可编程控制器通信及组网PPT课件

.,1,第6章可编程控制器通信及组网,.,2,教学提示：在自动控制系统中，PLC与工业控制计算机、PLC与PLC、PLC与外围设备之间的通信统称为PLC通信，所构成的通信网络称为PLC网络。PLC通信系统的应用目的就是要将多个PLC、计算机以及各种外围设备进行互联，通过某种共同约定的通信规则和通信方式，传输和交换信息数据，以实现由一台计算机控制和管理多台PLC设备，或多台PLC之间的监控管理，组成不同的PLC网络系统。教学目标：理解数据通信的基础知识，掌握PLC通信常用的接口电路，熟悉PLC网络系统。,.,3,6.1数据通信基础知识,6.3计算机系统的通信标准,6.4PLC的网络构成,6.2PLC常用通信接口,6.5PLC的通信方式,.,4,6.1数据通信基础知识,通信就是系统之间按一定规则进行的信息传送和交换。随着数据通信技术的日益成熟及企业对工业自动化程度要求的提高，对PLC控制系统的要求也随之提高。现在，不仅要求构成控制系统的PLC具备集中式控制的功能，还要能够完成多级分布式控制，即PLC必须具备通信的功能。通信系统的基本通信方式可分为两种类型：并行通信与串行通信。,.,5,6.1.1并行通信与串行通信,6.1.2单工通信与双工通信,6.1.3数据通信的主要技术指标,6.1.4通信网络传输介质,.,6,6.1.1并行通信与串行通信,1并行通信并行通信是指以字节或字为单位，同时将多个数据在多个并行信道上进行传输。并行通信的速度较快，但随着传输位数的增多，电路的复杂程度相应增加，成本也随之上升，抗干扰能力较差。因此，并行通信较适合于短距离和高速率的数据通信。例如，PLC内部的基本单元、扩展单元和特殊模块之间的数据传送。,.,7,2串行通信数据在一根传输线上按位顺序依次传输的方式称为串行通信。由于串行传输是一位一位地传输数据，所以传输速率比并行传输慢，但是串行传输只需要一两根传输线，所以它适合远距离传输的场合。并行通信在两设备间传输前不用进行串并转换，可直接进行传输。串行通信在两设备间传输前则要经过串并转换。从信号角度看，并行通信接口常用TTL电平信号。串行通信多使用RS-232C的总线电平信号(525V)或420mA环流电平信号，信号的衰减与放大处理容易。多方面因素考虑，并行通信多用于传输距离短而速度要求高的场合，串行通信则用于传输距离长而速度要求低的场合。,.,8,6.1.2单工通信与双工通信,1单工通信单工通信指的是两个数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输，而不能反向传输，即传输是单向的，任何时间都不能改变。此种方式适用于数据收集系统。,.,9,.,10,2半双工通信半双工通信是两个数据之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行，在同一时刻数据只能沿一个方向传输。半双工通信主要用在问讯、检索、科学计算等数据通信中。,.,11,3全双工通信全双工通信是在两个数据站之间可以两个方向同时进行数据传输。数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传送，通信的双方都能在同一时间接收和发送信息，这样可以大大提高传输速率。全双工通信效率比单工通信和半双工通信高。,.,12,6.1.3数据通信的主要技术指标,1数据传输速率在传输线路上传输数据的速度称为数据传输速率。数据传输速率中通常有两种表示方法：信号速率和调制速率。信号速率是指单位时间内传输线路所传输的二进制数据的有效位数，单位是比特/秒，即Bit/S。调制速率是指脉冲信号在经过调制后的传输速率，即信号在调制过程中，单位时间内调制信号状态变化的次数，单位是比特(bit)。,.,13,2误码率数据传输中出错的概率称为误码率，是在数据传输过程中衡量数据通信系统可靠性的指标。其计算公式为：误码率=Ne/N。其中Ne是指传输中出错的比特数，N为总传输比特数。,.,14,3.数据容量传输线路能传输数据的最大能力称为数据容量，一般以单位时间内最大可传输数据的位数表示。