船舶机舱自动化2-5 可编程序控制器的通信基础

第五节可编程控制器的通信基础一、数据通信基础1.传输介质⑴双绞线：

既可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号。

分为:屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。裸铜导体外护套金属丝编织层金属箔内护层⑵同轴电缆由外护套、外导体、绝缘层、内导体组成，外导体编织成网状，对内导体形成屏蔽的作用。同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的抗干扰性能。外护套外导体屏蔽层绝缘层内导体⑶光纤由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护套构成。多模光纤：玻璃芯较粗，可传多种模式的光，传输距离一般较近。单模光纤：玻璃芯很细，只能传一种模式的光，适用于远距离通信，但单模光纤与光器件的耦合比多模光纤复杂。连接器光纤光纤的优点：传输损耗低；频带宽；不受电磁干扰的影响；数据传输速率高（可达Gbit/s级）；传输距离可达数十千米。光纤的缺点：价格较为昂贵。2.通信基础⑴

并行通信与串行通信①并行通信

数据的各个数位在多条线路上同时被传送的传输方式。通常的数据位数是8位或16位。优点：传输速度快；效率高；处理简单。缺点：线路多；成本高；不宜进行远距离通信。应用场合：计算机与并行接口打印机之间的通信。②

串行通信

数据的各个数位被逐位地依次通过一条线路进行传送的传输方式。每一位数据占据一个固定的时间长度。优点：使用的线路少，适合于设备间的远距离通信场合。应用场合：绝大多数的工业控制网络均采用串行通信的传输方式。⑵串行通信的基本概念①

传输速率

单位时间内所能传输的信息量，通常用波特率来表示。

波特率：是指单位时间内传输的二进制数的位数，用b/s或bps来表示。1波特=1位/秒=1b/s=1bps。串行通信过程中，收、发双方必须确保具有相同的传输速率（波特率）。信号的传输速率与传输距离一般成反比关系。（没有中继器）

PLC中常见的波特率：300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200波特。例如：①传输速率是960个字符/秒；②每个字符由10个数据位组成；③则波特率为：10×960=9600波特=9600b/s=9600bps。②

差错控制由于信道内外的干扰与噪声，数据在通信线路中传输时出现错误是不可避免的。差错控制有两种：纠错编码和检错编码。纠错编码:携带带有足够的冗余信息，使接收端可自动纠正传输错误。检错编码：仅带有可使接收端发现差错的冗余信息，但不能纠错。常用的检错编码：奇偶校验码、信息组校验码、纵向冗余校验码、循环冗余码。奇偶校验码（简称PC校验）通过增加一个校验位使得数据单元中“1”的个数为奇数或偶数的编码方法。

例如：奇校验：01001100。

偶校验：11001100。信息组校验码（简称BCC校验）

将所有被传输的8位字节数据按位异或，最终得到一个8位的校验码。

例如：31H(XOR)33H(XOR)41H(XOR)46H=05H。纵向冗余校验码（简称LRC校验）⑴把每一个被传输的8位的字节逐个累加；⑵丢弃超过8位的进位；⑶对结果逐位取反并加1。例如：31H+33H+41H+46H=0EBH；0EBH逐位取反后加1=15H。循环冗余码（CyclicRedundancyCheck,CRC）先将要发送的二进制数据序列左移，再除以一个多项式，最后所得到的余数既是CRC校验码。3.串行通信⑴

串行通信接口常见串行通信接口：RS232C、RS422A、RS485。①RS232CRS232C是美国电子工业协会（ElectronicIndustryAssociation，简称EIA）于1962年公布，并于1969年修订的串行通信接口标准。

RS232C采用的是负逻辑（EIA电平）：+3V～+15V表示逻辑“0”。-3V～-15V表示逻辑“1”。

RS232C最大传送距离：约为15米，最高传输速率：20kb/s应用场合：点对点的通信，只有一对收、发设备。RS232C的连接器DB25：采用25针的D型插头。DB9：采用9针的D型插头。RS232C的三线连接方式②RS422ARS422A是EIA于1975年公布的串行通信接口标准。

