可编程控制器通信与网络技术.doc

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。

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 第一节 PLC 通信基础

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 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、PLC 与计算机、PLC 与现场设备或远程 I/O

之间的信息交换。

 1．并行通信与串行通信

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 数据通信主要有并行通信和串行通信两种方式。

 并行通信是以字节或字为单位的数据传输方式，除了 8 根或 16 根数据线、一根公共线外，还需要数据通信联络用的控制线。并行通信

的传送速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的数据传送。并行通信一般用于 PLC 的内部，如 PLC 内部元件之间、

PLC 主机与扩展模块之间或近距离智能模块之间的数据通信。

 串行通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式，每次只传送一位，除了地线外，在一个数据传输方向上只需要一根数据线，

这根线既作为数据线又作为通信联络控制线，数据和联络信号在这根线上按位进行传送。串行通信需要的信号线少，最少的只需要两三

根线，适用于距离较远的场合。计算机和 PLC 都备有通用的串行通信接口，工业控制中一般使用串行通信。串行通信多用于 PLC 与计

算机之间、多台 PLC 之间的数据通信。

 单工通信方式只能沿单一方向发送或接收数据。双工通信方式的信息可沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。

 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

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 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

 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

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 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，

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

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 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

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 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

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。

 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 20 MHz，

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

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 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

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。

 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

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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 1014～1015 HZ 之间，这个范围覆盖了红外线和可见光的频谱。

2）  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）  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

 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

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：

单端驱动单端接收的电路

 2．RS-422

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 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。

 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。

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 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。

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 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。

 四、计算机通信标准

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 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（Datalink Layer）

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 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）。

协议有 X.25 分组协议和 IP 协议。

 4. 传输层（Transport Layer）

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 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（Session Layer）

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 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

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 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。

 OSI 7 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。

 OSI 7 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。 OSI 7 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

 1．CSMA/CD 协议

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 CSMA/CD（carrier-sense multiple access with collision detection）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