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文檔簡(jiǎn)介
第7部分
可編程控制通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)授課教師:李建興(E-mail:lijx@)(福建工程學(xué)院電子信息與電氣工程系)可編程序控制器(PLC)應(yīng)用技術(shù)第7部分
可編程控制器通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近年來(lái),工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)得到了迅速的發(fā)展,相當(dāng)多的企業(yè)已經(jīng)在大量地使用可編程設(shè)備,如PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、變頻器、機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)等。將不同廠家生產(chǎn)的這些設(shè)備連在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上,相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,由企業(yè)集中管理,已經(jīng)是很多企業(yè)必須考慮的問(wèn)題。本章主要介紹有關(guān)PLC的通信與工廠自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)方面的初步知識(shí)。
7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1
PLC通信基礎(chǔ)7PLC通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
7.1
PLC通信基礎(chǔ)概述通信:當(dāng)任意兩臺(tái)設(shè)備之間有信息交換時(shí),它們之間就產(chǎn)生了通信。PLC通信:是指PLC與PLC、PLC與計(jì)算機(jī)、PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或遠(yuǎn)程I/O之間的信息交換。
PLC通信的任務(wù):就是將地理位置不同的PLC、計(jì)算機(jī)、各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等,通過(guò)通信介質(zhì)連接起來(lái),按照規(guī)定的通信協(xié)議,以某種特定的通信方式高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理。7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.1通信方式并行通信與串行通信并行通信:是以字節(jié)或字為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式,除了8根或16根數(shù)據(jù)線、一根公共線外,還需要數(shù)據(jù)通信聯(lián)絡(luò)用的控制線。并行通信的傳送速度快,但是傳輸線的根數(shù)多,成本高,一般用于近距離的數(shù)據(jù)傳送。并行通信一般用于PLC的內(nèi)部,如PLC內(nèi)部元件之間、PLC主機(jī)與擴(kuò)展模塊之間或近距離智能模塊之間的數(shù)據(jù)通信。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.1通信方式并行通信與串行通信串行通信:以二進(jìn)制位(bit)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式,每次傳送一位,除了地線外,在一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向上只需要一根數(shù)據(jù)線,這根線既作為數(shù)據(jù)線又作為通信聯(lián)絡(luò)控制線串行通信需要的信號(hào)線少,最少的只需要兩三根線,適用于距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。串行通信多用于PLC與計(jì)算機(jī)之間、多臺(tái)PLC之間的數(shù)據(jù)通信。傳輸速率是評(píng)價(jià)通信速度的重要指標(biāo)。在串行通信中,傳輸速率常用比特率來(lái)表示,其單位是比特/秒(bit/s)或bps7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.1通信方式單工通信與雙工通信
單工通信方式:只能沿單一方向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。雙工通信方式:其信息可沿兩個(gè)方向傳送,每一個(gè)站既可以發(fā)送數(shù)據(jù),也可以接收數(shù)據(jù)。全雙工方式:數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由兩根或兩組不同的數(shù)據(jù)線傳送,通信的雙方都能在同一時(shí)刻接收和發(fā)送信息半雙工方式:用同一根線或同一組線接收和發(fā)送數(shù)據(jù),通信的雙方在同一時(shí)刻只能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)在PLC通信中常采用半雙工和全雙工通信。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.1通信方式異步通信與同步通信
按同步方式的不同,串行通信分為異步通信和同步通信異步通信:通信雙方需要對(duì)所采用的信息格式和數(shù)據(jù)的傳輸速率作相同的約定。異步通信傳送附加的非有效信息較多,它的傳輸效率較低,一般用于低速通信,PLC一般使用異步通信。7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.1通信方式異步通信與同步通信同步通信:以字節(jié)為單位。每次傳送l~2個(gè)同步字符、若干個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗(yàn)字符。同步字符起聯(lián)絡(luò)作用,用它來(lái)通知接收方開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。在同步通信中,發(fā)送方和接收方要保持完全的同步。在近距離通信時(shí),可以在傳輸線中設(shè)置一根時(shí)鐘信號(hào)線。在遠(yuǎn)距離通信時(shí),可以在數(shù)據(jù)流中提取出同步信號(hào),使接收方得到與發(fā)送方完全相同的接收時(shí)鐘信號(hào)。同步通信方式傳輸效率高,但是對(duì)硬件的要求較高,一般用于高速通信。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.1通信方式基帶傳輸與頻帶傳輸基帶傳輸:按照數(shù)字信號(hào)原有的波形(以脈沖形式)在信道上直接傳輸,它要求信道具有較寬的通頻帶?;鶐鬏敃r(shí),通常對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一定的編碼,常用數(shù)據(jù)編碼方法有非歸零碼NRZ、曼徹斯特編碼和差動(dòng)曼徹斯特編碼等。