RS422A接口采用平衡驱动的发送器、差分输入的接收器。平衡驱动：是指在发送端使用两根传输线发送同一信号，但这两根传输线中的信号互为反相。差分输入：是指在接收端对这两根传输线上的电压信号相减，从而得到要传送的信号。差分信号传输模式可以有效抑制两根传输线上的共模干扰信号，能确保在远距离通信时，获得较高的传输速率。RS422A采用差分信号负逻辑：平衡发送器端A、B之间逻辑“0”：电压为+2V～+6V。逻辑“1”：电压为-2V～-6V。差分接收端A、B之间逻辑“0”：电压差高于+200mV。逻辑“1”

：电压低于-200mV时。RS422A的最大传送距离：1200米；

最高传输速率：10Mb/s；信号的传输速率与线路的长度成反比，一般在100米长的线路上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS422A支持一点对多点的通信，传输线上最多可连接10个接收器。RS422A传输电缆上最远的接收端处需要设置终端电阻来吸收反射波。（阻值约为100～120Ω）。RS422A有两条传输通道，其工作方式是全双工的。③RS485RS485是EIA于1983年公布的串行通信接口标准。由于RS485是从RS422A基础上发展而来的，因而，RS485的大多数电气规定与RS422A相似：相同点：①仍然采用差分信号传输模式；②仍然采用差分信号负逻辑；

③最大传输距离、最大传输速率与RS422A相同；④仍然具有较强的抗共模干扰能力；不同点：①

RS485的平衡驱动能力比RS422A有所增加，由10个增加至32个。

②

RS485需要2个终端电阻，分别接在传输总线的始端和末端；③平衡驱动的“ENABLE”端，在RS422A中是可选，在RS485中是必选。RS485可以采用二线或四线的连接方式。采用四线连接时：与RS422A一样，但可连接的设备数增加到32个。采用二线连接时，可实现真正的多点双向通信。

目前，大多数的工业控制网络都是采用RS485作为物理层的接口。RS485只有一条传输通道，其通信方式是半双工的。⑵

串行通信的协议规范按照协议规范，串行通信分为：同步通信和异步通信。①异步通信异步通信是依靠附加的起始位和停止位来实现字符的界定和收发同步的传送规范。

异步通信的字符帧格式：起始位（1位），规定为逻辑“0”。数据位（5～8位）。奇偶校验位（1位，可选）。停止位（1或2位），规定为逻辑“1”。线路空闲状态规定为逻辑“1”。

每个字符帧一定是以一个下降沿作为开始的，接收方很容易识别。异步通信采用以字符帧为单位的间歇传输形式：两个字符帧之间的时间间隔是任意的，但在同一字符帧内的相邻各位之间的时间间隔则是固定的。②

同步通信

同步通信是依靠同步字符来完成收发双方同步的传送规范。发送方先发送同步字符；接收方利用该字符使内部时钟与发送方保持同步；在同步时钟的控制下，进行连续地多个字符数据的发送与接收。传送完毕后，发送方再发送一个同步字符，标识结束。同步通信采用以数据帧为单位的传输形式：在一个数据帧内，字符与字符之间同步，位与位之间同步。4.网络连接网络连接器的内部设有终端电阻，开关置于“ON”位置时，可接入终端电阻。屏蔽双绞线屏蔽层DB9阳型连接DB9阴型连接带编程接口的网络连接器网络连接器开关=ON接入终端电阻开关=ON接入终端电阻开关=OFF未接终端电阻连接至PLC至PG/PC/HMIDB9阳型DB9阳型二、Modbus通信采用一个主站多个从站的形式。1.Modbus

协议概述

Modbus协议是面向消息（Message）的应用层协议。控制器之间进行数据交换的一种通用协议。

Modbus协议适用于绝大多数的传输介质和物理层端口。Modbus通信的最大传输速率：115200bps，理论上可连接1个主站和至多247个从站。实际最多可接1个主站和32个从站。Modbus协议规定了两种通信方式

应答方式：①主站向从站（地址1~247）发出命令，然后等待从站的应答；②从站接到命令后，执行命令，并将执行结果返回给主站作为应答。

广播方式：①主站向所有从站发送命令（从站地址为0），不需要从站应答；②从站接到广播命令后，执行命令，不应答。2.

