电气控制与PLC应用 第9章 可编程控制器的通信与网络.ppt

电气控制与PLC应用（第九章）江南大学江南大学江南大学江南大学通信与控制工程学院第第9章章 可编程控制器的通信与网络可编程控制器的通信与网络 u了解了解通信及网络基础的相关知识通信及网络基础的相关知识 u掌握掌握S7S7系列系列PLCPLC的网络类型及配置的网络类型及配置 u熟练掌握熟练掌握S7-200网络及应用网络及应用 学习目标：学习目标：教学内容：教学内容：9.1 通信及网络基础通信及网络基础 9.2 S7系列系列PLC的网络类型及配置的网络类型及配置 9.3 S7-200网络及应用网络及应用 第第9章章 可编程控制器的通信与网络可编程控制器的通信与网络 9.1 通信及网络基础通信及网络基础 u在实际工作中，无论是计算机之间还是计算机的在实际工作中，无论是计算机之间还是计算机的CPUCPU与外部设备之间常常要进行数据交换。不同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，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、统可以是计算机、PLCPLC或其他有数据通信功能的或其他有数据通信功能的数字设备，称为数字设备，称为DTEDTE（Data Terminal Data Terminal EquipmentEquipment）。传输线路的介质可以是双绞线、）。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。同轴电缆、光纤或无线电波等。返回返回9.1.1 数据通信方式数据通信方式 u数据传输方式数据传输方式:按按照照传传输输数数据据的的时时空空顺顺序序，数数据据的的通通信信可可分分为为并行通信和串行通信两种：并行通信和串行通信两种：v并行通信：所传送数据的各位同时发送或接收。并行通信：所传送数据的各位同时发送或接收。v串串行行通通信信：所所传传送送的的数数据据按按顺顺序序一一位位一一位位地地发发送或接收。送或接收。9.1.1 数据通信方式数据通信方式 u数据传输方式数据传输方式:串串行行通通信信按按信信息息传传输输格格式式分分为为同同步步通通信信和和异异步步通信通信:v异异步步通通信信：异异步步传传送送也也称称起起止止式式传传送送，它它是是利利用起止法来达到收发同步的。用起止法来达到收发同步的。v同同步步传传送送：同同步步传传送送在在数数据据开开始始处处就就用用同同步步字字符符（通常为通常为1 12 2个个）来指示。来指示。9.1.1 数据通信方式数据通信方式 u数据传送方向数据传送方向:按按串串行行通通信信的的数数据据在在通通信信线线路路进进行行传传送送的的方方向向可分为单工、半双工和全双工通信方式三种可分为单工、半双工和全双工通信方式三种:v单单工工通通信信方方式式：单单工工通通信信就就是是指指数数据据的的传传送送始始终保持同一个方向，而不能进行反向传送。终保持同一个方向，而不能进行反向传送。v半半双双工工通通信信方方式式：半半双双工工通通信信就就是是指指信信息息流流可可以以在在两两个个方方向向上上传传送送，但但同同一一时时刻刻只只限限于于一一个个方向传送。方向传送。v全全双双工工通通信信方方式式：全全双双工工通通信信能能在在两两个个方方向向上上同时发送和接收。同时发送和接收。9.1.1 数据通信方式数据通信方式 u波特率波特率:波波特特率率，即即数数据据传传送送速速率率，表表示示每每秒秒钟钟传传送送二二进进制代码的位数，它的单位是制代码的位数，它的单位是bit/sbit/s。假假如如数数据据传传送送速速率率是是120120字字符符/s/s，而而每每个个字字符符包包含含1010个个代代码码位位（一一个个起起始始位位、一一个个终终止止位位、8 8个个数据位）。这时传送的波特率为：数据位）。这时传送的波特率为：10b/10b/字符字符120120字符字符/s=1200b/s/s=1200b/s 9.1.1 数据通信方式数据通信方式 u传送介质传送介质:目目前前普普遍遍使使用用的的传传送送介介质质有有：同同轴轴电电缆缆、双双绞绞线线、光光缆缆，其其它它介介质质如如无无线线电电、红红外外微微波波等等在在PLCPLC网网络络中中应应用用很很少少。其其中中双双绞绞线线（带带屏屏蔽蔽）成成本本低低、安安装装简简单单；光光缆缆尺尺寸寸小小、质质量量轻轻、传传输输距距离离远远，但成本高、安装维修需专用仪器。但成本高、安装维修需专用仪器。9.1.1 数据通信方式数据通信方式 u串行通信接口串行通信接口:RSRS-232232接接口口：C C接接口口是是19691969年年由由美美国国电电子子工工业业协协会会EIAEIA（E1ectronic E1ectronic Industries Industries AssociationAssociation）所所公公布布的的串串行行通通信信接接口口标标准准。