第十一章可编程控制器通讯技术.docx
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第十一章可编程控制器通讯技术
第十一章可编程控制器通讯技术
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通讯是指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。
PLC通讯的任务就是将地理位置不同的PLC、计算机、各种现场设备等，通过通讯介质连接起来，按照规定的通讯协议，以某种特定的通讯方式高效率地完成数据的传送、交换和处理。
11.1网络通讯的基本知识
工业控制网络通常分为3个层级，采用中央计算机的数据管理级为最高级，生产线或车间的数据控制为中间级，直接完成设备控制的为最低级。
可编程控制器可以方便地与工业控制计算机等数字设备相连接，是工业控制网络中、低层级木构成的重要组成部分。
1、数据通讯基础
（1）数据传送方式
1）并行通讯和串行通讯
并行通讯。
并行通讯是所传送数据的各个位同时进行发送或接收的通讯方式。
如图11-1（a）所示。
并行通讯的特点是传送速度快。
并行通讯中，传送多少位二进制数就需要多少根数据传输线，传输成本高，一般用于近距离的数据传送。
并行通讯一般用于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。
串行通讯。
如图11-1（b）所示，串行通讯是将数据一位一位顺序发送或接收的，因而除了地线外，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。
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。
串行通信多用于PLC与计算机之间、多台PLC之间的数据通信。
2）同步传输与异步传输串行通讯中很重要的问题是使发送端和接收端保持同步，按同步方式可分为同步传送和异步传送。
异步传送。
异步方式以字符为单位发送数据，每个字符都用开始位和停止位作为字符的开始标志和结束标志，构成一帧数据信息。
因此异步传送也称为起止传送，它是利用起止法达到收发同步的。
异步通讯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。
异步传送的帧字符构成如图11-2（a）所示。
每个字符的起始位为0，然后是数据位（有效数据位可以是5到7位），随后是奇偶校验位（可根据需要选择），最后是停止位（可以是1位或多位），该图中停止位为1。
在停止位后可以加空闲位，空闲位为1，位数不限制，空闲
位的作用是为了等待一个字符的传送。
有了空闲位，发送和接收可以连续或间断进行而不受时间限制。
异步串行传送的优点是硬件结构简单，缺点是传送效率低，因为每个字符都要加上起始位和停止位。
因此异步串行通讯方根用于中、低速的数据传送。
数据传送经常要用到的传输速率的指标，它表示单位时间内传输的信息量，例如每秒钟传送
120个字符，每个字符为10位，则传送速率为：
120字符/秒×10位/字符=1200bps。
但传输速率与有效数据的传送速率有时并不一致，如果上例中每个字符的真正有效位为5位，则有效数据的传送速率为：
120字符/秒×5位/字符=600bps。
同步传送。
同步传输是以数据块（一组数据）为单位进行数据传输的，在数据开始处用同步字符来指示，同步字符后则是连续传输的数据。
由于不需要起始位和停止位，克服了异步传输效率低的缺点，但是，需要的软件和硬件的价格比异步传输要高得多。
同步传输的数据格式如图11-2（b）。
（2）数据传送方向
串行通讯时，在通讯线路上按照数据的传送方向可以分为单工、全双工和半双工的通讯方式。
1）单工通讯方式单工通讯是指在通讯线路上数据的传输方向只能是固定的，不能进行反方向的传送。
2）半双工通讯方式半双工通讯方式是指在一条通讯线路上数据的传输可以在两个方向上进行，但是同一个时刻只能是一个方向的数据传输。
3）全双工通讯方式全双工通讯有两条传输线，通讯的两台设备可以同时进行发送和接收数据。
（3）数据传输的介质
在PLC通讯网络中,传输媒介的选择是很重要的一环,传输媒介决定了网络的传输率、网络段的最大长度及传输的可靠性。
目前常用的传输介质有如下三种。
1）双绞线双绞线是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。
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仍有其一定的局限性。
2）同轴电缆与双绞线相比，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。
3）光纤光纤是一种传输光信号的传输媒介。
与一般的导向性通信介质相比，光纤具有很多优点：
它支持很宽的带宽；具有很快的传输速率；抗电磁干扰能力强；衰减较小，中继器的间距较大。
2、PLC常用的串行通讯接口
（1）RS-232C
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-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：
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。
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。
