PLC的网络通信技术及应用

工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用1/811．数据传输方式（1）并行通信方式传送数据时，一个数据的所有位同时传送。并行通信的特点是：传送速率快，但硬件成本高，不宜于远距离通信。（2）串行通信方式传送数据时，数据的各个不同位分时使用同一条传输线，从低位开始一位接一位按顺序传送。串行通信的特点是：需要的信号线少，最少的只需要两根线（双绞线），适合远距离传送数据。串行通信传输速率（又称波特率）的单位为“比特每秒”，即每秒钟传送的二进制位数，用bit/s或bps表示。通信基础知识工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用2/81通信基础知识2．数据传送方向（1）单工方式在单工通信方式下，通信线的一端连接发送器，另一端连接接收器，它们形成单向连接，只允许数据按照一个固定的方向传送。如图所示，数据只能由A站传送到B站，而不能由B站传送到A站。A站发送器数据流接收器B站工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用3/81通信基础知识2．数据传送方向（2）半双工方式在半双工通信方式下，系统中每一个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，通过收发开关接到通信线路上，如图所示。在这种方式中，数据能从A站传送到B站，也能从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向上传送，即每次只能一个站发送，另一个站接收。收发开关通过半双工通信协议进行功能切换。B站A站发送器接收器发送器接收器数据流工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用4/812．数据传送方向（3）全双工方式在全双工通信方式下，系统中每一个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，数据可以同时在两个方向上传送。B站A站发送器接收器发送器接收器数据流通信基础知识工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用5/81通信基础知识3．传输介质目前普遍使用的传输介质有同轴电缆、双绞线和光缆。其中双绞线（带屏蔽）成本低、安装简单；光缆的尺寸小、质量轻、传输距离远，但成本高、安装维修不方便。PROFIBUS电缆PROFIBUS光缆工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用6/814．串行通信接口（1）RS-232C接口采用负逻辑，利用传输信号线与地线之间的电压差表示逻辑电平，用-5~-15V表示逻辑“1”，用+5~+15V表示逻辑“0”。RS-232C使用单端发送、单端接收的电路。发送器和接收器之间有公共的信号地线，共模干扰信号不可避免地要进入信号传送系统中，使信号“0”变成“1”，“1”变成“0”。最大通信距离为15m,最高传输速率为20kbit/s，只能进行一对一通信。TXDRS-232CRXD通信基础知识工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用7/814．串行通信接口（2）RS-422接口RS-422接口采用平衡驱动、差动接收电路，从根本上取消了信号地线，如图所示。利用两条信号线之间的电压差表示逻辑电平，（VA-VB）+0.2V表示逻辑“1”，（VA-VB）-0.2V表示逻辑“0”。当外部的干扰信号作为共模信号出现时，两根传输线上的共模干扰信号相同，因接收器是差分输入，共模干扰信号可以互相抵消。RS-422接口抗干扰能力强，有较高的通信速率，适合远距离传输。TXDRS-422RXDAB通信基础知识工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用8/814．串行通信接口（3）RS-485接口RS-485接口是RS-422的变形，与RS-422不同的是：RS-422是全双工的，RS-485是半双工的。RS-485只有一对平衡差分信号线，用最少的信号连线（双绞线）即可实现通信任务。TXDTXDRXDRXDRS422RS-422连线方案使能TXDTXDRXDRXDRS-485使能RS-485连线方案通信基础知识工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用9/81西门子工业网络通信执行器-传感器级设备级车间级企业级工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用10/81工业以太网（IndustrialEthernet）工业以太网是一个世界范围认可的工业标准。它支持广域的开放型网络模型，采用多种传输介质（同轴电缆，工业双绞线，光纤电缆），均具有高的传输率。用于企业级和车间级的通信系统。工业以太网被设计为对实时性要求不严格、需要传输大量数据的通信系统，可以通过网关设备来连接远程网络。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用11/81现场总线网络（PROFIBUS）PROFIBUS协议用于分布式I/O设备（远程I/O）的高速通信。许多厂家生产的自动化控制设备都支持PROFIBUS协议。该协议使用RS-485串行口，通过屏蔽双绞线进行网络连接。PROFIBUS网络中可以有若干个主站，每个主站配有属于自己的若干个从站。主站可以访问自己的从站，也可以有限地访问其它主站的从站。现场总线通信方式彻底消除了拥挤、紊乱的接线，现场只需要一根总线电缆，用一根总线电缆替代复杂而又价格昂贵的成束电缆，系统运行抗干扰能力增强，更安全可靠。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用12/81多点接口（MPI，Multi-PointInterface）MPI是西门子的S7-300/400CPU、操作员面板（OP）和编程器上集成的通信接口。通过MPI接口，不用附加的CP模块即可实现网络化，MPI网络可用于车间级通信，可以在少数CPU之间传递少量数据。MPI协议可以是主/主协议也可以是主/从协议，这取决于网络中连接的设备类型。如果网络中只有S7-300/400CPU，则建立主/主连接。如果网络中有S7-200CPU，因为S7-200CPU只能作从站，所以建立主/从连接。