可编程控制器通信与网络技术Word文档格式.docx
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双工方式又分为全双工和半双工两种方式。
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刻接收和发送信息，这种传送方式称为全双工方式；
用同一根线或同一组线接收和发送数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，这种传送方式称为半双工方式。
在PLC通信中常采用半双工和全双工通信。
3．异步通信与同步通信
在串行通信中，通信的速率与时钟脉冲有关，接收方和发送方的传送速率应相同，但是实际的发送速率与接收速率之间总是有一些微小的差别，如果不采取一定的措施，在连续传送大量的信息时，将会因积累误差造成错位，使接收方收到错误的信息。
为了解决这一问题，需要使发送和接收同步。
按同步方式的不同，可将串行通信分为异步通信和同步通信。
异步通信的信息格式如图7-1所示，发送的数据字符由一个起始位、7~8个数据位、l个奇偶校验位（可以没有）和停止位（1位、1.5或2位）组成。
通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。
接收方检测到停止位和起始位之间的下降沿后，将它作为接收的起始点，在每一位的中点接收信息。
由于一个字符中包含的位数不多，即使发送方和接收方的收发频率略有不同，也不会因两台机器之间的时钟周期的误差积累而导致错位。
异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，一般用于低速通信，PLC一般使用异步通信。
图7-1异步通信的信息格式
同步通信以字节为单位（一个字节由8位二进制数组成），每次传送l~2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。
同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。
在同步通信中，发送方和接收方要保持完全的同步，这意味着发送方和接收方应使用同一时钟脉冲。
在近距离通信时，可以在传输线中设置一根时钟信号线。
在远距离通信时，可以在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方完全相同的接收时钟信号。
由于同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、停止位和奇偶校验位，只需要在数据块（往往很长）之前加一两个同步字符，所以传输效率高，但是对硬件的要求较高，一般用于高速通信。
4.基带传输与频带传输
基带传输是按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。
基带传输不需要调制解调，设备花费少，适用于较小范围的数据传输。
基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，常用数据编码方法有非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码等。
后两种编码不含直流分量、包含时钟脉冲、便于双方自同步，所以应用广泛。
频带传输是一种采用调制解调技术的传输形式。
发送端采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；
接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。
常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。
具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即Modem。
频带传输较复杂，传送距离较远，若通过市话系统配备Modem，则传送距离可不受限制。
PLC通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。
二、通信介质
通信介质就是在通信系统中位于发送端与接收端之间的物理通路。
通信介质一般可分为导向性和非导向性介质两种。
导向性介质有双绞线、同轴电缆和光纤等，这种介质将引导信号的传播方向；
非导向性介质一般通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向，如短波、微波和红外线通信等。
以下仅简单介绍几种常用的导向性通信介质。
1．双绞线
双绞线是一种廉价而又广为使用的通信介质，它由两根彼此绝缘的导线按照一定规则以螺旋状绞合在一起的，如图7-2所示。
这种结构能在一定程度上减弱来自外部的电磁干扰及相邻双绞线引起的串音干扰。
但在传输距离、带宽和数据传输速率等方面双绞线仍有其一定的局限性。
图7-2双绞线示意图
双绞线常用于建筑物内局域网数字信号传输。
这种局域网所能实现的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。
只要选择、安装得当，在有限距离内数据传输率达到10Mbps。
当距离很短且采用特殊的电子传输技术时，传输率可达100Mbps。
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，如图7-3所示。
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。
图7-3双绞线电缆
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。
网络综合布线一般使用3、4、5类线。
3类线传输频率为16MHz，数据传输率可达10Mbps；
4类线传输频率为20MHz，数据传输率可达16Mbps；
5类线传输频率为l00MHz，数据传输可达100Mbps。
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。
2．同轴电缆
如图7-4所示，同轴电缆由内、外层两层导体组成。
内层导体是由一层绝缘体包裹的单股实心线或绞合线（通常是铜制的），位于外层导体的中轴上；
外层导体是由绝缘层包裹的金属包皮或金属网。
同轴电缆的最外层是能够起保护作用的塑料外皮。
同轴电缆的外层导体不仅能够充当导体的一部分，而且还起到屏蔽作用。
这种屏蔽一方面能防止外部环境造成的干扰，另一方面能阻止内层导体的辐射能量干扰其它导线。
