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1、第7章PLC的通信及网络技术,7.1PLC通信基础7.2三菱FX系列PLC的通信7.3PLC网络7.4三菱PLC网络的工程应用实例,可编程控制器通信与网络技术,近年来，工厂自动化网络得到了迅速的发展，相当多的企业已经在大量地使用可编程设备，如PLC、工业控制计算机、变频器、机器人、柔性制造系统等。将不同厂家生产的这些设备连在一个网络上，相互之间进行数据通信，由企业集中管理，已经是很多企业必须考虑的问题。 本章主要介绍有关PLC的通信与工厂自动化通信网络方面的初步知识。,7.1 PLC通信基础,概述 通信：当任意两台设备之间有信息交换时，它们之间就产生了通信。 PLC通信：是指PLC与PLC、P
2、LC与计算机、PLC与现场设备或远程I/O之间的信息交换。 PLC通信的任务：就是将地理位置不同的PLC、计算机、各种现场设备等，通过通信介质连接起来，按照规定的通信协议，以某种特定的通信方式高效率地完成数据的传送、交换和处理。,7.1PLC通信基础,7.1.1通信方式7.1.2通信介质7.1.3PLC常用通信接口7.1.4计算机通信标准,7.1.1通信方式,1.并行通信与串行通信2.单工通信与双工通信3.异步通信与同步通信4.基带传输与频带传输,3.异步通信与同步通信,图7-1异步通信的信息格式,7.1.2通信介质,1.双绞线2.同轴电缆3.光缆,表7-1常用通信介质特性,光纤 光纤是一种传
3、输光信号的传输媒介 光纤的结构：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是塑料。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。 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。,7.1.2 通信介质,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 美国电器工业协会（EIA）规定了六种质量级别的双绞线电缆，其中1类线档次最低，只适于传输语音；6类线档次最高，传输频率可达到250MHz。3类
4、线数据传输率可达10Mbps；4类线数据传输率可达16Mbps；5类线数据传输可达100Mbps。 屏蔽双绞线电缆：抗干扰能力强，有较高的传输速率，100m内可达到155Mbps。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。,3.光缆,1)光纤支持很宽的带宽，其范围在10141015Hz之间，这个范围覆盖了红外线和可见光的频谱。2)具有很快的传输速率，当前限制其所能实现的传输速率的因素来自信号生成技术。3)光纤抗电磁干扰能力强，由于光纤中传输的是不受外界电磁干扰的光束，而光束本身又不向外辐射，因此它适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合。4)光纤衰减较小，中继器的间距较大。
5、,同轴电缆 与双绞线相比，同轴电线抗干扰能力强，能够应用于频率更高、数据传输速率更快的情况。对其性能造成影响的主要因素来自衰损和热噪声，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。,光纤 光纤的优点： 1）光纤支持很宽的带宽（10141015 HZ），覆盖了红外线和可见光的频谱。 2）具有很快的传输速率，当前传输速率制约因素是信号生成技术。 3）光纤抗电磁干扰能力强，且光束本身又不向外辐射，适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合。 4）光纤衰减较小，中继器的间距较大。 光纤的缺点：系统成本较高、不易安装与维护、质地脆易
6、断裂等。,7.1.3PLC常用通信接口,1. RS-232C2.RS-422A3. RS-485,RS-232C RS-232C是美国电子工业协会（EIA）于1969年公布的通信协议。RS-232C接口标准是目前计算机和PLC中最常用的一种串行通信接口。 RS-232C采用负逻辑，用-5-15V表示逻辑“l”，用+5+15V表示逻辑“0”。噪声容限为2V，即接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。 RS-232C只能进行一对一的通信，RS-232C可使用9针或25针的D型连接器，PLC一般使用9针的连接器,1. RS-232C,1)传输速率较低，最高传输速度