Modbus的传输模式

Modbus协议定义了两种传输模式：ASCII（美国信息交换码）模式，RTU（远程终端设备）模式。这两种传输模式的通信能力是等同的。不允许两种模式在同一个ModBus网络中混用。⑴ASCII模式

ASCII模式的字符帧格式（10位）：

1个起始位；

7个数据位（标准ASCII码，低位先发送）；

1个奇偶校验位（无校验则无该位）；有校验时1个停止位，无校验时2个停止位。

每个8位的字节将被当做两个十六进制数，以其对应的ASCII码形式发送。例如：传送十进制数121，选择偶校验。对应的十六进制数→

16#79。

7的ASCII码→16#37；

9的ASCII码→16#39。

ASCII模式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。⑵RTU模式

RTU模式的字符帧格式（11位）：

1个起始位；

8个数据位（2个十六进制数，低位先发送）；

1个奇偶校验位（无校验则无该位）；有校验时1个停止位，无校验时2个停止位。

每个8位的字节将被直接作为两个十六进制数发送。RTU模式的主要优点是在相同波特率下，与ASCII模式相比较，可以传送更多的数据。在RTU模式下，每个消息必须作为连续的流传输。3.

Modbus地址

Modbus定义了4种数据类型：离散输出（读写）--位。离散输入（只读）--位。输入寄存器（只读）--16位的字。保持寄存器（读写）--16位的字。不同数据类型必须用不同的功能代码来访问。每一种数据类型中，有若干个数据单元，单元的编号就是Modbus地址。Modbus地址用5个数字值来表示：第1位数字表明数据类型：离散输出--0；离散输入--1；输入寄存器--3；保持寄存器--4。后面的4位数字表明数据单元的偏移量。所有Modbus地址都是“以1为基址”，也就是说第一个数据值都是从地址1开始。主站将内存地址映射到Modbus地址。⑴

主站支持的Modbus地址

00001~09999是离散输出（线圈）的地址。

10001~19999是离散输入（触点）的地址。

30001~39999是输入寄存器（模拟量输入）的地址。

40001~49999是保持寄存器的地址。从站控制器将Modbus地址映射到从站的内存地址。⑵Modbus的从站寻址

Modbus地址是以1为基址；S7200PLC的内存地址是以0为基址。

00001~00128→Q0.0~Q15.7。

离散输出映射到PLC从站的物理输出点。例如：00001→Q0.0；00002→Q0.1；

00003→Q0.2；00004→Q0.3；

……；00128→Q15.7。10001~10128→I0.0--I15.7。离散输入映射到PLC从站的物理输入点。例如：10001→I0.0；10002→I0.1；

10003→I0.2；10004→I0.3；

……：10128→I15.7。

30001~30032→AIW0~AIW62。输入寄存器映射到PLC从站的模拟量输入点。例如：30001→AIW0；30002→AIW2；

30003→AIW4；30004→AIW6；

……：30032→AIW62。40001→HoldStart4xxxx→HoldStart+2×(xxxx-1)：保持寄存器映射到PLC从站的全局变量空间V。

HoldStart为用户指定的某个起始字的地址。例如：从站拟开放V存储区中100字的空间，起始字地址为VW100。

40001→VW100；40002→VW102；

40003→VW104；40004→VW106；

……：40100→VW298。4.Modbus

通信指令

S7200PLC采用ModbusRTU传输模式。⑴

Modbus

从站指令

Modbus从站指令库有3个子程序和2个中断服务程序。

2个子程序可被当做指令来使用。

5个程序共需占用1857字节的程序存储空间。

5个程序还需要779字节的V存储空间用来存储临时信息，需由用户指定V存储空间中的可用位置。①

MBUS_INIT指令（初始化从站）

MBUS_INIT指令用于初始化从站。完成通信端口的配置。实现Modbus地址与从站内存地址的映射。EN：

在第一个扫描周期接通一次，或是需要改变网络通信参数时才接通一次。Done：初始化成功完成后，输出能流。Error：初始化失败原因的错误代码。Mode：选择通信协议。