它它采采用用按按位位串串行行的的方式方式 ，单端发送、单端接收。，单端发送、单端接收。RS-422RS-422接接口口：RS-422RS-422接接口口传传输输线线采采用用差差动动接接收收和和差差动动发发送送的的方方式式传传送送数数据据，也也有有较较高高的的通通信信速速率率（波特率可达（波特率可达10MB10MB以上）以上）和较强的抗干扰能力。和较强的抗干扰能力。RS-485RS-485接口：接口：RS-485RS-485接口是接口是RS-422RS-422的变型。的变型。9.1.2 网络概述网络概述 u将具有独立功能而又分散在不同地理位置的多台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。的计算机系统称为计算机网络。uPLCPLC与计算机之间或多台与计算机之间或多台PLCPLC之间也可直接或通过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；各通信处理器构成网络，以实现信息交换；各PLCPLC或或远程远程I/OI/O模块按功能各自放置在生产现场进行分散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控制，再用网络连接起来，组成集中管理的分布式网络。式网络。u互连和通信是网络的核心，网络的拓扑结构、传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输控制、传输介质和通道利用方式是构成网络的四大要素。四大要素。返回返回u数据通信的网络拓扑结构数据通信的网络拓扑结构:树树形形结结构构：结结构构中中处处于于较较高高位位置置的的站站点点控控制制位位于于它下面的那些站点的数据通信。它下面的那些站点的数据通信。总总线线形形结结构构：利利用用总总线线把把所所有有节节点点连连接接起起来来，其其特点是所有站点共享一个公共通信总线。特点是所有站点共享一个公共通信总线。星星形形结结构构：以以中中央央节节点点为为中中心心与与各各个个节节点点连连接接组组成成，网网络络中中任任何何两两个个节节点点要要进进行行通通讯讯都都由由中中央央控控制站点控制并转换。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。环路结构：以环行网中各节点首尾顺序连接形成。9.1.2 网络概述网络概述 u介质访问控制也称传输控制，是指对网络通道占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权的管理和控制。局部网络上的信息交换方式有两种：有两种：线线路路交交换换，即即发发送送节节点点与与接接收收节节点点之之间间有有固固定定的的物物理理通通道道，且且该该通通道道一一直直保保持持到到通通话话结结束束，如如电电话系统。话系统。“报报文文交交换换”或或“包包交交换换”，这这种种交交换换方方式式是是把把编编址址数数据据组组，从从一一个个转转换换节节点点传传到到另另一一个个转转换换节节点点，直直到到目目的的站站。发发送送节节点点和和接接收收节节点点之之间间无无固固定的物理通道。定的物理通道。9.1.2 网络概述网络概述 u目前局域网应用较多的传输控制有两种即令牌传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送方式和争用方式：令令牌牌传传送送方方式式，这这种种方方式式对对介介质质的的访访问问控控制制权权是是以以令令牌牌为为标标志志的的。令令牌牌是是一一组组二二进进制制码码，网网络络上上的的节节点点按按某某种种规规则则排排序序，令令牌牌被被依依次次从从一一个个节节点点传传到到下下一一个个节节点点，只只有有得得到到令令牌牌的的节节点点才才有有权权控控制制和和使使用用网网络络，已已发发送送完完信信息息或或无无信信息息发发送送的的节节点点将将令令牌牌传传给给下下一一节节点点。在在令令牌牌传传送送中中，不不存存在在控控制制站站，不不存存在在主主从从关关系系。这这种种控控制制方方式式结结构构简简单单，便便于于实实现现，成成本本不不高高可可以以在在任任何何一一种种拓拓扑扑结结构构上上实实现现。但但一一般般常常用用于于总总线线（Token Token BusBus）和和环环形形结结构构（Token Token RingRing）。因因这这种种结结构构便便于于实实现现集集中中管管理理、分分散散控制，所以适用于工业控制现场。控制，所以适用于工业控制现场。9.1.2 网络概述网络概述 争争用用方方式式，这这种种方方式式允允许许网网络络中中的的各各节节点点自自由由发发送送信信息息。但但当当两两个个以以上上的的节节点点同同时时发发送送则则会会出出现现线线路路冲冲突突，故故需需要要做做些些约约定定，加加以以约约束束。目目前前常常用用的的是是带带碰碰撞撞检检测测的的载载波波侦侦听听多多址址访访问问规规约约，即即CSMA/CDCSMA/CD规规约约。