7、速率为20kbit/s。2)传输距离短，最大通信距离为15m。3)接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容，故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。,表7-2RS-232C接口引脚信号的定义,1. RS-232C,图7-2两个RS-232C数据终端设备的连接a)典型连接b)近距离连接,1. RS-232C,图7-3单端驱动单端接收的电路,RS-422A 针对RS-232C的不足，EIA于1977年推出了串行通信标准RS-499，对RS-232C的电气特性作了改进，RS-422A是RS-499的子集。 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
8、，大大减少了地电平所带来的共模干扰。,2.RS-422A,图7-4平衡驱动差分接收的电路,RS-485 RS-485是RS-422的变形，为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收，最少只需二根连线。 RS-485的逻辑“1”以两线间的电压差为+（26）V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。 电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。 RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性、高传输速率（10Mbps）、长的传输距离（1200m）和多站能力（最多128站）等优点，所以在工业控制中广泛应用。,3. RS-485,图7-5使用RS-485的网络,3. RS-485,图7
9、-6RS-232C/RS-422A转换器原理图,7.1.4计算机通信标准,1.开放系统互连模型2. IEEE 802通信标准,开放系统互连模型（OSI） 为了实现不同厂家生产的智能设备之间的通信，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连模型OSI (Open System Interconnection)，作为通信网络国际标准化的参考模型， 详细描述了软件功能的7个层次。每一层都尽可能自成体系，均有明确的功能。,开放系统互连模型（OSI） 数据链路层（Datalink Layer） 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。 数据链路层的主
10、要控制功能是差错控制和流量控制，以保证数据的可靠传输。 在数据链路上，数据以帧格式传输，帧是包含多个数据比特位的逻辑数据单元，通常由控制信息和传输数据两部分组成。 常用的数据链路层协议是面向比特的串行同步通信协议-同步数据链路控制协议/高级数据链路控制协议（SDLC/HDLC）。,1.开放系统互连模型,(1)物理层(2)数据链路层(Data(3)网络层(Network(4)传输层(Transport(5)会话层(Session(6)表示层(Presentation(7)应用层(Application,1.开放系统互连模型,图7-7开放系统互连(OSI)模型,2. IEEE 802通信标准,(1
11、) CSMA/CD协议(2)令牌总线(3)令牌环,IEEE802通信标准 IEEE802通信标准是IEEE（国际电工与电子工程师学会）的802分委员会从1981年至今颁布的一系列计算机局域网分层通信协议标准草案的总称。 它把OSI参考模型的底部两层分解为逻辑链路控制子层（LLC）、媒体访问子层（MAC）和物理层。前两层对应于OSI模型中的数据链路层，数据链路层是一条链路（Link）两端的两台设备进行通信时所共同遵守的规则和约定。 IEEE802的媒体访问控制子层对应于多种标准，其中最常用的为三种，即带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议、令牌总线（Token Bus）和令牌环（To
12、ken Ring）,IEEE802通信标准 CSMA/CD协议 CSMA/CD（carrier-sense multiple access with collision detection）通信协议的基础是以太网（Ethernet），各站共享一条广播式的传输总线，每个站都是平等的，采用竞争方式发送信息到传输线上。当某个站识别到报文上的接收站名与本站的站名相同时，便将报文接收下来。由于没有专门的控制站，两个或多个站可能因同时发送信息而发生冲突，造成报文作废，因此必须采取措施来防止冲突。 通常把这种“先听后讲”和“边听边讲”相结合的方法称为 CSMA/CD，其控制策略是竞争发送、广播式传送、载体监