RS-422在最大传输速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。
3、工业控制网络基础
（1）工业控制网络的结构
工业控制网络常用以下3种结构形式。
1）总线型网络如图11-3（a）所示，总线型网络利用总线连接所有的站点，所有的站点对总线有同等的访问权。
总线型的网络结构简单，易于扩充，可靠性高，灵活性好，响应速度快，工业控制网以总线型居多。
2）环形网络如图11-3所示,环形网络的结构特点是各个结点通过环路接口首尾相接,形成环形,各个结点均可以请求发送信息。
环形网络结构简单，安装费用低，某个结点发生故障时可以自动旁路，保证其他部分的正常工作，系统的可靠性高。
3）星型网络如图11-3（c）所示，星型网络以中央结点为中心，网络中任何两个结点不能直接进行通讯，数据传输必须经过中央结点的控制。
上位机（主机）通过点对点的方式与多个现场处理机（从机）进行通讯。
星型网络建网容易，便于程序的集中开发和资源共享。
但是上位机的负荷重，线路利用率较低，系统费用高。
如果上位机发生故障，整个通讯系统将瘫痪。
（2）通讯协议
在进行网络通讯时，通讯双方必须遵守约定的规程，这些为进行可靠的信息交换而建立的规程称为协议。
在PLC网络中配置的通讯协议可分为两类：
通用协议和公司专用协议。
1）通用协议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提出了开放系统互相通信协议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。
如图11-4所示。
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。
OSI7层模型中，除物理层和和物理层之间可以直接传送信息外，其他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讯协议，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层提供网络通讯功能。
2）公司专用协议公司专用协议一般用于物理层、数据链路层和应用层。
使用公司专用协议传送的数据是过程数据和控制命令，信息短，实时性强，传送速度快。
FX2N系列可编程控制器与计算机的通讯就是采用公司专用协议。
（3）主站与从站
连接在网络中的通讯点根据功能可分为主站与从站。
主站可以对网络中其他设备发出初始化请求；从站只能响应主站的初始化请求，不能对网络中的其他设备发出初始化请求。
网络中可以采用单主站（只有一个主站）连接方式或多主站（有多个主站）连接方式。
11.2FX2N系列通讯用硬件及通讯形式
1、FX2N系列PLC通讯器件
除了各厂商的专业工控网络（如三菱的CC-LINK网络）外,PLC组网主要是通过RS232、RS422、RS485等通讯接口进行，若通讯的二台设备都具有同样类型的接口，可直接通过适配的电缆连接并实现通讯。
如果通讯设备间的接口不同，则需要采用一定的硬件设备进行接口类型的转换。
FX2N系列PLC基本单元本身带有编程通讯用的RS422口。
为了方便通讯，厂商生产了为基本单元增加接口类型或转换接口类型用的各种器件。
以外观及安装方式分类，三菱公司生产的这三类设备有两种基本形式。
一种是功能扩展板，这是一种没有外壳的电路板，可打开基本单元的外壳后装入机箱内；另一种则是有独立机箱的，属于扩展模块一类。
常用的种类及外形如表11-1及图11-5所示。
扩展板与适配器除外观安装方式不同外，功能也有差异。
一般采用扩展板构成的通讯距离最大为50米，采用适配器构成的通讯距离可达500米
表11-1FX2N系列PLC简易通讯常用设备一览表
类型
型号
主要用途
对应通讯功能
连接台数
简易PC间链接
并行链接
计算机链接
无协议通讯
外围设备通讯
功能扩展板
FX2N-232-BD
与计算机及其他配备RS232接口的设备连接
×
×
Ο
Ο
Ο
1台
FX2N-485-BD
PLC间N:
N接口;并联连接的1:
1接口;以计算机为主机的专用协议通讯用接口
Ο
Ο
Ο
Ο
×
1台
FX2N-422-BD
扩展用于与外围设备连接用
×
×
×
×
Ο
1台
FX2N-CNV-BD
与适配器配合实现端口转换
_
_
_
_
_
1台
特殊适配器
FX0N-232ADP
与计算机及其他配备RS232接口的设备连接
×
×
Ο
Ο
Ο
1台
FX0N-485ADP
PLC间N:
N接口;并联连接的1:
1接口;以计算机为主机的专用协议通讯用接口
Ο
Ο
Ο
Ο
×
1台
通讯模块
FX2N-232-IF
作为特殊功能模块扩展的RS232通讯口
×
×
×
Ο
×
1台
FX-485PC-IF
将RS485信号转换为计算机所需的RS232信号
×
×
Ο
×
×
最多8台
2、FX2N系列可编程控制器的通讯形式
（1）并行通讯
FX2N系列可编程控制器可通过以下两种连接方式实现两台同PLC8间的并行通讯。
1）通过FX2N-485-BD内置通讯板和专用的通讯电缆。
2）通过FX2N-CNV-BD内置通讯板、FXON-485ADP特殊适配器和专用通讯电缆。
两台PLC之间的最大有效距离为50米。
（2）计算机与多台PLC之间的通讯
计算机与多台PLC之间的通讯多见于计算机为上位机的系统中。
1）通讯系统的连接通讯系统的连接方式可采用以下两种接口。
①采用RS485接口的通讯系统，一台计算机最多可连接16台可编程控制器。
与多台PLC之间的通讯连接可采用以下方法.