1-Modbus协议；0-PPI协议。Addr：设置从站的地址。可选值为：1~247。Baud：设置波特率。可选值为：1200、

2400、4800、9600、19200、

38400、57600或115200。Parity：设置奇偶校验形式。

0-无校验;1-奇校验;2-偶校验。Delay：用户新增的信息超时时间。可选值为：0~32767(ms)；典型值=0。MaxIQ：从站拟开放I和Q的最大点数。可选值为：0~128。MaxAI：从站拟开放AI的最大个数。可选值为：0~32。MaxHold：从站拟开放V的最大字数。HoldStart：从站拟开放V存储区的起始字地址。②

MBUS_SLAVE

指令

MBUS_SLAVE指令用于服务来自Modbus主站的请求。必须在每个循环扫描周期都执行。

MBUS_SLAVE指令无输入参数。Done：当指令响应请求时，输出能流。如没有服务请求，不输出能流。Error：错误代码。⑵

Modbus主站指令

Modbus主站指令库有3个子程序和1个中断服务程序。

2个子程序可被当做指令来使用。

4个程序共需占用1620字节的程序存储空间。

4个程序还需要284字节的V存储空间用来存储临时信息，需由用户指定V存储空间中的可用位置。①

MBUS_CTRL指令（初始化主站）

MBUS_CTRL指令用于初始化主站以及监控或禁用Modbus通信。EN：

每个扫描周期都必须接通。Done：指令完成后，输出能流。Error：错误代码。Mode：选择通信协议。

1-Modbus协议；0-PPI协议。Baud：设置波特率。可选值为：1200、

2400、4800、9600、19200、

38400、57600或115200。Parity：设置奇偶校验形式。

0-无校验;1-奇校验;2-偶校验。Timeout：设置等待从站响应的时间。可选值为：1~32767。典型值=1000（毫秒）。②

MBUS_MSG指令

MBUS_MSG指令用于发起到Modbus从站的请求，以及处理来自从站的响应。只允许1条MBUS_MSG指令被激活。发送请求直到收到响应，通常需要持续几个扫描周期，在此期间，必须保证“EN”端始终有能流流入。为防止系统在每个扫描周期均重复发起新请求，“First”端需加边沿检测指令。Slave：Modbus从站的地址。可选值为：0~247。RW：

指定该消息是要读取数据还是要写入数据。

0--读；1--写。Addr：起始的Modbus地址。可使用任意一个主站支持的Modbus地址,但要考虑到从站会把该Modbus地址映射到何处。Count：指定本次请求中要读取或写出数据总共的个数。离散输入和离散输出：指位的个数。最多可一次读取或写入1920个位。输入寄存器和保持寄存器：指字的个数。最多可一次读取或写入120个字。DataPtr：主站读取或写出数据V存储区域的首字节地址。采用间接地址。例如：将Modbus从站读取到的数据存放在主站的VW0中。则DataPtr→&VB0。Done：在发送请求和接收响应期间，不输出能流。接收完毕或者出错中止时，输出能流。Error：错误代码。5.

Modbus通信示例Modbus主站：2#CPU。

Modbus从站（地址为1）：3#CPU。功能：①写出：2#CPU的IB0→3#CPU的QB0；②读取：2#CPU的QB0←3#CPU的IB0。程序规划：①被写出数据是IB0，送至VB100，MBUS_MSG指令的DataPtr指向&VB100。②从站Q0.0的Modbus地址为00001，

Q0.7的Modbus地址为00008。将IB0（VB100）写到Modbus地址为00001开始的连续8个Modbus地址（00001~00008）。③从站I0.0的Modbus地址为10001，