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。
图7-4同轴电缆
目前得到广泛应用的同轴电缆主要有50Ω电缆和75Ω电缆这两类。
50Ω电缆用于基带数字信号传输，又称基带同轴电缆。
电缆中只有一个信道，数据信号采用曼彻斯特编码方式，数据传输速率可达10Mbps，这种电缆主要用于局域以太网。
75Ω电缆是CATV系统使用的标准，它既可用于传输宽带模拟信号，也可用于传输数字信号。
对于模拟信号而言，其工作频率可达400MHZ。
若在这种电缆上使用频分复用技术，则可以使其同时具有大量的信道，每个信道都能传输模拟信号。
3．光纤
光纤是一种传输光信号的传输媒介。
光纤的结构如图7-5所示，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。
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。
图7-5光纤的结构
从不同的角度考虑，光纤有多种分类方式。
根据制作材料的不同，光纤可分为石英光纤、塑料光纤、玻璃光纤等；
根据传输模式不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤；
根据纤芯折射率的分布不同，光纤可以分为突变型光纤和渐变型光纤；
根据工作波长的不同，光纤可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。
单模光纤的带宽最宽，多模渐变光纤次之，多模突变光纤的带宽最窄；
单模光纤适于大容量远距离通信，多模渐变光纤适于中等容量中等距离的通信，而多模突变光纤只适于小容量的短距离通信。
在实际光纤传输系统中，还应配置与光纤配套的光源发生器件和光检测器件。
目前最常见的光源发生器件是发光二极管（LED）和注入激光二极管（ILD）。
光检测器件是在接收端能够将光信号转化成电信号的器件，目前使用的光检测器件有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD），光电二极管的价格较便宜，然而雪崩光电二极管却具有较高的灵敏度。
与一般的导向性通信介质相比，光纤具有很多优点：
1）光纤支持很宽的带宽，其范围大约在1014～1015HZ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。
采用光纤传输信号时，在较长距离内可以不设置信号放大设备，从而减少了整个系统中继器的数目。
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。
三、PLC常用通信接口
PLC通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信接口标准有RS-232C、RS-422A和RS-485等。
1．RS-232C
RS-232C是美国电子工业协会EIA于1969年公布的通信协议，它的全称是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间
串行二进制数据交换接口技术标准”。
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”
。
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，表7-1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
表7-1RS-232C接口引脚信号的定义
引脚号
（9针）
（25针）
信号
方向
功能
1
8
DCD
IN
数据载波检测
2
3
RxD
接收数据
TxD
OUT
发送数据
4
20
DTR
数据终端装置（DTE）准备就绪
5
7
GND
信号公共参考地
6
DSR
数据通信装置（DCE）准备就绪
RTS
请求传送
CTS
清除传送
9
22
CI（RI）
振铃指示
如图7-6a所示为两台计算机都使用RS-232C直接进行连接的典型连接；
如图7-6b所示为通信距离较近时只需3根连接线。
图7-6两个RS-232C数据终端设备的连接
如图7-7所示RS-232-C的电气接口采用单端驱动、单端接收的电路，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之处：
图7-7单端驱动单端接收的电路
1）
传输速率较低，最高传输速度速率为20kbps。
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。
2．RS-422
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。
如图7-8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。
图7-8平衡驱动差分接收的电路
RS-422在最大传输速率10Mbps时，允许的最大通信距离为12m。
传输速率为100kbps时，最大通信距离为1200m。
一台驱动器可以连接10台接收器。
3．RS-485
RS-485是RS-422的变形，RS-422A是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收，所以采用RS422接口通信时最少需要4根线。
RS-485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。
如图7-9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。
图7-9采用
RS-485的网络
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-232-C降低了，就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（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。
RS-422/RS485接口一般采用使用9针的D型连接器。
普通微机一般不配备RS-422和RS-485接口，但工业控制微机基本上都有配置。
如图7-10所示RS232C/RS422转换器的电路原理图。
图7-10RS232C/RS422转换的电路原理
四、计算机通信标准
（一）开放系统互连模型
