第9章 可编程控制器的通信与网络

电气控制与PLC应用（第九章）,主编：陈建明副主编：巫付专朱晓东熊军华,第9章可编程控制器的通信与网络,了解通信及网络基础的相关知识掌握S7系列PLC的网络类型及配置熟练掌握S7-200网络及应用,学习目标：,教学内容：9.1通信及网络基础9.2S7系列PLC的网络类型及配置9.3S7-200网络及应用,第9章可编程控制器的通信与网络,9.1通信及网络基础,在实际工作中，无论是计算机之间还是计算机的CPU与外部设备之间常常要进行数据交换。不同的独立系统由传输线路互相交换数据便是通信，构成整个通信的线路称之为网络。通信的独立系统可以是计算机、PLC或其他有数据通信功能的数字设备，称为DTE（DataTerminalEquipment）。传输线路的介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤或无线电波等。,返回,9.1.1数据通信方式,数据传输方式:,按照传输数据的时空顺序，数据的通信可分为并行通信和串行通信两种：并行通信：所传送数据的各位同时发送或接收。串行通信：所传送的数据按顺序一位一位地发送或接收。,9.1.1数据通信方式,数据传输方式:,串行通信按信息传输格式分为同步通信和异步通信:异步通信：异步传送也称起止式传送，它是利用起止法来达到收发同步的。同步传送：同步传送在数据开始处就用同步字符（通常为12个）来指示。,9.1.1数据通信方式,数据传送方向:,按串行通信的数据在通信线路进行传送的方向可分为单工、半双工和全双工通信方式三种:单工通信方式：单工通信就是指数据的传送始终保持同一个方向，而不能进行反向传送。半双工通信方式：半双工通信就是指信息流可以在两个方向上传送，但同一时刻只限于一个方向传送。全双工通信方式：全双工通信能在两个方向上同时发送和接收。,9.1.1数据通信方式,波特率:,波特率，即数据传送速率，表示每秒钟传送二进制代码的位数，它的单位是bit/s。假如数据传送速率是120字符/s，而每个字符包含10个代码位（一个起始位、一个终止位、8个数据位）。这时传送的波特率为：10b/字符120字符/s=1200b/s,9.1.1数据通信方式,传送介质:,目前普遍使用的传送介质有：同轴电缆、双绞线、光缆，其它介质如无线电、红外微波等在PLC网络中应用很少。其中双绞线（带屏蔽）成本低、安装简单；光缆尺寸小、质量轻、传输距离远，但成本高、安装维修需专用仪器。,9.1.1数据通信方式,串行通信接口:,RS-232接口：C接口是1969年由美国电子工业协会EIA（E1ectronicIndustriesAssociation）所公布的串行通信接口标准。它采用按位串行的方式，单端发送、单端接收。RS-422接口：RS-422接口传输线采用差动接收和差动发送的方式传送数据，也有较高的通信速率（波特率可达10MB以上）和较强的抗干扰能力。RS-485接口：RS-485接口是RS-422的变型。,9.1.2网络概述,将具有独立功能而又分散在不同地理位置的多台计算机，通过通信设备和通信线路连接起来构成的计算机系统称为计算机网络。PLC与计算机之间或多台PLC之间也可直接或通过通信处理器构成网络，以实现信息交换；各PLC或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场进行分散控制，再用网络连接起来，组成集中管理的分布式网络。互连和通信是网络的核心，网络的拓扑结构、传输控制、传输介质和通道利用方式是构成网络的四大要素。,返回,数据通信的网络拓扑结构:,树形结构：结构中处于较高位置的站点控制位于它下面的那些站点的数据通信。总线形结构：利用总线把所有节点连接起来，其特点是所有站点共享一个公共通信总线。星形结构：以中央节点为中心与各个节点连接组成，网络中任何两个节点要进行通讯都由中央控制站点控制并转换。环路结构：以环行网中各节点首尾顺序连接形成。,9.1.2网络概述,介质访问控制也称传输控制，是指对网络通道占有权的管理和控制。局部网络上的信息交换方式有两种：,线路交换，即发送节点与接收节点之间有固定的物理通道，且该通道一直保持到通话结束，如电话系统。“报文交换”或“包交换”，这种交换方式是把编址数据组，从一个转换节点传到另一个转换节点，直到目的站。发送节点和接收节点之间无固定的物理通道。,9.1.2网络概述,目前局域网应用较多的传输控制有两种即令牌传送方式和争用方式：,令牌传送方式，这种方式对介质的访问控制权是以令牌为标志的。