,.,15,6.1.4通信网络传输介质,通信网络传输介质是连接网络上各站或节点物理信号通路，在网络中称为通信链路。用于网络的传输介质通常有双绞线、同轴电缆、光纤等。,.,16,1双绞线双绞线是最普通又是最古老的传输介质，由两根互相绝缘的铜导线组成，这两条导线螺旋状拧在一起，可以减少邻近线路的电磁干扰。一对双绞线可用作一条通信线路，既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号。双绞线既可以用于点到点的连接，也可用于多点连接，不用中继器的最大传输距离可达到1.5km。,.,17,在实际应用中，通常将许多对双绞线捆扎在一起，用起保护作用的塑料外皮将其包裹起来制成电缆。采用上述方法制成的电缆就是非屏蔽双绞线电缆。为了便于识别导线和导线间的配对关系，双绞线电缆中每根导线使用不同颜色的绝缘层。为了减少双绞线间的相互串扰，电缆中相邻双绞线一般采用不同的绞合长度。非屏蔽双绞线电缆价格便宜、直径小节省空间、使用方便灵活、易于安装，是目前最常用的通信介质。但非屏蔽双绞线易受干扰，缺乏安全性。因此，往往采用金属包皮或金属网包裹以进行屏蔽，这种双绞线就是屏蔽双绞线。屏蔽双绞线抗干扰能力强，有较高的传输速率，100m内可达到155Mbit/s。但其价格相对较贵，需要配置相应的连接器，使用时不是很方便。,.,18,2同轴电缆同轴电缆是由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及塑料保护外层组成的，由于外导体的屏蔽作用，同轴电缆具有很好的抗干扰性，所以被广泛应用于较高速率的数据传输中。同轴电缆分为基带同轴电缆(50电缆)和宽带同轴电缆(75电缆)两类，与双绞线相比，同轴电缆抗干扰能力强，能够应用于频率更高、数据传输速率更快的场合。对其性能造成影响的主要因素来自衰减和热噪声，采用频分复用技术时还会受到交调噪声的影响。虽然目前同轴电缆大量被光纤取代，但它仍广泛应用于有线电视和某些局域网中。,.,19,3光纤光纤是一种传输光信号的传输媒介。处于光纤最内层的纤芯是一种横截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造这种纤维的材料可以是玻璃也可以塑料。纤芯的外层裹有一个包层，它由折射率比纤芯小的材料制成。正是由于在纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号才得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。在光纤的最外层则是起保护作用的外套。通常都是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。光缆传送数据速率可达几百Mbit/s。在不用转发器的情况下可在几千米范围内传输，且光缆不受电磁干扰，保密性好，是十分好的传输介质，其应用已日益广泛。当然光纤也存在一些缺点，如系统成本较高、不易安装与维护、质地脆易断裂等。,.,20,6.2PLC常用通信接口,1RS-232接口目前，RS-232是数据通信中应用最广泛的一种串行接口，它在1962年由美国电子工业协会(EIA)制定并公布。RS-232是数据终端设备与数据通信设备进行数据交换的接口。目前最受欢迎的是RS-232C，即C版本的RS-232。下面我们将以RS-232C为例介绍RS-232的具体功能。,.,21,RS-232C接口物理连接器(插头)规定为25芯插头，通常插头在数据终端设备(DTE)端，插座在数据通信设备(DCE)端。但在实际使用时，9芯插头就够了，所以近年来多采用型号为DB-9的9芯插头，传输线采用屏蔽双绞线。表6.1列出了RS-232C接口各引脚信号的定义以及9针与25针引脚的对应关系。PLC一般使用9针的连接器。,.,22,RS-232C采用负逻辑，用-5V-15V表示逻辑“l”，用+5V-15V表示逻辑“0”。噪声容限为2V，即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。