1、可编程序控制器通信及网络随着计算机网络技术的发展以及各企业对工厂自动化程度要求的不断提高,自动控制也从传统的集中式向多级分布式方向发展。为了适应这种形势的发展世界各 PL C 生产厂家纷纷给自己的产品增加通信及联网的功能,研制开发出自己的 PLC 网络系统,如三菱的 MELSEC NET 网;西门子的 SINEC HI 局域网等等、现在即便是微型和小型的 PLC也都具有网络通信接口。今后网络总的发展趋势是向高速、多层次、大信息吞吐量、高可靠性和开放式(即通信协议向国际标准或地区通用工业标准靠拢)的方向发展。OMRON 公司 PLC 网络系统根据其连接方式和结构可以分为:上位连接系统;下位连接系
2、统;同位连接系统;SYSMAC 网络连接系统。PLC 网络系统十分丰富,涉及面广。本章先介绍通信网络基础知识,再分别介绍上述四种系统。通过对 OMRON 网络系统的学习可以使读者学会 PLC 的网络技术,以便在今后通过有关技术手册对 PLC 网络进行设计和应用。第一节一数据通信基础无论是计算机,还是 PLC 它们都是数字设备。它们之间交换的信息是由 “0”和“1”表示的数字信号。通常把具有一定编码、格式和位长要求的数字信号称为数据信息。数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。这里的机器可以是计算机、PLC 或是有数据通信功能的其它数字设备。数据通信系统的任务是把地理
3、位置不同的计算机和 PLC 及其它数字设备连接起来,高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理三项任务。数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议及通信软件等组成。1数据传送方式(1)并行通信与串行通信。数据通信有两种基本的方式:并行通信所传送数据的各位同时发送或接收;串行通信所传送数据按顺序一位一位地发送或接收。并行通信传送速度快,但由于一个并行数据有多少位二进制数,就需要多少根传送线,常用于近距离的通信,在远距离传送的情况下,导致通信线路复杂,成本高。穿行通信仅需一根到两根传送线,在长距离传送时,通信线路简单成本低,但与并行通信相比传送速度慢,故常用于长距离传送而速度要求不高的场合
4、。但近年来串行通信有了很快的发展甚至可达到近 Mbit/s 的数量级,因此在分布式控制系统中得到广泛应用。(2)同步和异步传送。发送端与接收端之间的同步问题是数据通信中的一个重要问题。同步不好轻者导致误码增加,重者使整个系统不能正常工作。传送过程中为了解决这一问题,在串行通信中采用了两种同步技术异步传送和同步传送。异步传送。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。在异步传送中,被传送的数据编码成一串脉冲。字节的传送由起始位“0”开始;然后是被编码的字节,通常规定低位在前,高位在后;接下来是校验位(可忽略) ;最后是停止位“1” (可以是 1 位、1.5 位、或 2 位)表示字节
5、的结束。例如,传送一个 ASCII 字符(每个字符有 7 位) ,若选用 2 位停止位,那么传送这个七位的 ASCII 字符就需要 11 位,其中起始位 1 位,校验位 1 位,停止位 2 位。其格式如图 31 所示。异步传送就是按照上述约定好的固定格式,一顿一帧地传送,因此采用异步传送的方式硬件结构简单,但是传送每一个字节就要加起始位、停止位、因而传送效率低,主要用于中、低速的通信。同步传送。同步传送在数据开始处就用同步字符(通常为 1-2 个)来指示。由定时信号(时钟)来实现发送端同步,一旦检测到与规定的同步字符相符合,接下去就连续按顺序传送数据。在这种传送方式中数据以一组数据(数据块)为
6、单位传送,数据块中每字节不需要起始位和停止位,因而就克服了异步传送效率低的缺点,但同步传送所需的软、硬件价格是异步的 8-12 倍。因此通常在数据传送速率超过 2000bps 的系统中才采用同步传送。(3)基带传送和频带传送:基带传送。基带是指电信号的基本频带。计算机或数字设备产生的“0”和“1”的电信号脉冲序列就是基带信号。基带传送是指数据传送系统对信号不做任何调制,直接传送的数据传送方式。例如,对二进制数字信号不进行任何调制,按照它们原有的波形(以脉冲形式)直接传送。在 PLC 网络中,大多数是采用基带传送。但若传送距离较大时,则可以考虑采用调制解调器进行频带传送。在基带传送方式中,为了避
7、免当存在许多个连续的“0”和“1”时系统无同步参考,多采用曼彻斯特编码。曼彻斯特编码原理是发送“1”时前半周期为低电平,后半周为高电平。在发送“0”时前半周期为高电平,后半周期为低电平。如图 3-2 所示。可以看出在“l”或“0” 的中心位置电平跃变,具有“内含时钟”性质。即使连续多个“0”或“1”时,波形也有跃变。因此 PLC 采用曼彻斯特编码方式比较多。频带传送。是把信号调制到某一频带上的传送方式。当进行频带传送时,用调制器把二进制信号调制成能在公共电话线上传送的音频信号模拟信号在通信线路上进行传送。信号传送到接收端后,再经过解调器的解调,把音频信号还原成二进制的电信号。这图 3-1 异步