I0.7的Modbus地址为10008。读取Modbus地址为10001开始的连续8个Modbus地址（10001~10008），如果读取无错误，将数据送QB0。④M0.0--“写出”状态；M0.1--“读取”状态。⑴Modbus从站（3#CPU）的主程序//激活端口0的MODBUS协议；设定从站地址为1；9600波特；无校验；拟开放的I和Q的最大点数为8。不开放输入寄存器和保持寄存器。//初始化成功后，始终执行MODBUS从站指令。⑵Modbus主站（2#CPU）的主程序//第一个扫描周期，复位M0.0和M0.1。//每个扫描周期，均执行初始化主站或监控指令。//初始化完成，置“写出”状态。//拟写出值IB0送VB100。//发起一次“写出”请求，将VB100存放的数据，写至MODBUS地址为00001开始的连续8个位。//“写出”完成后，复位“写出”状态，置“读取”状态。//发起一次“读取”请求。读取MODBUS地址为10001开始的连续8个位。读取结果存放在VB101。//读取完成后，复位“读取”状态，置“写出”状态。读取过程如无错误，则读取值送QB0。三、USS通信1．USS

通信概述

USS协议是专门为控制MicroMaster电机驱动器的通讯而设计的。

USS协议使用RS-485的端口。

USS总线上可以连接一个主站和最多31个从站。⑴

USS

协议概述

USS协议是一种主从协议：主站发送请求到从站，从站响应请求。从站不主动发送信息，从站之间也不能直接进行信息的传输。

USS通信报文格式起始数据长度地址数据块检错编码STXLGEADRn个字节BCC⑵

轮询时间间隔

S7200PLC的循环扫描工作与USS通信之间是异步并行的，

S7200PLC完成一次与电机驱动器之间的数据交换，可能会持续若干个循环扫描周期。

S7200PLC对于USS网络上所有被激活的电机驱动器进行轮询访问，轮询的时间间隔与被激活的驱动个数、波特率及扫描时间有关。2．USS

通信指令⑴USS_INIT指令

USS_INIT指令在每次通讯状态改变时执行一次。

Mode：1--将端口0定义为USS协议并启用。

0--将端口0定义为PPI并禁止USS协议。

Baud(波特率)：1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。

Done：当指令完成时，该位接通。

Error：指令的执行结果。

Acitive：指示哪个驱动激活。所有Active（激活）的驱动都会在后台被自动地轮询。⑵USS_CTRL指令

USS_CTRL指令将命令放到通讯缓冲区内；然后，再将此命令发送到被激活驱动中。对于每一个驱动只能使用一个USS_CTRL指令。

EN：启用USS_CTRL指令。控制参数

RUN：起动或停止电机驱动器。

OFF2：选择斜坡减至停止，

OFF3：选择快速停止。控制参数

F_ACK：应答驱动的故障。

DIR：指定驱动的旋转方向。

Drive：指定被控电机驱动器的地址。

Type：选择驱动的型号。

Speed_SP：指定驱动的速度。返回参数Resp_R：电机驱动器的应答响应位。Error：错误字节。Status：电机驱动器返回的状态字。Speed：电机的实际驱动速度。Run_EN：电机驱动器的运行状态。D_Dir：电机的实际旋转方向。Inhibit：电机驱动器的禁止位状态。Fault：电机驱动器的故障位状态。四、Ethernet

通信通过CP243-1（或CP243-1IT）以太网模块，S7200PLC可以接入到工业以太网络中。实现基于标准的TCP/IP协议的全双工以太网通信；传输速率为10Mbit/s和100Mbit/s（自动感测）；采用服务器/客户机的通信方式；每个模块最多支持8个异步并行连接。模块允许S7-200与S7200、S7300、S7400以及SIMATIC操作面板（OP）建立以太网通信。由S7200PLC组成的Ethernet网络•••⑴