这这种种协协议议要要求求每每个个发发送送节节点点要要“先先听听后后发发，边边听听边边发发”，即即发发送送前前先先监监听听，在在监监听听时时，若若总总线线空空，则则可可发发送送，若若忙忙，则则停停止止发发送送。发发送送的的过过程程中中还还要要随随时时监监听听，一一旦旦发发现现线线路路冲冲突突，则则停停止止发发送送报报文文，且且已已发发内内容容全全部部作作废废，并并发发送送一一段段简简短短的的冲冲突突标标志志（阻阻塞塞码码序序列列）。CSMA/CDCSMA/CD允允许许各各站站平平等等竞竞争争，不不支支持持带带优优先先级级的的实实时时访访问问。在在轻轻载载时时，控控制制分分散散，效率高，实时性好，适合于工业控制计算机网络。效率高，实时性好，适合于工业控制计算机网络。9.1.2 网络概述网络概述 u常用的通道利用方式有两种：常用的通道利用方式有两种：基基带带方方式式：利利用用传传输输介介质质的的整整个个带带宽宽进进行行信信号号传传送送。优优点点是是价价格格低低、设设备备简简单单，可可靠靠性性高高.缺缺点点是通道利用率低，长距离传送衰减大。是通道利用率低，长距离传送衰减大。宽宽带带方方式式：把把通通信信通通道道以以不不同同的的载载频频划划分分成成若若干干通通道道，在在同同一一传传输输介介质质上上同同时时传传送送多多路路信信号号。优优点点是是通通道道利利用用率率高高，但但因因须须加加调调制制解解调调器器，其其成成本较高。本较高。9.1.2 网络概述网络概述 u国际标准化组织国际标准化组织ISO于于1978年提出了开放系统互连年提出了开放系统互连OSI参参考模型，它所用的通信协议一般为考模型，它所用的通信协议一般为7层：层：物理层；实际通信就是通过物理层在互联媒体上进行的。物理层；实际通信就是通过物理层在互联媒体上进行的。数数据据链链路路层层；负负责责在在两两个个相相邻邻节节点点间间的的链链路路上上，实实现现差差错控制。错控制。网网络络层层；报报文文包包的的分分段段、报报文文包包阻阻塞塞的的处处理理及及通通信信子子网网路径的选择。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。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。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。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。应用层。为用户的应用服务提供信息交换。9.1.2 网络概述网络概述 9.2 S7系列系列PLC的网络类型及配置的网络类型及配置 u简单网络：指以个人计算机为主站，一台或多台简单网络：指以个人计算机为主站，一台或多台同型号的同型号的PLC为从站，组成简易集散控制系统。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，而多台示、报警、监控、编程及操作等功能，而多台PLC负责控制任务；负责控制任务；PLC也可以作为主站，其他也可以作为主站，其他多台同型号多台同型号PLC作为从站，构成主从式网络。作为从站，构成主从式网络。u多级复杂网络：现代大型工业企业多级复杂网络：现代大型工业企业PLC控制系统控制系统中，一般采用多级网络的形式。不同中，一般采用多级网络的形式。不同PLC厂家的厂家的自动化系统网络结构的层数及各层的功能分布有自动化系统网络结构的层数及各层的功能分布有所差异。所差异。9.2.1 PLC网络类型网络类型 返回返回9.2.2 通信协议通信协议 u在在PLC网络中使用的通信协议有通用协议和公司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专用协议两大类：通通用用协协议议：在在PLC网网络络的的各各个个层层次次中中，高高层层子子网网中中一一般般采采用用通通用用协协议议，如如PLC网网之之间间的的互互连连及及PLC网网与与其其他他局局域域网网的的互互连连，这这表表明明工工业业网网络向标准化和通用化发展的趋势。络向标准化和通用化发展的趋势。公公司司专专用用协协议议：子子网网一一般般采采用用公公司司专专用用协协议议，尤尤其其是是最最底底层层子子网网，由由于于传传送送的的是是过过程程数数据据及及控制命令，这种信息较短，但实时性要求高。控制命令，这种信息较短，但实时性要求高。返回返回9.2.2 通信协议通信协议 uPLC网络常用通信协议：网络常用通信协议：PPI协协议议：PPI通通信信协协议议是是西西门门子子专专门门为为S7-200系列系列PLC开发的一个通信协议。开发的一个通信协议。MPI协协议议：MPI允允许许主主主主通通信信和和主主从从通通信信，S7-200可可以以通通过过通通信信接接口口连连接接到到MPI网网上上，主主要要应用于应用于S7-300/400 CPU与与S7-200通信的网络中。