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用13/81执行器-传感器接口（AS-I,Actuator-Sensor-Interface）执行器-传感器接口是位于自动控制系统最低层的网络，用于将二进制传感器和执行器连接到网络上，例如：接近开关、阀门、指示灯等。采用AS-I接口，二进制传感器和执行器就具有了通信能力，它适于直接的现场总线连接不可取或不经济的场合。与强大的PROFIBUS不同，AS-I只能传输少量的信息。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用14/81点到点接口（PPI，Point-to-PointInterface）PPI接口是S7-200CPU上的通信口，PPI协议是西门子公司专为S7-200PLC开发的通信协议，通过屏蔽双绞线进行网络连接。PPI协议是一个主/从协议，主站向从站发送通信申请，从站进行响应，从站不能主动发出信息。一般情况下，网络中的S7-200CPU都默认为是从站，主站是PC机、编程器、TD200文本显示器等。某些S7-200CPU在RUN模式下可以作为主站，用网络读（NETR）和网络写（NETW）指令访问其它CPU中的数据。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用15/81MPI网络通信MPI是多点通信接口（MultiPointInterface）的简称。MPI物理接口符合ProfibusRS485（EN50170）接口标准。MPI网络的通信速率为19.2kbit/s～12Mbit/s，S7-200只能选择19.2kbit/s的通信速率，S7-300通常默认设置为187.5kbit/s，只有能够设置为Profibus接口的MPI网络才支持12Mbit/s的通信速率工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用16/81MPI网络组建用STEP7软件包中的Configuration功能为每个网络节点分配一个MPI地址和最高地址，最好标在节点外壳上；然后对PG、OP、CPU、CP、FM等包括的所有节点进行地址排序，连接时需在MPI网的第一个及最后一个节点接入通信终端匹配电阻。往MPI网添加一个新节点时，应该切断MPI网的电源。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用17/81MPI网络示意图工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用18/81MPI网络连接器为了保证网络通信质量，总线连接器或中继器上都设计了终端匹配电阻。组建通信网络时，在网络拓扑分支的末端节点需要接入浪涌匹配电阻。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用19/81采用中继器延长网络连接距离工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用20/81全局数据包通信方式MPI网络通信分为：全局数据通讯方式无组态连接的MPI通讯方式有组态连接的MPI通讯方式全局数据（GD）通信方式以MPI分支网为基础而设计的。在S7中，利用全局数据可以建立分布式PLC间的通讯联系，不需要在用户程序中编写任何语句。S7程序中的FB、FC、OB都能用绝对地址或符号地址来访问全局数据。最多可以在一个项目中的15个CPU之间建立全局数据通讯。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用21/81GD通信原理在MPI分支网上实现全局数据共享的两个或多个CPU中，至少有一个是数据的发送方，有一个或多个是数据的接收方。发送或接收的数据称为全局数据，或称为全局数。具有相同Sender/Receiver（发送者/接受者）的全局数据，可以集合成一个全局数据包（GDPacket）一起发送。每个数据包用数据包号码（GDPacketNumber）来标识，其中的变量用变量号码（VariableNumber）来标识。参与全局数据包交换的CPU构成了全局数据环（GDCircle）。每个全局数据环用数据环号码来标识（GDCircleNumber）。例如，GD2.1.3表示2号全局数据环，1号全局数据包中的3号数据。在PLC操作系统的作用下，发送CPU在它的一个扫描循环结束时发送全局数据，接收CPU在它的一个扫描循环开始时接收GD。这样，发送全局数据包中的数据，对于接收方来说是“透明的”。也就是说，发送全局数据包中的信号状态会自动影响接收数据包；接收方对接收数据包的访问，相当于对发送数据包的访问。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用22/81GD通信的数据结构全局数据可以由位、字节、字、双字或相关数组组成，它们被称为全局数据的元素。一个全局数据包由一个或几个GD元素组成，最多不能超过24B。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用23/81全局数据环全局数据环中的每个CPU可以发送数据到另一个CPU或从另一个CPU接收。全局数据环有以下2种：①环内包含2个以上的CPU，其中一个发送数据包，其它的CPU接收数据；②环内只有2个CPU，每个CPU可既发送数据又接受数据。S7-300的每个CPU可以参与最多4个不同的数据环，在一个MPI网上最多可以有15个CPU通过全局通讯来交换数据。其实，MPI网络进行GD通信的内在方式有两种：一种是一对一方式，当GD环中仅有两个CPU时，可以采用类全双工点对点方式，不能有其它CPU参与，只有两者独享；另一种为一对多（最多4个）广播方式，一个点播，其它接收。工业自动化技术2020/8/14第6章PLC的网络通信技术及应用24/81GD通信应用应用GD通信，就要在CPU中定义全局数据块，这一过程也称为全局数据通信组态。在对全局数据进行组态前，需要先执行下列任务：①定义项目和CPU程序名；②用PG单独配置项目中的每个CPU，确定其分支网络号、MPI地址、最大MPI地址等参数在用STEP7开发软件包进行GD通信组态时，由系统菜单【Options】中的【DefineGlobalData】程序进行GD表组态。具体组态步骤如下：③在GD空表中输入参与GD通信的CPU代号；④为每个CPU定义并输入全局数据，指定发送GD