8、传送图 3-2 曼彻斯特码种以调制信号的形式进行数据传送的方式就称之为频带传送。调制可采用三种方式:调幅、调频和调相。这三种调制方式的信号关系如图 3-3 图示。调幅是根据数字信号的变化改变载波信号的幅度。 “1”时波形幅度高, “0”时幅度低。载波信号的频率、相位均未改变。调频是根据数字信号的变化改变载波信号的频率。 “1”时频率高, “0”时频率低。载波信号的幅度、相位不变。调相是根据数字信号的变化改变载波信号的相位。图 9-3 中数字信号从“0”变为“1”或从“l”变为“0”时载波信号相位改变 180O。频率和幅度均不改变。基带传送方式整个频带范围都用来传送某一数字信号,即单信道。常用于
9、半双工通信。频带传送时,在一条传送线上可用频带分割的方法奖频带划分为几个信道,同时传送多路信号。例如传送两种信号:数据发送和传送使用高频信道,各站间的应答响应使用低频道,常用于全双工通信。2数据传送方向在通信线路上按照数据传送的方向可以划分为单工、半双工和全双工通信方式。(l)单工通信方式。单工通信就是指信息的传送始终保持同一个方向,而不能进行反向传送,如图 3-4(a)所示。其中 A 端只能作为发送端,B 端只能作为接收端接收数据。(2)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,如图 3-4(b)所示,其中 A 端和 B 端都具有发送和接收的功
10、能,但传送线路只有一条,或者 A 端发送 B 端接收,或者 B 端发送 A 端接收。图 3-3 三种调制形式的比较(3)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,如图 3-4(c)所示。A 端和 B 端双方都可以一面发送数据,一面接收数据。3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、重量轻、传送距离远,但成本高、安装维修需专用仪器。具体性能如表 3-1。表 3-1 传送介质性能比较传 送 介 质性 能双 绞 线 同 轴 电 缆 光 缆传送速率 9.6kb
11、it/s-2Mbit/s 1-450Mbit/s 10-500Mbit/s连接方法点到点多点1.5km 不用中继器点到点多点1.5km 不用中继器(宽带)1-3km 不用中继器(基带)点到点50km 不用中继器传送信号数字、调制信号、纯模拟信号(基带)调制信号,数字(基带)数字、声音、图像(宽带)-调制信号(基带)数字、声音、图像(宽带)支持网络 星形、环形、小型 总线型、环形 总线型、环形图 3-4 通信方向交换机抗干扰 好(需外屏蔽) 很好 极好抗恶劣环境 好 好,但必须将电缆与腐蚀物隔开 极好,耐高温和其它恶劣环境4串行通信接口标准(1)RS-232C 串行接口标准。RS-232C 是
12、1969 年由美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)所公布的串行通信接口标准。 “RS”是英文“推荐标准”一词的缩写, “232”是标识号, “C”表示此标准修改的次数。它即是一种协议标准,又是一种电气标准,它规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。PLC 与上位计算机间的通信就是通过 RS-232C 标准接口来实现的。接口的机械特性。RS-232C 的标准接插件是 25 针的 D 型连接器。其机械尺寸和外形如图 3-5 所示尽管 RS-232C 规定的是 25 针的连接器,但实际应用中未将 25 个引脚全部用满,最简单的通信只需 3 根
13、引线,最多的也不过用到 22 根。所以在上位计算机与 PLC 的通信中,使用的连接器有 25 针的,也有 9 针的,具体采用哪一种,用户可根据实际需要自行配置。接口的电气特性。RS-232C 采用负逻辑。规定逻辑“1 ”电平在5V15V 范围内,逻辑“0”在十 5V15V 范围内。这样在线路上传送的电平可高达 12 V,较之小于十 5V 的 TIL 电平来说有更强的抗干扰性能。RS-232C 标准中还规定:最大传送距离为 15m(实际上可达约 30 m) ,最高传送速率为20Kbps(Kbit/s)接口的信号功能。RS-232C 定义了 25 针连接器中的 20 条连接线。其中在 PLC 与上
14、位计算机连接器中用到的信号线见表 3-2。表 3-2 RS-232C 引脚及信号定义引 脚 信 号 说 明1 保护地 (可以不用)2 TXD 发送数据3 RXD 接收数据4 RTS 请求发送5 CTS 允许发送6 DSR 数据装置准备好7 信号地 信号地图 3-5 25 针 D 型连接器8 DCD 载波检测20 DTR 数据终端准备好22 振铃指示 响铃信号(2)RS-232C 在 PLC 系统中的应用为满足用户的要求,目前各公司的各种型号的PLC 大多都有 RS-232C 接口。现以 OMRON 公司的 CQMl 例说明 RS-232C 在 PLC 系统中的具体应用。PLC (除 CQM1-