通信的网络中。Profibus协协议议：Profibus协协议议通通常常用用于于实实现现分分布布式式I/O设备（远程式设备（远程式I/O）的高速通信。）的高速通信。9.2.2 通信协议通信协议 uPLC网络常用通信协议：网络常用通信协议：用用户户自自定定义义协协议议（自自由由口口通通信信模模式式）：自自由由口口通通信信(Freeport Mode)模模式式是是指指CUP串串行行通通信信口口可由用户程序控制，自定义通信协议。可由用户程序控制，自定义通信协议。USS协协议议：USS协协议议是是西西门门子子传传动动产产品品（变变频频器器等）通信的一种协议，等）通信的一种协议，S7-200提供提供相应相应的指令。的指令。TCP/IP协协议议：通通过过以以太太网网扩扩展展模模块块CP243-1CP243-1和和互互联联 网网 扩扩 展展 模模 块块 CP243-1ITCP243-1IT，S7-200S7-200将将 能能 支支 持持TCP/IPTCP/IP以太网通信。以太网通信。9.2.3 通信设备通信设备 u与与S7-200相关的主要有以下网络设备及自由口通信设备：相关的主要有以下网络设备及自由口通信设备：通信口；通信口；S7-200主机带有一或两个串行通信口。主机带有一或两个串行通信口。网络连接器；网络连接器；通信电缆；主要有通信电缆；主要有Profibus和和PC/PPI电缆。电缆。网络中继器；网络中继器；调制解调器；调制解调器；Profibus-DP通信模块；通信模块；工业以太网工业以太网CP243-l通信处理器；通信处理器；工业以太网工业以太网CP243-2通信处理器；通信处理器；EM241 MODEM模块。模块。返回返回9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 uS7S7系列系列PLCPLC常见的通信网络主要有把计算机或编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程器作为主站、把操作面板作为主站和把PLCPLC作作为主站等类型，这几种类型中又可分为：为主站等类型，这几种类型中又可分为：单单主主站站PPI；编编程程站站可可以以通通过过PC/PPI电电缆缆或或者者通通信信卡卡（CP）与与S7-200可可以以组组成成单单主主站站PPI网网络络进进行通信。行通信。多多主主站站PPI；编编程程站站通通过过PC/PPI电电缆缆或或者者通通信信卡卡（CP）与）与S7-200可以组成多主站单从站可以组成多主站单从站PPI网络。网络。复杂的复杂的PPI网络。网络。返回返回9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 单单主主站站PPI；编编程程站站可可以以通通过过PC/PPI电电缆缆或或者者通通信信卡卡（CP）与与S7-200可可以以组组成成单单主主站站PPI网网络络进进行通信。行通信。单主站单主站PPI网络网络 9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 多多主主站站PPI；编编程程站站通通过过PC/PPI电电缆缆或或者者通通信信卡卡（CP）与）与S7-200可以组成多主站单从站可以组成多主站单从站PPI网络。网络。只带一个从站的多主站只带一个从站的多主站 9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 多多主主站站PPI；编编程程站站通通过过PC/PPI电电缆缆或或者者通通信信卡卡（CP）与）与S7-200可以组成多主站单从站可以组成多主站单从站PPI网络。网络。多个从站和多个主站多个从站和多个主站 9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 复复杂杂的的PPI网网络络。图图9-12和和图图9-13给给出出了了一一个个点点对对点通信的有多个从站的多主站网络实例。点通信的有多个从站的多主站网络实例。点对点通信点对点通信 9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 复复杂杂的的PPI网网络络。图图9-12和和图图9-13给给出出了了一一个个点点对对点通信的有多个从站的多主站网络实例。点通信的有多个从站的多主站网络实例。HMI设备及点对点通信设备及点对点通信 9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 u使用使用S7-200、S7-300和和S7-400设备配置网络：设备配置网络：网网 络络 波波 特特 率率 小小 于于 187.5K，S7-200用用 XGET和和XPUT指指令令与与S7-200 CPU通通讯讯。