搜索
第6章PLC的通信与自动化通信网络6.1计算机通信概述6.1.1串行通信1．并行通信与串行通信并行数据通信以字节或字为单位传输数据，已很少使用。串行数据通信每次只传送二进制数的一位。最少只需要两根线就可以组成通信网络。2．异步通信与同步通信接收方和发送方的传输速率的微小差异产生的积累误差，可能使发送和接收的数据错位。异步通信采用字符同步方式（见图6-1），通信双方需要对采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。接收方将停止位和起始位之间的下降沿作为接收的起始点，在每一位的中点接收信息。奇偶校验用硬件保证发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”的个数为偶数或奇数。接收方用硬件对接收到的每一个字符的奇偶性进行校验，如果奇偶校验出错，SM3.0为ON。可以设置为无奇偶校验。同步通信的发送方和接收方使用同一个时钟脉冲。接收方可以通过调制解调方式得到与发送方同步的接收时钟信号。3．单工通信与双工通信单工通信只能沿单一方向传输数据，双工通信每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。全双工方式通信的双方都能在同一时刻接收和发送数据。半双工方式通信的双方在同一时刻只能发送数据或只能接收数据。4．传输速率单位为bit/s或bps。6.1.2串行通信的端口标准1．RS-232CRS-232C的最大通信距离为15m，最高传输速率为20kbit/s，只能进行一对一的通信。RS-232C使用单端驱动、单端接收电路，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。2．RS-422ARS-422A采用平衡驱动、差分接收电路，因为接收器是差分输入，两根线上的共模干扰信号互相抵消。在最大传输速率10Mbit/s时，允许的最大通信距离为12m。传输速率为100kbit/s时，最大通信距离为1200m，一台驱动器可以连接10台接收器。3．RS-485RS-422A是全双工，用4根导线传送数据。RS-485是RS-422A的变形，为半双工，使用双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统。6.2计算机通信的国际标准6.2.1开放系统互连模型物理层的下面是物理媒体，例如双绞线、同轴电缆和光纤等。物理层定义了传输媒体端口的机械、电气功能和规程的特性。数据链路层的数据以帧为单位传送，每一帧包含数据和同步信息、地址信息和流量控制信息等。通过校验、确认和要求重发等方法实现差错控制。应用层为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。6.2.2IEEE802通信标准1．CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）的基础是以太网。每个站都是平等的，采用竞争方式发送信息到传输线上，“先听后讲”和“边听边讲”。其控制策略是竞争发送、广播式传送、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。以太网越来越多地在底层网络使用。2．令牌总线令牌绕逻辑环周而复始地传送。要发送报文的站等到令牌传给自己，判断为空令牌时才能发送报文。令牌沿环网循环一周后返回发送站时，如果报文已被接收站复制，发送站将令牌置为“空”，送上环网继续传送，以供其他站使用。3．令牌环用得少4．主从通信方式主从通信网络有一个主站和若干个从站。主站向某个从站发送请求帧，该从站接收到后才能向主站返回响应帧。主站按事先设置好的轮询表的排列顺序对从站进行周期性的查询。6.2.3现场总线及其国际标准1．现场总线IEC对现场总线的定义：“安装在制造和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、多点通信的数据总线”。2．现场总线的国际标准（1）IEC61158IEC61158第4版采纳了经过市场考验的20种现场总线（见表6-1）。