13、听、冲突检测、冲突后退和再试发送；,IEEE802通信标准 令牌总线 令牌总线是IEEE802标准中的工厂媒质访问技术，其编号为802.4。 它吸收了GM公司支持的MAP（Manufacturing Automation Protocol，即制造自动化协议）系统的内容。 在令牌总线中，媒体访问控制是通过传递一种称为令牌的特殊标志来实现的。按照逻辑顺序，令牌从一个装置传递到另一个装置，传递到最后一个装置后，再传递给第一个装置，如此同而复始，形成一个逻辑环。,(2)令牌总线,图7-8令牌总线结构,IEEE802通信标准 令牌总线 令牌有“空”、“忙”两个状态，令牌网开始时由指定站产生一个空令牌沿逻
14、辑环传送。 任何一个要发送信息的站都要等到令牌传给自己，判断为“空”令牌时才发送信息。发送站首先把令牌置成“忙”，并写入要传送的信息、发送站名和接收站名，然后将载有信息的令牌送入环网传输。令牌沿环网循环一周后返回发送站时，信息已被接收站拷贝，发送站将令牌置为“空”，送上环网继续传送，以供其它站使用。如果在传送过程中令牌丢失，由监控站向网中注入一个新的令牌。 令牌传递式总线最适合于需要进行实时通信的工业控制网络。,IEEE802通信标准 令牌环 令牌环媒质访问方案是IBM开发的，它在IEEE802标准中的编号为802.5，它有些类似于令牌总线。 在令牌环上，最多只能有一个令牌绕环运动，不允许两个
15、站同时发送数据。令牌环从本质上看是一种集中控制式的环，环上必须有一个中心控制站负责网的工作状态的检测和管理。,7.2三菱FX系列PLC的通信,7.2.1FX系列PLC的通信模式7.2.2PLC与计算机专有协议的通信7.2.3PLC与计算机无协议通信7.2.4并行通信与NN通信,7.2.1FX系列PLC的通信模式,1)PLC的NN通信方式。2)PLC双机并联通信方式。3)PLC与计算机专有协议通信方式。4)PLC与计算机无协议通信方式。(1) PLC的NN通信方式(2) PLC双机并联通信方式(3) PLC与计算机专有协议通信方式(4) PLC与计算机无协议通信方式,表7-3FX系列PLC各通信
16、模式的特性,表7-3FX系列PLC各通信模式的特性,7.2.2PLC与计算机专有协议的通信,1)判别PC上配置的通信接口是否与要连入的PLC匹配，若不匹配，则增加通信模板。2)要熟悉PLC的通信协议，按照协议的规定及帧格式编写PC的通信程序。3)选择适当的操作系统提供的软件平台，编制用户要求的画面。4)若要远程传送，可通过Modem接入电话网。1.硬件连接2. FX系列PLC通信协议3. PC通信程序的编写,1.硬件连接,图7-9PC与PLC的硬件连接a)通过FX-232AW单元的点对点连接b)通过通信功能扩展板FX-232BD的点对点连接c)多点结构连接,2. FX系列PLC通信协议,(1)
17、数据格式(2)通信命令(3)通信控制字符(4)报文格式(5)传输规程,图7-10数据格式,表7-4FX系列PLC的通信命令,表格,表格,表7-5FX系列PLC通信控制字符,图7-11传输过程,3. PC通信程序的编写,(1)通信口初始化(2)请求通信与确认(3)发送命令报文(4)读取应答报文,图7-12传输应答过程及命令报文,7.2.3PLC与计算机无协议通信,1.系统配置2.通信数据的处理,1.系统配置,表7-6无协议通信时PLC与通信接口的配置,2.通信数据的处理,(1)16位数据处理模式(2) 8位数据处理模式,图7-13RS指令在处理16位数据时的控制程序,图7-14发送数据和发送数据
18、剩余量,图7-15接收数据和已接收数据量,(2) 8位数据处理模式,1)打印机每打一条信息下移一行，在信息的末尾写2)利用X0驱动RS指令;3)每次X1打开()时，将D200D210的内容发送到打印机，并打印“测试行”。,图7-16RS指令在处理8位数据时的控制程序,图7-17发送数据和发送数据余量,图7-18接收数据和接收数据余量,表7-7通信格式(D8120=006FH),图7-19控制程序,7.2.4并行通信与NN通信,1.并行通信2. NN网络通信,1.并行通信,(1)模式与链接单元(2)应用举例,图7-20并行通信的系统配置示意图,表7-8并行通信时PLC使用的通信接口,表7-9并行
19、通信时相关的辅助继电器与数据寄存器,图7-21并行链接的工作模式a)普通模式b) 高速模式,表7-10普通模式下的链接单元,表7-11高速模式下的链接单元,图7-22主站参考控制程序,图7-23从站参考控制程序,2. NN网络通信,(1)设置方法(2)应用举例,图7-24NN网络系统配置,表7-12与NN网络相关的数据寄存器,表7-12与NN网络相关的数据寄存器,表7-13与NN网络相关的辅助继电器,(1)设置方法,1)设定站点号D8176。2)设定从站点总数D8177。3)设置刷新范围D8178。4)设定重试次数D8179。5)设置通信超时D8180。,表7-14NN网络在三种刷新模式下占用