图6.4(a)所示为两台计算机都使用RS-232C直接进行连接的典型连接；图6.4(b)所示通信距离较近时只需3根连接线,数据传输只使用引脚2及引脚3，另外再使用引脚5作为公共地线，特别简单。其余引脚均用作信息控制，传送的都是调制解调器的行为指令及调制解调器返回状态等。,.,23,表6.1RS-232C接口引脚信号的定义,.,24,.,25,RS-232C的电气接口采用单端驱动、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，同时还存在以下不足。(1)数据传输速率低，异步传输时，比特率仅为20kbits。(2)传输距离有限，最远为15m左右。(3)接口使用一根信号线和一根信号返回线构成共地的传输方式，这种共用一根信号地线的传输方式容易产生共模干扰，所以抗干扰能力差。,.,26,2RS-422针对RS-232C的不足，EIA于1977年推出了串行通信标准RS-422A，对RS-232C的电气特性作了改进，把平衡驱动、差分电路引入通信口，如图6.5所示。由于RS-422A采用平衡驱动、差分接收电路，从根本上取消了信号地线，大大减少了地电平所带来的共模干扰。平衡驱动器相当于两个单端驱动器，其输入信号相同，两个输出信号互为反相信号，图中的小圆圈表示反相。外部输入的干扰信号是以共模方式出现的，两极传输线上的共模干扰信号相同，因接收器是差分输入，共模信号可以互相抵消。只要接收器有足够的抗共模干扰能力，就能从干扰信号中识别出驱动器输出的有用信号，从而克服外部干扰的影响,.,27,RS-422A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。,.,28,.,29,3RS-485RS-485是RS-422的变形，RS-422A采用全双工方式，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收，所以采用RS-422接口通信时最少需要4根线。RS-485采用半双工方式，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收，最少只需两根连线。如图6.7所示，使用RS-485通信接口和双绞线可组成串行通信网络，构成分布式系统，系统最多可连接128个站。,.,30,RS-485的逻辑“1”以两线间的电压差(为+2+6)V)表示，逻辑“0”以两线间的电压差(为-2-6)V)表示。接口信号电平比RS-232C低，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。由于RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性、高传输速率(10Mbit/s)、较长的传输距离(1200m)和多站能力(最多128站)等优点，因此在工业控制中广泛应用。,.,31,6.3计算机系统的通信标准,国际标准化组织(ISO)提出的如图6.8所示的开放系统互连模型，作为通信网络国际标准化的参考模型，它详细描述了软件功能的七个层次。每个层次完成各自的功能，通过各层间的接口和功能的组合与其相邻的层连接，从而实现两系统间、各节点间信息的传输,.,32,1物理层物理层是网络的最低层。规定了使用各种互连电路、电路功能、电气特性及连接器的配置等。常用的串行异步通信接口标准RS-232C、RS-422和RS-485等就属于物理层。,.,33,.,34,2数据链路层数据键路层通过物理层提供的物理连接，实现建立、保持和断开数据链路的逻辑连接，完成数据的无差错传输。3网络层网络层的主要功能是在通信的源和目的节点之间选择一条最佳路径，使数据分组的传输能正确到达目的地，同时负责网络中的拥挤控制。,.,35,4传输层传输层在会话层的两个实体之间建立传输连接，传输层提供两个端系统之间可靠、透明的数据传送。它要进行差错控制、顺序控制等。5会话层两个表示层用户之间的连接称为会话，对应会话层的任务就是提供一种有效的方法，组织和协调两个层次之间的会话，并管理和控制它们之间的数据交换。