通信与网络技术在PLC中的应用.docx
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通信与网络技术在PLC中的应用
通信与网络技术在PLC中的应用
学生：
指导教师：
（三峡大学成教学院）
摘要：
本论文首先介绍通信网络的基本知识和PLC网络通信方面的基础知识及技术，然后以应用比较广泛的西门子S7系列的PLC为例介绍网络通信在PLC通信网络的结构、网络的接口、通信的连接、通信方式以及功能的实现等方面的应用。
最后对PLC网络通信技术的发展有一个未来发展总的总结和联想。
关键词：
通信与网络，计算机，可编程控制器，接口，通信连接。
前言
目前PLC的控制系统已经被广泛应用于各个行业，回顾发展的历史，它的生产得益于集成电路制造技术和微处理技术技术的发展。
最初大部分都被设计为开关量的输入/输出的控制，以取代传统的继电器控制，这样可以增大系统配置的灵活性。
但是在工业在工业控制应用中，需要对连续量进行控制，因此从上个世纪80年代起，PLC产品开始逐渐支持连续量的控制。
在上个世纪90年代起，PLC的控制功能变得更为强大，其中主要体现在PLC与外部设备的通信能力不断得到提高。
随着计算机通信网络技术的日益成熟以及企业对工业自动化程度要求的提高，自动控系统也从传统的集中式控制向多级分布式控制方向发展，构成控制系统的PLC也就必须要具备通信及网络的功能，能够相互连接，远程通信。
为了适应PLC网络化要求，扩大联网功能，几乎所有的PLC为了适应可编程控制器网络化的要求，扩大联网功能，几乎所有的可编程控制器厂家，都为可编程控制器开发了与上位机通讯的接口或专用通讯模块。
一般在小型可编程控制器上都设有RS422通讯接口或RS232C通讯接口；在中大型可编程控制器上都设有专用的通讯模块。
可编程控制器与计算机之间的通讯正是通过可编程控制器上的RS422或RS232C接口和计算机上的RS232C接口进行的。
运用RS232C和RS422通道，可容易配置一个与外部计算机进行通讯的系统。
该系统中可编程控制器接受控制系统中的各种控制信息，分析处理后转化为可编程控制器中软元件的状态和数据；可编程控制器又将所有软元件的数据和状态送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机可改变可编程控制器的初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制。
第一章绪论
1.1通信与网络技术的基本概念
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”表示数字信号。
通常把具有一定的编码、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路线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他数字设备。
数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传输，信息的交换和通信处理。
1.2通信与网络技术的发展历史
一、计算机网络的发展
事实上计算机网络是二十世纪60年代起源于美国,原本用于军事通讯,后逐渐进入民用,经过短短40年不断的发展和完善,现已广泛应用于各个领域,并正以高速向前迈进。
20年前,在我国很少有人接触过网络。
现在,计算机通信网络以及Internet已成为我们社会结构的一个基本组成部分。
网络被应用于工商业的各个方面,包括电子银行、电子商务、现代化的企业管理、信息服务业等都以计算机网络系统为基础。
从学校远程教育到政府日常办公乃至现在的电子社区,很多方面都离不开网络技术。
可以不夸张地说,网络在当今世界无处不在。
随着计算机网络技术的蓬勃发展,计算机网络的发展大致可划分为4个阶段。
第一阶段:
诞生阶段
20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。
典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机定票系统。
终端是一台计算机的外部设备包括显示器和键盘,无CPU和内存。
随着远程终端的增多,在主机前增加了前端机（FEP）。
当时,人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来,实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统”,但这样的通信系统已具备了网络的雏形。
第二阶段:
形成阶段
20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互联起来,为用户提供服务,兴起于60年代后期,典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPANET。
主机之间不是直接用线路相连,而是由接口报文处理机（IMP）转接后互联的。
IMP和它们之间互联的通信线路一起负责
主机间的通信任务,构成了通信子网。
通信子网互联的主机负责运行程序,提供资源共享,组成了资源子网。
这个时期,网络概念为“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”,形成了计算机网络的基本概念。
第三阶段:
互联互通阶段
20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。
ARPANET兴起后,计算机网络发展迅猛,各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。
由于没有统一的标准,不同厂商的产品之间互联很困难,人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境,这样应运而生了两种国际通用的最重要的体系结构,即TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。