7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.1通信方式基帶傳輸與頻帶傳輸頻帶傳輸:是一種采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)的傳輸形式。發(fā)送端采用調(diào)制手段,對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種變換,將代表數(shù)據(jù)的二進(jìn)制“1”和“0”,變換成具有一定頻帶范圍的模擬信號(hào),以適應(yīng)在模擬信道上傳輸;接收端通過(guò)解調(diào)手段進(jìn)行相反變換,把模擬的調(diào)制信號(hào)復(fù)原為“1”或“0”。常用的調(diào)制方法有頻率調(diào)制、振幅調(diào)制和相位調(diào)制。具有調(diào)制、解調(diào)功能的裝置稱(chēng)為調(diào)制解調(diào)器,即Modem。PLC通信中,基帶傳輸和頻帶傳輸兩種傳輸形式都有采用,但多采用基帶傳輸。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)通信介質(zhì):是在通信系統(tǒng)中位于發(fā)送端與接收端之間的物理通路。通信介質(zhì)一般可分為:導(dǎo)向性介質(zhì)、非導(dǎo)向性介質(zhì)導(dǎo)向性介質(zhì):這種介質(zhì)將引導(dǎo)信號(hào)的傳播方向,如:雙絞線、同軸電纜和光纖等;非導(dǎo)向性介質(zhì):一般通過(guò)空氣傳播信號(hào),它不為信號(hào)引導(dǎo)傳播方向,如短波、微波和紅外線通信等。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)雙絞線雙絞線是由兩根彼此絕緣的導(dǎo)線按照一定規(guī)則以螺旋狀絞合在一起。這種結(jié)構(gòu)能在一定程度上減弱來(lái)自外部的電磁干擾及相鄰雙絞線引起的串音干擾。但在傳輸距離、帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率等方面仍有其一定的局限性。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)非屏蔽雙絞線電纜:價(jià)格便宜、直徑小節(jié)省空間、使用方便靈活、易于安裝美國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)規(guī)定了六種質(zhì)量級(jí)別的雙絞線電纜,其中1類(lèi)線檔次最低,只適于傳輸語(yǔ)音;6類(lèi)線檔次最高,傳輸頻率可達(dá)到250MHz。3類(lèi)線數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10Mbps;4類(lèi)線數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)16Mbps;5類(lèi)線數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)100Mbps。屏蔽雙絞線電纜:抗干擾能力強(qiáng),有較高的傳輸速率,100m內(nèi)可達(dá)到155Mbps。但其價(jià)格相對(duì)較貴,需要配置相應(yīng)的連接器,使用時(shí)不是很方便。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)同軸電纜與雙絞線相比,同軸電線抗干擾能力強(qiáng),能夠應(yīng)用于頻率更高、數(shù)據(jù)傳輸速率更快的情況。對(duì)其性能造成影響的主要因素來(lái)自衰損和熱噪聲,采用頻分復(fù)用技術(shù)時(shí)還會(huì)受到交調(diào)噪聲的影響。雖然目前同軸電纜大量被光纖取代,但它仍廣泛應(yīng)用于有線電視和某些局域網(wǎng)中。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)同軸電纜同軸電纜主要有:50Ω電纜和75Ω電纜。50Ω電纜:用于基帶數(shù)字信號(hào)傳輸,又稱(chēng)基帶同軸電纜。電纜中只有一個(gè)信道,數(shù)據(jù)信號(hào)采用曼徹斯特編碼方式,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mbps,這種電纜主要用于局域網(wǎng)。75Ω電纜:是CATV系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn),它既可用于傳輸寬帶模擬信號(hào),也可用于傳輸數(shù)字信號(hào)。對(duì)于模擬信號(hào)而言,其工作頻率可達(dá)400MHZ。若在這種電纜上使用頻分復(fù)用技術(shù),則可以使其同時(shí)具有大量的信道,每個(gè)信道都能傳輸模擬信號(hào)。7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)光纖光纖是一種傳輸光信號(hào)的傳輸媒介光纖的結(jié)構(gòu):處于光纖最內(nèi)層的纖芯是一種橫截面積很小、質(zhì)地脆、易斷裂的光導(dǎo)纖維,制造這種纖維的材料可以是玻璃也可以是塑料。纖芯的外層裹有一個(gè)包層,它由折射率比纖芯小的材料制成。由于在纖芯與包層之間存在著折射率的差異,光信號(hào)才得以通過(guò)全反射在纖芯中不斷向前傳播。在光纖的最外層則是起保護(hù)作用的外套。通常都是將多根光纖扎成束并裹以保護(hù)層制成多芯光纜。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)光纖根據(jù)制作材料的不同,光纖可分為:石英光纖、塑料光纖、玻璃光纖等;根據(jù)傳輸模式不同,光纖可分為:多模光纖和單模光纖;根據(jù)纖芯折射率的分布不同,光纖可以分為:突變型光纖和漸變型光纖;根據(jù)工作波長(zhǎng)的不同,光纖可分為:短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.2通信介質(zhì)光纖在實(shí)際光纖傳輸系統(tǒng)中,還應(yīng)配置與光纖配套的光源發(fā)生器件和光檢測(cè)器件。最常見(jiàn)的光源發(fā)生器件是發(fā)光二極管(LED)和注入激光二極管(ILD)。光檢測(cè)器件是在接收端能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件,目前使用的光檢測(cè)器件有光電二極管(PIN)和雪崩光電二極管(APD),光電二極管的價(jià)格較便宜,然而雪崩光電二極管卻具有較高的靈敏度。
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7.1.2通信介質(zhì)光纖光纖的優(yōu)點(diǎn):1)光纖支持很寬的帶寬(1014~1015
HZ),覆蓋了紅外線和可見(jiàn)光的頻譜。2)具有很快的傳輸速率,當(dāng)前傳輸速率制約因素是信號(hào)生成技術(shù)。3)光纖抗電磁干擾能力強(qiáng),且光束本身又不向外輻射,適用于長(zhǎng)距離的信息傳輸及安全性要求較高的場(chǎng)合。4)光纖衰減較小,中繼器的間距較大。光纖的缺點(diǎn):系統(tǒng)成本較高、不易安裝與維護(hù)、質(zhì)地脆易斷裂等。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口