,.,36,6表示层表示层实现不同信息格式和编码之间的转换。它将适合用户的信息表示转换为适合OSI内部使用的传送语法，完成信息格式的转换。7应用层应用层作为参考模型的最高层，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。七层模型中所有其他层的目的都是为了支持应用层，它直接面向用户，为用户提供网络服务。,.,37,一般来说，PLC的通信只涉及7层协议中的少数几层。这主要是因为当前PLC在大型网络中一般多服务于中下层，设计的技术问题相对层次较低，还由于PLC是开发成品的设备，厂家都在自己产品中安排了特定的通信模式，许多场合可以直接利用，如三菱FX系列PLC的N：N通信等。,.,38,6.4PLC的网络构成,网络就是将分布在不同物理区域的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使多台设备之间可以方便的互相传递信息、共享硬件、软件和数据信息等资源。下面对PLC的网络拓扑结构和网络系统进行介绍。,.,39,1星形结构PLC网由一台多端口主控制器构成，其各端口分别连接到一个PLC的编程端口上，图中的主控制器可以是一台计算机、PLC或其他智能主机。各现场PLC之间不直接通信，若要进行相互间数据传输，必须经过主控制器协调。这种结构的主要优点便于程序集中开发和资源共享。其缺点是系统对主控制器的依赖性也很强，一旦主控制器发生故障，整个网络通信就得停止。在小系统、通信不频繁的场合有一定应用。,.,40,.,41,2环形结构环形结构是将所有PLC连接成一个封闭的环路，数据沿事先规定好的方向在闭合环路电缆中传输。PLC一方面负责与自己所连的工作站交换信息，一方面将接收到的信号以同样的速率，同样的方向传给下一个PLC。其结构如图6.10所示。其缺点是某个PLC故障会阻塞信息通路，可靠性差。,.,42,3总线形结构总线形结构就是将网络中的所有PLC都连到一条公共通信总线上，任何PLC通过硬件接口与总线相连，都可以在总线上发送数据，并可以随时在总线上接收数据。总线形网络设备安装和修改费用低，特别适合于工业控制应用。总线形网络的灵活性好，可连接多种不同传输速率、不同数据类型的节点，也易获得较宽的传输频带，常用同轴电缆或光缆作传输介质。总线通常为开放型，扩展灵活。,.,43,.,44,6.5PLC的通信方式,PLC通信发生在PLC与计算机、PLC与PLC、PLC与远程I/O单元，通常将PLC与以计算机为主的通信连接称为PLC的上位通信系统；将PLC与同类型PLC进行通信称为同位通信系统；将PLC与远程输入输出单元进行的通信称为下位通信系统。,.,45,设置编程软件的路径,6.5.1下位通信系统,6.5.2同位通信系统,6.5.3上位通信系统,.,46,6.5.1下位通信系统,下位通信系统的组网方式有两种，一种是独立的PLC通过远程I/O模块进行通信，另一种是利用远程I/O模块扩展远程I/O模块。,.,47,1独立的PLC通信独立的PLC通过远程I/O模块进行通信的组网方式如图6.12所示。从图中可以看出，PLC系统是完全独立的，都有自己的CPU和电源，而且通信所用的模块都是远程I/O主模块。独立的PLC通信仅限于主局和从局之间通信，从局之间不能通信。不同的PLC类型，一个主局所能带的最大的从局数量不同。,.,48,2远程I/O系统远程I/O系统的组网方式如图6.13所示。从图中可以看出，远程I/O主模块插在带CPU的基架上，通过电缆连接到远程I/O从模块上。,.,49,6.5.2同位通信系统,1一对一通信一对一通信有两种形式，一种是PLC与PLC之间进行一对一通信，另一种是PLC与计算机之间进行一对一通信。一对一通信没有主从站之分，当需要通信的时候，由需要通信的一方通过通信模块向对方呼叫而进行通信，但是不能同时进行发送和接收数据。,.,50,.,51,2主从站通信主从站通信系统的组网方式如图6.15所示。从图中可以看出，每个带CPU模块的基架上都插有通信模块，这些通信模块通过电缆连接。,.,52,主从站通信时，主站通信模块的设置为主站模式，从站