令牌是一组二进制码，网络上的节点按某种规则排序，令牌被依次从一个节点传到下一个节点，只有得到令牌的节点才有权控制和使用网络，已发送完信息或无信息发送的节点将令牌传给下一节点。在令牌传送中，不存在控制站，不存在主从关系。这种控制方式结构简单，便于实现，成本不高可以在任何一种拓扑结构上实现。但一般常用于总线（TokenBus）和环形结构（TokenRing）。因这种结构便于实现集中管理、分散控制，所以适用于工业控制现场。,9.1.2网络概述,争用方式，这种方式允许网络中的各节点自由发送信息。但当两个以上的节点同时发送则会出现线路冲突，故需要做些约定，加以约束。目前常用的是带碰撞检测的载波侦听多址访问规约，即CSMA/CD规约。这种协议要求每个发送节点要“先听后发，边听边发”，即发送前先监听，在监听时，若总线空，则可发送，若忙，则停止发送。发送的过程中还要随时监听，一旦发现线路冲突，则停止发送报文，且已发内容全部作废，并发送一段简短的冲突标志（阻塞码序列）。CSMA/CD允许各站平等竞争，不支持带优先级的实时访问。在轻载时，控制分散，效率高，实时性好，适合于工业控制计算机网络。,9.1.2网络概述,常用的通道利用方式有两种：,基带方式：利用传输介质的整个带宽进行信号传送。优点是价格低、设备简单，可靠性高.缺点是通道利用率低，长距离传送衰减大。宽带方式：把通信通道以不同的载频划分成若干通道，在同一传输介质上同时传送多路信号。优点是通道利用率高，但因须加调制解调器，其成本较高。,9.1.2网络概述,国际标准化组织ISO于1978年提出了开放系统互连OSI参考模型，它所用的通信协议一般为7层：,物理层；实际通信就是通过物理层在互联媒体上进行的。数据链路层；负责在两个相邻节点间的链路上，实现差错控制。网络层；报文包的分段、报文包阻塞的处理及通信子网路径的选择。传输层；负责从会话层接收数据，把它们传到网络层。会话层；支持通行管理和实现最终用户应用进程的同步。表示层；用于应用层信息内容的形式交换。应用层。为用户的应用服务提供信息交换。,9.1.2网络概述,9.2S7系列PLC的网络类型及配置,简单网络：指以个人计算机为主站，一台或多台同型号的PLC为从站，组成简易集散控制系统。在这种系统中，个人计算机充当操作站，实现显示、报警、监控、编程及操作等功能，而多台PLC负责控制任务；PLC也可以作为主站，其他多台同型号PLC作为从站，构成主从式网络。多级复杂网络：现代大型工业企业PLC控制系统中，一般采用多级网络的形式。不同PLC厂家的自动化系统网络结构的层数及各层的功能分布有所差异。,9.2.1PLC网络类型,返回,9.2.2通信协议,在PLC网络中使用的通信协议有通用协议和公司专用协议两大类：,通用协议：在PLC网络的各个层次中，高层子网中一般采用通用协议，如PLC网之间的互连及PLC网与其他局域网的互连，这表明工业网络向标准化和通用化发展的趋势。公司专用协议：子网一般采用公司专用协议，尤其是最底层子网，由于传送的是过程数据及控制命令，这种信息较短，但实时性要求高。,返回,9.2.2通信协议,PLC网络常用通信协议：,PPI协议：PPI通信协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的一个通信协议。MPI协议：MPI允许主主通信和主从通信，S7-200可以通过通信接口连接到MPI网上，主要应用于S7-300/400CPU与S7-200通信的网络中。Profibus协议：Profibus协议通常用于实现分布式I/O设备（远程式I/O）的高速通信。,9.2.2通信协议,PLC网络常用通信协议：,用户自定义协议（自由口通信模式）：自由口通信(FreeportMode)模式是指CUP串行通信口可由用户程序控制，自定义通信协议。USS协议：USS协议是西门子传动产品（变频器等）通信的一种协议，S7-200提供相应的指令。TCP/IP协议：通过以太网扩展模块CP243-1和互联网扩展模块CP243-1IT，S7-200将能支持TCP/IP以太网通信。,9.2.3通信设备,与S7-200相关的主要有以下网络设备及自由口通信设备：,通信口；S7-200主机带有一或两个串行通信口。网络连接器；通信电缆；主要有Profibus和PC/PPI电缆。网络中继器；调制解调器；Profibus-DP通信模块；工业以太网CP243-l通信处理器；工业以太网CP243-2通信处理器；EM241MODEM模块。