如如果果S7-200处处于于主主站站模模式式，那那么么S7-200将将无无法法与与之之通通讯讯，若若要要与与S7-200的的CPU通通讯讯，其其配配置置STEP7-Micro/WIN32的方法同上节一样。的方法同上节一样。如如果果通通信信波波特特率率超超过过187.5k，S7-200 CPU必必须须使使用用 EM277模模 块块 连连 接接 网网 络络，计计 算算 机机（STEP7-Micro/WIN32）必必须须使使用用通通信信卡卡（CP）与与网网络络来连接。来连接。9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 uPROFIBUS 网络配置实例网络配置实例：S7-315-2DP作作Profibus主站，主站，EM277作作Profibus从站网络从站网络9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 uPROFIBUS 网络配置实例网络配置实例：含有含有STEP7-Micro/WIN和和HMI的网络的网络 9.2.4 S7系列系列PLC产品组建的几种典型网络产品组建的几种典型网络 u以太网、互联网设备的网络配置以太网、互联网设备的网络配置：STEP7-Micro/WIN通过以太网连接两个通过以太网连接两个S7-200通信通信 9.2.5 通信参数的设置通信参数的设置 u不同的网络配置其通信参数的设置是不同的，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，应先运行要进行通信参数设置，应先运行STEP7-Micro/WIN32软件进入软件进入“通讯设定通讯设定”对话框。对话框。可通过单击可通过单击“引导条引导条”中的中的“通讯通讯”图标进入图标进入该对话框。该对话框。u进入进入“设置设置PG/PC接口（接口（Set PG/PC Interface）”对话框后即可按以下步骤进行安装或删除对话框后即可按以下步骤进行安装或删除通信接口操作通信接口操作。返回返回9.2.6 S7-200的参数设置的参数设置 u设置好通信参数后，也应根据需要为设置好通信参数后，也应根据需要为S7-200进行进行参数设置，主要包括：站地址、波特率、间隔参数设置，主要包括：站地址、波特率、间隔更新系数等参数的设置。更新系数等参数的设置。u下载系统块到下载系统块到S7-200之前，需确认之前，需确认STEP7-Micro/WIN32的通信口的参数与当前的通信口的参数与当前S7-200的参的参数是否匹配，主要看站地址、波特率等参数是数是否匹配，主要看站地址、波特率等参数是否一致，下载成功后，可打开否一致，下载成功后，可打开“通讯设定通讯设定”对对话框并双击该对话框右上角的刷新图标搜寻并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连接网络上的S7-200。返回返回9.3 S7-200网络及应用网络及应用 uS7-200之间经常采用之间经常采用PPI协议进行通信。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通信，用相关网络指令对其他从站中的数据进行读写。行读写。9.3.1 网络指令及应用网络指令及应用 返回返回9.3.2 自由口指令及应用自由口指令及应用 u自由口模式允许应用程序控制自由口模式允许应用程序控制S7-200的串行通信的串行通信口，口，S7-200处于处于RUN方式时，当选择了自由通信方式时，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、接收指令、送指令，用户程序通过使用发送指令、接收指令、发送接收中断指令来控制通信口的操作。发送接收中断指令来控制通信口的操作。uS7-200处于处于STOP方式时，自由口模式被禁止，方式时，自由口模式被禁止，通信口自动切换到正常的通信口自动切换到正常的PPI协议操作，只有当协议操作，只有当S7-200处于处于RUN方式时，才能使用自由口模式。方式时，才能使用自由口模式。返回返回第九章习题与思考题第九章习题与思考题 u试述并行通信的通信过程。试述并行通信的通信过程。u试述串行通信的通信过程。试述串行通信的通信过程。u什么是异步通信？什么是同步通信？什么是异步通信？什么是同步通信？u全双工通信方式是怎样进行通信的？全双工通信方式是怎样进行通信的？u半双工通信和全双工通信有什么区别？半双工通信和全双工通信有什么区别？u网网络络拓拓扑扑结结构构有有哪哪几几类类？在在可可编编程程序序控控制制器器的的通通信中主要采用哪几种拓扑结构？信中主要采用哪几种拓扑结构？u行行异异步步通通讯讯中中，数数据据的的传传输输速速率率为为每每秒秒传传送送960字字符符，一一个个传传送送字字符符由由7位位有有效效位位，1位位起起始始位位，1位终止位和位终止位和1位奇校验位构成。求波特率。位奇校验位构成。求波特率。返回返回