15、CPUll-E 外)专门配备了一个 RS-232C 端口。CQM1 PLC 上的 RS-232C 端口规格。RS-232C 端口的规格见表 3-3。可连接与这些规格相符合的设备。表 3-3 RS-232C 端口引脚及功能引 脚 信 号 名 称 方 向1 FG 接地2 SD(TXD) 发送数据 输出3 RD(RXD) 接收数据 输入4 RS(RTS) 请求发送 输出5 CS(CTS) 允许发送 输入6 不用7 不用8 不用9 SG 信号地连接器配合 FG 接地PLC RS-232C 端口可连接的设备如图 3-6 所示。CQM1 与上位计算机通过 RS-232C 的连接。CQM1 和一台个人计算机
16、之间的连接,如图 3-7 所示。CQM1 RS-232C 技术参数。通过 CQM1 的 RS-232C 端口通信的有关参数见表 3-4。表 3-4 通信的参数项目 技术参数通信方式 半双工同步 起止式波特率 1200,2400,4800,9600 或 19200bit/s传送方式 点到点传送距离 最大 15m接口 EIA RS-232CCQM1 与另一 CQM1 通过 RS-232C 的 1 对 1 链接(1:1) 。可将 CQM1 上的 RS-232C 端口直接与另外的 CQM1 PLC 的同样端口相连,以形成数据链接如图 3-8 所示。图 3-6 PLC RS-232 端口可连接的设备图
17、3-7 CQM1 与计算机的连线RS-232 的不足之处。尽管 RS-232 是目前广泛应用的串行通信的接口,然而 RS-232还存在着一系列不足之处:传送速率和距离有限;没有规定连接器,因而产生 25 针不同的设计方案,这些方案有时不兼容;每根信号线只有一根导线,两个传送方向,仅有一根信号地线,存在潜在的地线回流问题;接口应用不平衡的发送器和接收器,可能在信号成分间产生干扰。(3)RS-422A、RS-423A 与 RS-499、RS-485;RS-499 标准。为了解决上述问题,EIA 于 1977 年制定了新标准 RS-499,其特点是:支持较高的数据传送速率;支持较远的传送距离;制定连
18、接器的技术规范;提供平衡电路改进接口电气特性。EIA 的 RS-499 标准定义了 RS-232C 中所没有的 10 种电路功能,规定用 37 脚的连接器,实际上,目前广泛使用的 RS-422A 和 RS-423A 是 RS-499 标准的子集。EIA 推荐的串行通信的主要性能参数见表 3-5。表 3-5 EIA 推荐的串行通信的主要性能参数接口性能EIARS-232CEIARS-423AEIARS-422A 单位操作方式 单端 单端 差分最大电缆距离 15 500 1200 m最大数据速度 20k 300k 10M Bit/s驱动器输出电压,开路 25 6 在输出之间为 6V(最大)驱动器输
19、出电压,加载输出 5-15 3.6 在输出之间为 2V(最大)驱动器断电输出阻抗 R0=300在6 V 到6 V之间为 100A在6 V 到0.25V之间为 100A 最小驱动器输出电路电流 500 150 150 mA驱动器输出摆动速率 30 V/s摆动速率必须基于电缆长度和调制速率进行控制不必控制接收器输入阻抗Rik 3-7 4 4 K图 3-8 1:1 电缆线连接图接收器输入阀值 3 -3 0.2 -0.2 0.2 - 0.2 V(最大)接收器输入电压 25 -25 12-12 12-12 V(最大RS-422A 和 RS-485 及其应用。在许多工业环境中,要求用最少的信号线完成通信任
20、务,目前在 PLC 局域网络中广泛应用的 RS-485 串行接口总线正是在此背景下形成的。它实际上是 RS-422 的变形,它与 RS-422A 不同点在于 RS-422A 为全双工,RS-485 为半双工,RS-422A 采用两对平衡差分信号线,而 RS-485 只需其中一对。RS-485 对于多站互连的应用是十分方便的,这是它的明显优点,在点对点远程通信时,其电气连线如图 3-9 所示,这个电路可以构成 RS-422A 串行接口(按图中虚线连接) ,也可以构成 RS-485 接口(按图中实线连接) ,RS-485 串行口在 PLC 局域网络中应用很普遍。应该注意的是,由于 RS-485 互连网络采用半双工通信方式,某一时刻两个站中只有一个站可以发送数据,而另一个站只能接收数据,因此,发送电路必须有使能信号加以控制。RS-485 串行接口用于多站互连非常方便,可以节省昂贵的信号线,还可以高速远距离传送数据,因此将它们联网构成分布式控制系统非常方便,多站互连的原理如图 3-10 所示。图 3-9 1:1 电缆线连接图RS-422A 和 RS-485 的比较见表 3-6。图 3-10 多站互连的 RS-485(最多 32 对驱动器/ 接收器)