,返回,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,S7系列PLC常见的通信网络主要有把计算机或编程器作为主站、把操作面板作为主站和把PLC作为主站等类型，这几种类型中又可分为：,单主站PPI；编程站可以通过PC/PPI电缆或者通信卡（CP）与S7-200可以组成单主站PPI网络进行通信。多主站PPI；编程站通过PC/PPI电缆或者通信卡（CP）与S7-200可以组成多主站单从站PPI网络。复杂的PPI网络。,返回,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,单主站PPI；编程站可以通过PC/PPI电缆或者通信卡（CP）与S7-200可以组成单主站PPI网络进行通信。,单主站PPI网络,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,多主站PPI；编程站通过PC/PPI电缆或者通信卡（CP）与S7-200可以组成多主站单从站PPI网络。,只带一个从站的多主站,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,多主站PPI；编程站通过PC/PPI电缆或者通信卡（CP）与S7-200可以组成多主站单从站PPI网络。,多个从站和多个主站,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,复杂的PPI网络。图9-12和图9-13给出了一个点对点通信的有多个从站的多主站网络实例。,点对点通信,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,复杂的PPI网络。图9-12和图9-13给出了一个点对点通信的有多个从站的多主站网络实例。,HMI设备及点对点通信,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,使用S7-200、S7-300和S7-400设备配置网络：,网络波特率小于187.5K，S7-200用XGET和XPUT指令与S7-200CPU通讯。如果S7-200处于主站模式，那么S7-200将无法与之通讯，若要与S7-200的CPU通讯，其配置STEP7-Micro/WIN32的方法同上节一样。如果通信波特率超过187.5k，S7-200CPU必须使用EM277模块连接网络，计算机（STEP7-Micro/WIN32）必须使用通信卡（CP）与网络来连接。,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,PROFIBUS网络配置实例：,S7-315-2DP作Profibus主站，EM277作Profibus从站网络,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,PROFIBUS网络配置实例：,含有STEP7-Micro/WIN和HMI的网络,9.2.4S7系列PLC产品组建的几种典型网络,以太网、互联网设备的网络配置：,STEP7-Micro/WIN通过以太网连接两个S7-200通信,9.2.5通信参数的设置,不同的网络配置其通信参数的设置是不同的，要进行通信参数设置，应先运行STEP7-Micro/WIN32软件进入“通讯设定”对话框。可通过单击“引导条”中的“通讯”图标进入该对话框。进入“设置PG/PC接口（SetPG/PCInterface）”对话框后即可按以下步骤进行安装或删除通信接口操作。,返回,9.2.6S7-200的参数设置,设置好通信参数后，也应根据需要为S7-200进行参数设置，主要包括：站地址、波特率、间隔更新系数等参数的设置。下载系统块到S7-200之前，需确认STEP7-Micro/WIN32的通信口的参数与当前S7-200的参数是否匹配，主要看站地址、波特率等参数是否一致，下载成功后，可打开“通讯设定”对话框并双击该对话框右上角的刷新图标搜寻并连接网络上的S7-200。,返回,9.3S7-200网络及应用,S7-200之间经常采用PPI协议进行通信。S7-200默认运行模式为从站模式，但在用户应用程序中可将其设置为主站运行模式与其他从站进行通信，用相关网络指令对其他从站中的数据进行读写。,9.3.1网络指令及应用,返回,9.3.2自由口指令及应用,自由口模式允许应用程序控制S7-200的串行通信口，S7-200处于RUN方式时，当选择了自由通信口模式，用户程序通过接收中断、发送中断来发送指令，用户程序通过使用发送指令、接收