20、的编程元件,表7-14NN网络在三种刷新模式下占用的编程元件,图7-25主站参数设定程序,7.3PLC网络,7.3.1现场总线简介7.3.2三菱PLC的网络7.3.3基于FX2N系列PLC的网络技术,7.3.1现场总线简介,1.现场总线控制系统的组成2.现场总线控制系统体系结构3.典型现场总线4.现场总线的特点,图7-26典型的FCS体系结构,3.典型现场总线,(1)PROFIBUS(2)基金会现场总线(3)Lonworks,4.现场总线的特点,(1)现场总线是数字通信网络(2)现场总线是开放式互连网络(3)现场总线是结构和功能高度分散的系统(4)现场总线具有优越的远程监控功能(5)为企业信息
21、系统的构建创造了条件,7.3.2三菱PLC的网络,1.信息层(Ethernet以太网)2.控制层MELSECNET/10(H)3.设备层/现场总线CC-Link,图7-27三菱公司的PLC网络,3.设备层/现场总线CC-Link,(1)网络拓扑结构(2)硬件配置(3)链接通信区,(1)网络拓扑结构,1)双层系统。2)多层系统。,图7-28双层系统网a)远程I/O网络(光缆环形网)b)远程I/O网络(同轴电缆总线网)c)PLC-to-PLC网络(光缆环形网),图7-29多层系统网,表7-15远程I/O网络模块,图7-30数据映射图,7.3.3基于FX2N系列PLC的网络技术,1. CC-Link
22、现场总线2. ASI网络3. PROFIBUS现场总线4.现场总线DeviceNet5. MELSEC-I/O链接,1. CC-Link现场总线,(1) CC-Link系统的构成(2)CC-Link的通信方式(3)CC-Link的特点,图7-31CC-Link系统的链接,表7-16F-16CCL-M模块的技术特性,表7-16F-16CCL-M模块的技术特性,表7-16F-16CCL-M模块的技术特性,表7-17CC-Link站的类型,表7-17CC-Link站的类型,(2)CC-Link的通信方式,1)循环通信方式：CC-Link采用广播循环通信方式。2)CC-Link的链接元件：每一个CC-
23、Link系统可以进行总计4096点的位，及加上总计512点的字的数据的循环通信，通过这些链接元件完成与远程I/O、模拟量模块、人机界面、变频器等FA(工业自动化)设备产品间高速的通信。3)瞬时传送通信：在CC-Link中，除了自动刷新的循环通信之外，还可以使用不定期收发信息的瞬时传送通信方式。,表7-18链接元件表,(3)CC-Link的特点,1)通信速度快：CC-Link的通信速度可达到10Mbit/s，可确保需高速响应的传感器输入和智能化设备间的大容量数据的通信。2)高速链接扫描：在只有主站及远程I/O站的系统中，通过设定为远程I/O网络模式的方法，可以缩短链接扫描时间。3)备用主站功能：
24、使用备用主站功能时，当主站发生了异常时，备用主站接替作为主站，使网络的数据链接继续进行。4)自动刷新功能、预约站功能：以PLC作为CC-Link的主站为例，由主站模块管理整个网络的运行和数据刷新，主站模块与PLC的CPU的数据刷新可在主站参数中设置刷新参数，便可以将所有的网络通信数据和网络系统监视数据自动刷新到PLC的CPU中，不需要编写刷新程序。,5)完善的RAS功能：RAS是Reliability(可靠性)、Availability(有效性)、Serviceability(可维护性)的缩写。6)优异的抗噪性能和兼容性7)互操作性和即插即用：CC-Link提供给合作厂商描述每种类型产品的数据
25、配置文档。8)瞬时传送功能：CC-Link的通信形式可分为两种，循环通信和瞬时传送。,表7-19CC-Link通信速度和距离的关系,表7-20链接扫描时间的比较(通信速度为10Mbit/s时),2. ASI网络,图7-32ASI网络系统构成,3. PROFIBUS现场总线,图7-33FPLC的DP网络结构(使用F-32NT-DP模块),图7-34FPLC的DP网络结构(使用F-32DP-IF模块),4.现场总线DeviceNet,图7-35FPLC的DeviceNet网络结构,5. MELSEC-I/O链接,图7-36F系列PLC的MELSEC-I/O链接,7.4三菱PLC网络的工程应用实例,1.汽车总装线系统的构成与要求2.系统功能3.系统优点,图7-37汽车总装线系统的配置,3.系统优点,(1)保持稳定的自动化生产(2)确保产品质量(3)维护方便(4)提高系统的柔性(5)节省人力资源,