其中约一半是实时以太网。（2）IEC62026IEC62026是供低压开关设备与控制设备使用的控制器电气接口标准。6.3西门子的工业自动化通信网络1．工业以太网网络规模可达1024站，距离可达1.5km(电气网络)或200km(光纤网络)，10M/100Mbit/s。S7-200使用以太网模块CP243-1或互联网模块CP-243-1IT。2．PROFIBUS传输速率最高12Mbit/s，响应时间典型值为1ms，使用屏蔽双绞线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可以接入127个从站。S7-200通过从站模块EM277接入PROFIBUS-DP（分布式外部设备），PROFIBUS-PA（过程自动化）是用于防爆区域的现场传感器和执行器的低速数据传输。PROFIBUS-FMS（现场总线报文规范）现在很少使用。3．AS-i（执行器-传感器接口）使用屏蔽的或非屏蔽的双绞线，由总线提供电源。响应时间小于5ms，CP243-2是S7-200的AS-i主站模块。6.4S7-200的通信功能与串行通信网络6.4.1S7-200的网络通信协议S7-200支持点对点接口（PPI）、多点接口（MPI）和PROFIBUS协议，物理层均为RS-485。一个网络中有127个地址（0～126），最多32个主站。网络中各设备的地址不能重叠。可以使用的通信协议与硬件有关，见表6-2。1．点对点接口协议（PPI）S7-200CPU一般为从站，编程计算机或人机界面（HMI）为主站。2．多点接口协议（MPI）S7-200CPU为从站。S7-300/400作主站，用X_GET/X_PUT指令读写S7-200的存储区。通信数据包最大76B。S7-200不需要编写通信程序。3．PROFIBUS协议S7-200通过EM277PROFIBUS-DP从站模块接入网络。主站周期性地读写指定的从站的V存储区。4．TCP/IP用CP243-1或CP-243-1IT模块接入以太网。5．用户定义的协议（自由端口模式）由用户自定义与其他设备通信的串行通信协议。6.4.2S7-200的通信功能1．西门子PLC之间的通信S7-200之间可用PPI网络、EM241Modem模块、以太网和无线电通信。S7-200与S7-300/400之间可通过PROFIBUS-DP、MPI、以太网、ModbusRTU协议通信。2．S7-200与西门子驱动装置之间的通信一般用USS协议，S7-200和V20之间还可以使用ModbusRTU协议。3．S7-200与第三方HMI（操作面板）之间的通信如果对方支持，可用PPI、PROFIBUS-DP、MPI、ModbusRTU协议通信。4．S7-200与第三方SCADA软件之间的通信如果对方支持，可用PPI、MPI、PROFIBUS-DP、ModbusRTU等协议或OPC软件PCAccess通信。5．S7-200与第三方设备之间的通信如果对方支持，可用PROFIBUS-DP、ModbusRTU协议或自由端口模式通信。6.4.3S7-200的串行通信网络中继器用来将网络分段，每个网段最多32个设备，中继器可扩展网络长度。终端电阻可吸收网络上的反射波，有效地增强信号强度。网络终端的连接器上的开关应放在On位置（接入终端电阻），网络中间的连接器上的开关应放在Off位置。6.5S7-200的通信指令6.5.1网络读写指令1．NETR/NETW指令NETR/NETW指令最多可以读、写远程站点16B的数据。只有主站需要调用NETR/NETW指令。2．用网络读写向导生成网络读写程序【例6-1】2号站为主站，3号站为从站。要求2号站将它的VB100～VB103的值写入3号站的VB200～VB203。2号站读取3号站的VB204～VB207的值，存放到本站的VB104～VB107。生成一个名为“网络读写指令通信主站”的项目。1）双击指令树的“向导”文件夹中的“NETR/NETW”，打开网络读写指令向导，设置网络操作的项数为2。每一页的操作完成后单击“下一步”按钮。2）在第2页选择使用PLC的通信端口0，采用默认的子程序名称“NET_EXE”。