第四阶段:
高速网络技术阶段
20世纪90年代末至今的第四代计算机网络,由于局域网技术发展成熟,出现光纤及高速网络技术,多媒体网络,智能网络,整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统,发展为以Internet为代表的互联网。
1.3PLC产生和发展
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。
在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。
三．功能发展史：
（名字的由来）
早期：
顺序控制。
包括逻辑运算功能。
称PLC（ProgrammableLogicController）
70年代：
微处理器用于PLC。
功能增强、数值运算、数据处理、闭环调节等，称PC。
现在：
模拟量控制、位置控制等。
随着微处理器的出现，大规模、超大规模、集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展其发展过程大致可以分为三个阶段[1]。
1.早期的PLC
早期的PLC称为可编程逻辑控制器。
这时，PLC主要功能只是执行原先由继器完成的顺序控制、定时等。
早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示及能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言－－梯形图，一直沿用到现在。
2.中期的PLC
这时PLC产品已使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术是PLC的应用得到了进一步的发展。
在硬件方面，除了保留原有的开发模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的范围更大。
在软件方面，还增加了算术运算、数据处理和传送通信、直诊断等功能。
3.近期的PLC
由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格的大幅度下降，使的各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
为了提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。
世界上生产PLC产品的厂家多达200多个，其中比较著名的有美国的AB、通用（GE），日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、松下，德国的西门子（SIEMENS），韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。
1.4PLC的基本结构及控制特点
PLC的基本结构：
在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。
PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成[2]。
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）一般由控制器运算器和寄存器组成。
它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。
（1）系统存储器系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。
（2）用户存储器用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：
一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
4.扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
（1）扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。
（2）通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。
5.电源部分
PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。
电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。
6.编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
7.其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。
PLC的工作原理
PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑[2]。
PLC的控制特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性
2.控制系统结构简单，通用性强
在PLC控制系统中，只需要在PLC输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。
3.编程方便，易于使用
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
4.功能完善
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
5.设计、施工、调试的周期短
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
。
6.体积小，维护操作方便
PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
1.5通信与网络技术在PLC中的应用
通信网络技术技术在西门子PLC中的通讯方式有：
RS485串口通信、PPI通信、MPI通信、以太网通信、PROFIBUS-DP通信等。
一、PPI通讯
PPI协议是S7-200CPU最基本的通信方式，通过原来自身的端口（PORT0或PORT1）就可以实现通信，是S7-200CPU默认的通信方式。
PPI是一种主-从协议通信，主-从站在一个令牌环网中。
在CPU内用户网络读写指令即可，也就是说网络读写指令是运行在PPI协议上的。
因此PPI只在主站侧编写程序就可以了，从站的网络读写指令没有什么意义。
二、RS485串口通讯
第三方设备大部分支持，西门子S7PLC可以通过选择自由口通信模式控制串口通信。
最简单的情况是只用发送指令（XMT）向打印机或者变频器等第三方设备发送信息。
不管任何情况，都必须通过S7PLC编写程序实现。
当选择了自由口模式，用户可以通过发送指令（XMT）、接收指令（RCV）、发送中断、接收中断来控制通信口的操作。
三、MPI通讯
MPI通信是一种比较简单的通信方式，MPI网络通信的速率是19.2Kbit/s~12Mbit/s，MPI网络最多支持连接32个节点，最大通信距离为50M。
通信距离远，还可以通过中继器扩展通信距离，但中继器也占用节点。
MPI网络节点通常可以挂S7-200、人机介面、编程设备、智能型ET200S及RS485中继器等网络元器件。
西门子PLC与PLC之间的MPI通信一般有3种通信方式：
1、全局数据包通信方式
2、无组态连接通信方式
3、组态连接通信方式
第二章通信与网络技术的基本概念
2.1并行通信与串行通信
数据在多个信道同时传输的方式称为并行传输通信。
并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。
发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。
接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。
并行方式主要用于近距离通信。
计算机内的总线结构就是并行通信的例子。
这种方法的优点是传输速度快，处理简单。
图2-1-1并行通信
数据在一个信道上，以二进制的位为单位的数据传输方式，称为串行数据通信。
串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。
串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。
图2-1-2串行通信
2.2异步传输和同步传输
异步传输
在异步传输方式中，如图所示每次传送一个字符（5-8位），都在每个字符代码前加一起始位，表示该字符代码的开始。
在字符和校验码后加一停止位，以示该代码的结束。
所以又称起止式同步，起始位编码为"0"，持续一位时间，停止位编码为"1"持续l～2位。
当不发送数据时，发送端连续地发送停止码"1"。
接收端一旦接收到从1到0信号跳变，便知道要开始新字符的发送，利用这种极性的改变便可启动定时机构，实现同步。
当接收到接收停止位，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。
在异步传输中不需要传输时钟脉冲。
由于这种方式的字符发送是相互独立的，故称为异步方式。
图2-2-1异步传输
异步通信设备易于安装，维护简单且价格便宜；但异步方式由于每一个字符都引入起始和停止位，所以开销大、效率低、速率低，常用于低速传输，如1200b/s或更低的速度。
分时终端与计算机的通信一般是异步的。
同步传输
在这种方式中，利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差。
使时钟保持同步的方法之一，是在接收装置和发送装置之间采用单独的时钟信息，称为同步法。
另一种方法是将定时信号包含在数据信号中发送，直接从数据波形本身中提取同步信号，称自同步法。
如数字信号利用曼彻斯特编码时，规定传送"0"信号时是先正后负，传送"1"信号时是先负后正。
由于数据信号都是由二进制码按预定规律编排而成，它包含位、字、句及帧。
数据传输的代码结构是由若干位组成字，由若干字组成句，由若干句组成帧，传输时不仅位需要同步，其余字、句、帧都要同步，这就叫"群"同步。
只有做到群同步，接收端才能正确识别字、句、帧等码群。
如果只有位同步而无群同步，收到的信号将是一串无意义的码元序列。
为使接收装置能确定数据块的开始和结束，每一数据块前、后用同步数据块加上同步定界符等控制信息的组合，常称为"帧"。
帧的实际格式，常取决于传输方案，是面向比特（位）的，还是面向字符方式的。
2.3基带传输和频带传输
基带传输
在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的信号是二进制数字信号，是典型的矩形电脉冲信号，其频谱包括直流、低频和高频等多种成份。
在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。
因此，数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。
在基带传输中，整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。
由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。
在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。
频带传输
远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。
频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。