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提出了如图7-11所示开放系统互连模型OSI（OpenSystemInterconnection），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7个层次。
七个层次自下而上依次为：
物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层。
每一层都尽可能自成体系，均有明确的功能。
图7-11开放系统互连（OSI）参考模型
1．物理层（PhysicalLayer）
物理层是为建立、保持和断开在物理实体之间的物理连接，提供机械的、电气的、功能性的和规程的特性。
它是建立在传输介质之上，负责提供传送数据比特位“0”和“1”码的物理条件。
同时，定义了传输介质与网络接口卡的连接方式以及数据发送和接收方式。
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。
2．数据链路层（DatalinkLayer）
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。
为了保证数据的可靠传输，数据链路层的主要控制功能是差错控制和流量控制。
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）。
3．网络层（NetworkLayer）
网络层完成站点间逻辑连接的建立和维护，负责传输数据的寻址，提供网络各站点间进行数据交换的方法，完成传输数据的路由选择和信息交换的有关操作。
网络层的主要功能是报文包的分段、报文包阻塞的处理和通信子网内路径的选择。
常用的网络层协议有X.25分组协议和IP协议。
4.传输层（TransportLayer）
传输层是向会话层提供一个可靠的端到端（end-to-end）的数据传送服务。
传输层的信号传送单位是报文（Message），它的主要功能是流量控制、差错控制、连接支持。
典型的传输层协议是因特网TCP/IP协议中的TCP协议。
5．会话层（SessionLayer）
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。
网络下载中的断点续传就是会话层的功能。
6．表示层（PresentationLayer）
表示层用于应用层信息内容的形式变换，如数据加密/解密、信息压缩／解压和数据兼容，把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。
7．应用层（ApplicationLayer）
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。
七层模型中所有其它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。
常用的应用层服务有电子邮件（E-mail）、文件传输（FTP）和Web服务等。
OSI7层模型中，除了物理层和物理层之间可直接传送信息外，其它各层之间实现的都是间接的传送。
在发送方计算机的某一层发送的信息，必须经过该层以下的所有低层，通过传输介质传送到接收方计算机，并层层上送直至到达接收方中与信息发送层相对应的层。
OSI7层参考模型只是要求对等层遵守共同的通信协议，并没有给出协议本身。
OSI7层协议中，高4层提供用户功能，低3层提供网络通信功能。
（二）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（TokenBus）和令牌环（TokenRing）。
1．CSMA/CD协议
CSMA/CD（carrier-sensemultipleaccesswithcollisiondetection）通信协议的基础是XEROX公司研制的以太网（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。
发送站在发送报文之前，先监听一下总线是否空闲，如果空闲，则发送报文到总线上，称之为“先听后讲”。
但是这样做仍然有发生冲突的可能，因为从组织报文到报文在总线上传输需一段时间，在这一段时间内，另一个站通过监听也可能会认为总线空闲并发送报文到总线上，这样就会因两站同时发送而发生冲突。
为了防止冲突，可以采取两种措施：
一种是发送报文开始的一段时间，仍然监听总线，采用边发送边接收的办法，把接收到的信息和自己发送的信息相比较，若相同则继续发送，称之为“边听边讲”；
若不相同则发生冲突，立即停止发送报文，并发送一段简短的冲突标志。
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、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送；
另一种措施是准备发送报文的站先监听一段时间，如果在这段时间内总线一直空闲，则开始作发送准备，准备完毕，真正要将报文发送到总线上之前，再对总线作一次短暂的检测，若仍为空闲，则正式开始发送；
若不空闲，则延时一段时间后再重复上述的二次检测过程。
2．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（ManufacturingAutomationProtocol，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。
令牌有“空”、“忙”两个状态，令牌网开始运行时，由指定站产生一个空令牌沿逻辑环传送。
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。
令牌传递式总线能在很重的负荷下提供实时同步操作，传送效率高，适于频繁、较短的数据传送，因此它最适合于需要进行实时通信的工业控制网络。
3．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。
第二节PC与PLC通信的实现
个人计算机（以下简称PC）具有较强的数据处理功能，配备着多种高级语言，若选择适当的操作系统，则可提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是动态画面显示等。
随着工业PC的推出，PC在工业现场运行的可靠性问题也得到了解决，用户普遍感到，把PC连入PLC应用系统可以带来一系列的好处。
一、概述
1.PC与PLC实现通信的意义
把PC连入PLC应用系统具有以下四个方面作用：
1）构成以PC为上位机，单台或多台PLC为下位机的小型
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