PLC通信主要采用串行異步通信,其常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C、RS-422A和RS-485等。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口RS-232CRS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)于1969年公布的通信協(xié)議。RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)是目前計(jì)算機(jī)和PLC中最常用的一種串行通信接口。RS-232C采用負(fù)邏輯,用-5~-15V表示邏輯“l(fā)”,用+5~+15V表示邏輯“0”。噪聲容限為2V,即接收器能識(shí)別低至+3V的信號(hào)作為邏輯“0”,高到-3V的信號(hào)作為邏輯“1”
。RS-232C只能進(jìn)行一對(duì)一的通信,RS-232C可使用9針或25針的D型連接器,PLC一般使用9針的連接器7.1
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7.1.3PLC常用通信接口RS-232C7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口RS-232C7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口RS-232CRS-232-C的電氣接口采用單端驅(qū)動(dòng)、單端接收的電路,容易受到公共地線上的電位差和外部引入的干擾信號(hào)的影響,同時(shí)還存在以下不足之處:1)
傳輸速率較低,最高傳輸速度速率為20kbps。2)
傳輸距離短,最大通信距離為15m3)接口的信號(hào)電平值較高,易損壞接口電路的芯片,與TTL電平不兼容7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口RS-422A
針對(duì)RS-232C的不足,EIA于1977年推出了串行通信標(biāo)準(zhǔn)RS-499,對(duì)RS-232C的電氣特性作了改進(jìn),RS-422A是RS-499的子集。
RS-422A采用平衡驅(qū)動(dòng)、差分接收電路,從根本上取消了信號(hào)地線,大大減少了地電平所帶來(lái)的共模干擾。
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PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口RS-422ARS-422在最大傳輸速率10Mbps時(shí),允許的最大通信距離為12m。傳輸速率為100kbps時(shí),最大通信距離為1200m。一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器可以連接10臺(tái)接收器。
RS-422A是全雙工,兩對(duì)平衡差分信號(hào)線分別用于發(fā)送和接收,所以采用RS422接口通信時(shí)最少需要4根線。7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口RS-485RS-485是RS-422的變形,為半雙工,只有一對(duì)平衡差分信號(hào)線,不能同時(shí)發(fā)送和接收,最少只需二根連線。
RS-485的邏輯“1”以?xún)删€間的電壓差為+(2~6)V表示,邏輯“0”以?xún)删€間的電壓差為-(2~6)V表示。電平與TTL電平兼容,可方便與TTL
電路連接。
RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性、高傳輸速率(10Mbps)、長(zhǎng)的傳輸距離(1200m)和多站能力(最多128站)等優(yōu)點(diǎn),所以在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。7.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.3PLC常用通信接口RS-4857.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.4計(jì)算機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)
開(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI)為了實(shí)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的智能設(shè)備之間的通信,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO提出了開(kāi)放系統(tǒng)互連模型OSI(OpenSystemInterconnection),作為通信網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的參考模型,詳細(xì)描述了軟件功能的7個(gè)層次。每一層都盡可能自成體系,均有明確的功能。77.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.4計(jì)算機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)
開(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI)物理層(PhysicalLayer)物理層是為建立、保持和斷開(kāi)在物理實(shí)體之間的物理連接,提供機(jī)械的、電氣的、功能性的和規(guī)程的特性。物理層是建立在傳輸介質(zhì)之上,負(fù)責(zé)提供傳送數(shù)據(jù)比特位“0”和“1”碼的物理?xiàng)l件。同時(shí),定義了傳輸介質(zhì)與網(wǎng)絡(luò)接口卡的連接方式以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方式。接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C、RS-422和RS-485等就屬于物理層。
77.1
PLC通信基礎(chǔ)
7.1.4計(jì)算機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI)數(shù)據(jù)鏈路層(DatalinkLayer)數(shù)據(jù)鍵路層通過(guò)物理層提供的物理連接,實(shí)現(xiàn)建立、保持和斷開(kāi)數(shù)據(jù)鏈路的邏輯連接,完成數(shù)據(jù)的無(wú)差錯(cuò)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的主要控制功能是差錯(cuò)控制和流量控制,以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在數(shù)據(jù)鏈路上,數(shù)據(jù)以幀格式傳輸,幀是包含多
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