3）在第3页采用默认的操作“NETR”，从3号站读取4B的数据，本地和远程PLC的起始地址分别为VB104和VB204。4）单击“下一项操作”按钮，在第4页设置操作为“NETW”，将4B数据写入3号站，本地和远程PLC的起始地址分别为VB100和VB200。5）在第5页设置V存储区的起始地址为VB200。6）单击第6页的“完成”按钮，生成子程序NET_EXE和名为NET_SYMS的符号表。在主站OB1中调用自动生成的NET_EXE。生成名为“网络读写指令通信从站”的项目，用系统块设置其通信端口的PPI站地址为3，从站和主站通信的波特率相同。采用默认的设置，两块CPU的全部V区均被设置为有断电保持功能。将系统块和程序块下载到两个CPU，用状态表将主站要发送到从站的数据写入VB100～VB103，将数据写入从站中主站要读取的VB204～VB207。连接两块CPU的RS-485端口。将两块CPU切换到RUN模式，主站读写从站的地址区后，用USB/PPI电缆读取双方状态表中接收到的数据。6.5.2发送指令与接收指令1．自由端口模式自由端口模式由用户自定义与其他设备通信的协议。ModbusRTU通信协议和USS协议就是自由端口模式的通信协议。RS-232/PPI多主站电缆和将USB映射为COM口的国产USB/PPI电缆支持自由端口通信。2．自由端口模式的参数设置CPU处于STOP模式时，自由端口模式被禁止，CPU通过PPI协议与编程设备通信。只有当CPU处于RUN模式时，才能使用自由端口模式。自由端口模式用控制字节SMB30/130设置端口的波特率和奇偶校验等参数（见表6-8）。3．发送指令XMT发送指令可发送1~255字节的数据。发送缓冲区的第一个字节是要发送的字节数，它本身并不发送出去。4．接收指令RCV接收指令RCV用于起动或终止接收消息的服务。接收结束后产生中断。消息接收的状态字节见表6-9。5．接收指令开始接收数据的条件见表6-10。6．接收指令终止接收的方式见表6-10。6.6使用自由端口模式的计算机与PLC的通信6.6.1使用接收完成中断的通信程序设计1．通信方式采用主从方式和异或校验，计算机为主站，PLC为从站。【例6-2】用RCV指令和接收完成中断接收数据。用空闲线条件和初始字符作为消息开始的条件。采用异或校验保证通信的可靠性。用消息定时器来结束消息接收。最大字符数为20。6.6.2串口通信调试软件的应用1．软件的功能可以选择字符串、十进制或十六进制这3种数据格式，可计算常用的校验码，生成常用的多种协议格式的帧，具有记忆功能。2．通信参数和发送方式的设置执行“串口设置”菜单中的“串口属性”命令，设置通信参数。3．组织发送帧选用十六进制格式，将要发送的数据键入“发送帧”文本框。数据（0～16#FF）用空格隔开。5．串口通信调试软件应用实例将例程“接收完成中断的通信”下载到CPU，将CPU切换到RUN模式。关闭STEP7-Micro/WIN，打开串口通信调试软件，设置端口的参数。将要发送的十六进制数输入“发送帧”文本框。单击“计算校验码”按钮，单击“计算校验码”对话框的“异或”按钮，将生成的校验码附在“发送帧”文本框中数据字节之后。添加起始字符16#FF。单击“发送”按钮，应能接收到PLC返回的内容相同的消息。关闭串口通信调试软件，将CPU切换到STOP模式。打开编程软件，用状态表观察从VB100开始的接收缓冲区中的数据。发送一个错误的校验码，显示接收超时，校验错误指示位Q1.0被置为ON。6.7Modbus协议在通信中的应用6.7.1ModbusRTU通信协议Modbus串行链路协议是主-从协议，有一个主站，1～247个子站。RTU模式用循环冗余校验（CRC）进行错误检查，消息最多256B。通信端口被Modbus通信占用时，不能用于其他用途。6.7.2基于ModbusRTU主站协议的通信Modbus协议通信需要安装STEP7-Micro/WINV32指令库，实际中使用得最多的是PLC作ModbusRTU主站，变频器等其他设备作从站。1．主站协议的初始化和执行时间主站向Modbus从站发送请求消息（简称为请求），然后处理从站返回的响应消息。2．MBUS_CTRL指令图