI协议操作。

1.自由端口的初始化自由口模式控制字节MSBLSB端口0端口1说明SMB30格式SMB130格式

自由口模式控制字节

MSBLSB

SM30.6和SM30.7SM130.6和SM130.7pp:奇偶选择00:无奇偶校验01:偶校验10:无奇偶校验11:奇校验SM30.5SM130.5d:每个字符的数据位0:每个字符8位1:每个字符7位SM30.2到SM30.4SM130.2到SM130.4bbb:自由口波特率000:38,400波特001:19,200波特10:9,600波特011:4,800波特100:2,400波特101:1,200波特110:600波特111:300波特SM30.0和SM30.1SM130.0和SM130.1mm:协议选择00:点到点接口协议(PPI/从站模式)01:自由口协议10:PPI/主站模式11:保留(缺省设置为PPI/从站模式)注:每种配置都有一个停止位。ppdbbbmm表9-8自由口控制寄存器SMB30和SMB1302.自由口的发送指令(XMT)和接收指令(RCV)

发送指令格式：XMTTBL，PORT可以用XMT指令方便地发送数据。发送指令（XMT）激活发送数据缓冲区（TBL）中的数据，数据缓冲区的第一个数据指明了要发送的字节数，PORT指定了用于发送的端口。XMT指令发送一个或多个字符，最多有225个字符的缓冲区。接收指令格式：RCVTBL，PORT可以用RCV指令方便地接收数据。接收指令（RCV）激活初始化或结束接收信息的服务，通过指定端口（PORT）接收的信息存储于数据缓冲区（TBL），数据缓冲区的第一个数据指明了接收的字节数。RCV指令可以接收一个或多个字符，最多有225个字符，这些字符存储在缓冲区中。9.3.6工业以太网S7-200CPU加装CP243-1扩展模块可以支持工业以太网通信。CP243-1模块提供了一个标准的RJ45网络接口，完全支持TCP/IP协议，支持标准的网络设备。人们对工业局域网的开放性、互联性、带宽等方面提出了更高的要求，应用传统的现场总线的工业控制网已无法实现企业管理自动化与工业控制自动化的无缝接合，技术上早已成熟的管理网——以太网正在闯入人们的视线。工业以太网已成为工业控制系统的一种新的工业通信网。工业以太网有以下优点：①以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网与控制网得以统一。②可使设备的成本下降。③有利于企业工程人员的学习和管理，以太网维护容易，工作人员无需再专门