计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。
第三章网络通信技术在西门子S7系列PLC中的应用
3.1应用背景与需求
目前PLC的控制系统已经被广泛应用于各个行业，回顾发展的历史，它的生产得益于集成电路制造技术和微处理技术技术的发展。
最初大部分都被设计为开关量的输入/输出的控制，以取代传统的继电器控制，这样可以增大系统配置的灵活性。
但是在工业在工业控制应用中，需要对连续量进行控制，因此从上个世纪80年代起，PLC产品开始逐渐支持连续量的控制。
在上个世纪90年代起，PLC的控制功能变得更为强大，其中主要体现在PLC与外部设备的通信能力不断得到提高。
随着计算机通信网络技术的日益成熟以及企业对工业自动化程度要求的提高，自动控系统也从传统的集中式控制向多级分布式控制方向发展，构成控制系统的PLC也就必须要具备通信及网络的功能，能够相互连接，远程通信。
为了适应PLC网络化要求，扩大联网功能，几乎所有的PLC为了适应可编程控制器网络化的要求，扩大联网功能，几乎所有的可编程控制器厂家，都为可编程控制器开发了与上位机通讯的接口或专用通讯模块。
一般在小型可编程控制器上都设有RS422通讯接口或RS232C通讯接口；在中大型可编程控制器上都设有专用的通讯模块。
可编程控制器与计算机之间的通讯正是通过可编程控制器上的RS422或RS232C接口和计算机上的RS232C接口进行的。
运用RS232C和RS422通道，可容易配置一个与外部计算机进行通讯的系统。
该系统中可编程控制器接受控制系统中的各种控制信息，分析处理后转化为可编程控制器中软元件的状态和数据；可编程控制器又将所有软元件的数据和状态送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机可改变可编程控制器的初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制。
3.2生产金字塔结构与工厂计算机控制系统模型
PLC制造厂家常用生产金字塔PP（ProductivityPyramid）结构来描述它的产品能提供的功能。
如图3-2-1所示为美国A-B公司和德国SIEMENS公司的生产金字塔。
尽管这些生产金字塔结构层数不同，各层功能有所差异，但它们都表明PLC及其网络在工厂自动化系统中，由上到下，在各层都发挥着作用。
这些金字塔的共同特点是：
上层负责生产管理，下层负责现场控制与检测，中间层负责生产过程的监控及优化。
图3-2-1生产金字塔结构示意图
美国国家标准局曾为工厂计算机控制系统提出过一个如图3-2-2所示的NBS模型，它分为6级，并规定了每一级应当实现的功能，这一模型获得了国际广泛的承认。
图3-2-2NBS模型
国际标准化组织（ISO）对企业自动化系统的建模进行了一系列研究，也提出了一个如图3-2-3所示的6级模型。
尽管它与NBS模型各级内涵，特别是高层内涵有所差别，但两者在本质上是相同的，这说明现代工业企业自动化系统应当是一个既负责企业管理经营又负责控制监控的综合自动化系统。
它的高3级负责经营管理，低3级负责生产控制与过程监控。
图3-2-3ISO企业自动化模型
3.3PLC网络的拓扑结构
PLC及其网络发展到现在，已经能够实现NBS或ISO模型要求的大部分功能，至少可以实现4级以下NBS模型或ISO模型功能。
PLC要提供金字塔功能或者说要实现NBS或ISO模型要求的功能，采用单层子网显然是不行的。
因为不同层所实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，导致它们对通信的要求也就不一样。
在上层所传送的主要是些生产管理信息，通信报文长，每次传输的信息量大，要求通信的范围也比较广，但对通信实时性的要求却不高。
而在底层传送的主要是些过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及可靠性的要求却比较高。
中间层对通信的要求正好居于两者之间。
由于各层对通信的要求相差甚远，如果采用单级子网，只配置一种通信协议，势必顾此失彼，无法满足所有各层对通信的要求。
只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求。
SIEMENS公司的PLC网络
西门子PLC的网络是适合不同的控制需要制定的，也为各个网络层次之间提供了互连模块或装置，利用它们可以设计出满足各种应用需求的控制管理网络。
西门子S7系列PLC网络如图3-3-1所示，它采用3级总线复合型结构，最底一级为远程I/O链路，负责与现场设备通信，在远程I/O链路中配置周期I/O通信机制。
中间一级为Profibus现场总线或主从式多点链路。
前者是一种新型现场总线，可承担现场、控制、监控三级的通信，采用令牌方式与主从轮询相结合的存取控制方式；后者为一种主从式总线，采月主从轮询式通信。
最高一层为工业以太网，它负责传送生产管理信息。
在工业以太网通信协议的下层中配置以802.3为核心的以太网协议，在上层向用户提供TF接口，实现AP协议与MMS协议。
图3-3-1SIEMENS公司的PLC网络
3.4PLC网络各级子网通信协议配置的规律
通过以上典型PLC网络的介绍，可以看出PLC网络各级子网通信协议配置的规律如下：
1）PLC网络通常采用3级或4级子网构成的复合型拓扑结构，各级子网中配置不同的通信协议，以适应不同的通信要求。
2）在PLC网络中配置的通信协议分两类：
一类是通用协议，一类是公司专用协议。
3）在PLC网络的高层子网中配置的通用协议主要有两种，一种是MAP规约（全MAP3．0），一种是Ethernet协议，这反映PLC网络标准化与通用化的趋势。
PLC网的互联，PLC网与其它局域网的互联将通过高层进行。
4）在PLC网络的低层子网及中间层子网采用公司专用协议。
其最底层由于传递过程数据及控制命令，这种信息很短，对实时性要求又较高，常采用周期I/O方式通信
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