服务器（Server）的配置①以太网向导提示

②

指定模块位置CPU22414DI/10DOEM22316DI/16DOEM235

4AI/1A0EM277PROFIBUS-DPCP243-1以太网0123③

指定模块地址④

指定模块命令字节和连接数目CPU22414DI/10DOEM22316DI/16DOEM235

4AI/1A0EM277PROFIBUS-DPCP243-1以太网0123⑤

配置连接传输层要在用户之间提供端-端服务，必须把一个进程和其他进程区分开，需要传输地址。传输地址用传输服务访问点TSAP（TransportServiceAccessPoint）来描述。在S7200PLC中，TSAP共有两个字节：第一个字节是“10+连接号”，连接号范围是0~7；第二个字节是“模块位置”。如果只建立1个连接，模块的位置为3，“连接0”的本地TSAP为“10.03”。如果建立了2个连接，“连接1”的本地TSAP为“11.03”。⑥CRC保护与保持活动时间间隔⑦

分配V存储区⑧

生成项目组件“数据块”→“向导”→“ETH3_DATA”VB1000'CP243'//位于位置3的CP243-1以太网模块的模块ID。VW100516#006C//CDB长度VW100716#0014//NPB长度VB100916#01//配置数据版本VB101016#00//项目配置版本VW101316#0004//自动检测通信，用户配置IP地址，使能CRC保护。VD101516#C0A80001//模块的IP地址（192.168.0.1）。VD101916#FFFFFF00//模块的子网掩码地址（255.255.255.0）。VD102316#00000000//网关地址（0.0.0.0）。VW102730//保持活动时间间隔（秒）。//------------------------------------------连接0VB102916#82//服务器连接。保持活动已使能。VD103016#C0A80002//从这些客户机（192.168.0.2）接受连接。VW103416#1003//此连接的本地TSAP（10.03）。VW103616#1003//此连接的远程TSAP（10.03）。//------------------------------------------连接1~连接7⑵

客户机（Client）的配置①以太网向导提示②

指定模块位置CPU22414DI/10DOEM22316DI/16DOEM235

4AI/1A0EM277PROFIBUS-DPCP243-1以太网0123③

指定模块地址④

指定模块命令字节和连接数目CPU22414DI/10DOEM22316DI/16DOEM235

4AI/1A0EM277PROFIBUS-DPCP243-1以太网0123⑤

配置连接

为本连接（连接0）指定一个符号名，例如“AAA”。“AAA”代表IP地址为192.168.0.2的客户机与IP地址为192.168.0.1的服务器之间的连接。连接配置完成后，只能确保服务器与客户机之间能相互通信，并没有任何与用户有关的数据被传输。在客户机中，还须配置通信双方需要交换的信息，也就是配置数据传输事件，一个连接下面最多可以配置32个传输事件。⑥

数据传输提示⑦

配置CPU至CPU数据传输从服务器读取写出到服务器

服务器可以被访问的存储空间：I、Q、M、V。客户机读取或写入的存储空间：V。连接0（AAA）的第1个传输事件（AAA_1）：将服务器的IB0读取到客户机的VB100中。连接0（AAA）的第2个传输事件（AAA_2）：将客户机的VB101写入到服务器的QB0中。⑧CRC保护与保持活动时间间隔⑨

分配V存储区⑩

生成项目组件“数据块”→“向导”→“ETH3_DATA”VB1000'CP243'//位于位置3的CP243-1以太网模块的模块ID。VW100516#006C//CDB长度VW100716#0014//NPB长度VB100916#01//配置数据版本VB101016#00//项目配置版本VW101316#0004//自动检测通信，配置IP地址，使能CRC保护。VD101516#C0A80002//模块的IP地址（192.168.0.2）。VD101916#FFFFFF00//模块的子网掩码地址（255.255.255.0）。VD102316#00000000//网关地址（0.0.0.0）。VW102730//保持活动时间间隔（秒）。//------------------------------------------连接0VB102916#83//客户机连接，保持活动已使能。VD103016#C0A80001//此连接的服务器地址（192.168.0.1）。VW103416#1003//此连接的本地TSAP（10.03）。VW103616#1003//此连接的远程TSAP（10.03）。//------------------------------------------连接1~连接7VB1038至VW1099均为0。//连接未定义//-------------------------------------------网络数据块部分VB1134'R=1,VB100,IB0'//信息0；连接0。VB