.FX2N系列可编程控制器之间采用FX2N-485-BD内置通讯板进行连接或采用FX2N-CNV-BD和采用FX0N-485-ADP特殊功能模块进行连接。
.计算机与PLC之间采用FX-485PC-IF和专用的通讯电缆,实现计算机与多台PLC的连接。
如图11-6所示，是采用FX2N-485-BD内置通讯板和FX-485PC-IF，将一台通用计算机与3台FX2N系列可编程控制器连接通讯示意图。
②采用RS232C接口的通讯系统有以下两种连接方式。
.FX2N系列可编程控制器之间采用FX2N-485-BD内置通讯板进行连接或采用FX2N-CNV-BD和采用FX0N-232ADP特殊功能模块进行连接，最大有效距离为15米。
.计算机与PLC之间采用FX-232-BD内置通讯板外部接口通过专用的通讯电缆直接连接。
2）通讯的配置除了线路连接,计算机与多台PLC通讯时,要设置站号、通讯格式（FX2N机有通讯格式1及通讯格式4供选），通讯要经过连接的建立（握手）、数据的传送和连接的释放这三个过程。
这其中PLC的通讯参数是通过通讯接口寄存器及通讯参数寄存器（特殊辅助继电器,见表11-2及11-3所示）设置的。
通讯程序可使用通用计算机语言的一些控件编写（如BASIC语言的控件）,或者在计算机中运行工业控制组态程序（如组态王、力控等）实现通讯。
（3）无协议通讯
1）串行通讯指令RS实现的通讯FX2N系列可编程控制器与计算机（读码器、打印机）之间，可通过RS指令实现串行数据的发送和接收,其指令格式使用如图11-7所示。
图中：
[S.]指定传送缓冲区的首地址；
m指定传送信息长度；
[D.]指定接收区的首地址
n指定接收数据长度。
串行通讯指令RS实现通讯的连接方式有如下两种。
对于采用RS232接口的通讯系统,将一台FX2N系列可编程控制器通过FX2N-232-BD内置通讯板（或FX2N-CNV-BD和FX0N-232ADP功能模块）和专用的通讯电缆,与计算机（或读码器、打印机）相连。
对于采用RS485接口的通讯系统，将一台FX2N系列可编程控制器通过FX2N-485-BD内置通讯板（或FX2N-CNV-BD和FX0N-485ADP功能模块）和专用的通讯电缆,与计算机（或读码器、打印机）相连。
使用RS指令实现无协议通讯时也要先设置通讯格式，设置发送及接收缓冲区，并在PLC中编制有关程序。
2）特殊功能模块FX2N-232IF实现的通信
FX2N系列可编程控制器与计算机（读码器、打印机）之间采用特殊功能模块FX2N-232-IF连接，通过PLC的通用指令FROM/TO指令也可以实现串行通信。
FX2N-232-IF具有十六进制数与ASCII码的自动转换功能,能够将要发送的十六进制瘦身转换成ASCII码并保存在发送缓冲寄存器当中,同时将接收的ASCII吗转换成十六进制数,并保存在接收缓冲寄存器中。
（4）简易PLC间链接
简易PLC间链接也叫做N∶N网络。
最多可以有8台PLC连接构成N∶N网络,实现PLC之间的数据通讯。
在采用RS485接口的N∶N网络中,FX2N系列可编程控制器可以采用以下两种方法连接到网络中。
1）FX2N系列可编程控制器之间采用FX2N-485-BD内置通讯板和专用的通讯电缆进行连接。
2）FX2N系列可编程控制器之间采用FX2N-CNV-BD和FX0N-485ADP特殊功能模块和专用的通讯电缆进行连接。
11.3FX2N系列PLC间的通讯配置及应用实例
1、FX2N系列可编程控制器的并行通讯
（1）通讯系统的连接
图11-8是采用FX2N-485-BD通讯模块，连接两台FX2N系列可编程控制器并进行进行通讯的示意图。
（2）通讯系统的参数设置
FX2N系列PLC的并行通讯,是通讯双方规定的专用存储单元机外读取的通讯。
有关通讯参数及设定如下所述。
1）相关的功能元件和数据并行通讯中，有关特殊数据元件的功能如表11-4所示。
2）标准并行通讯模式的设置与连接通过表11-4可以看到，FX2N系列可编程控制器的并行通讯有两种方式；标准并行通讯和高速并行通讯。
当采用标准并行通讯时，特
表11-4并行通讯特殊辅助继电器和寄存器功能
元件号
说明
M8070
M8070为ON时,表示PLC为主站
M8071
M8071为ON时,表示PLC为从站
M8072
M8072为ON时,表示PLC工作在并行通讯方式
M8073
M8073为ON时,表示PLC在标准并行通讯工作方式,发生M8070/8071的设置错误
M8162
M8073为ON时,表示PLC工作在高速并行通讯方式,仅用于2个字的读/写操作
D8070
并行通讯的警戒时钟WDT（默认值为500ms）
殊辅助继电器M8062=OFF，使用的相关通讯元件如表11-5所示。
标准并行通讯模式的连接如图11-9所示。
表11-5标准并行通讯模式下的通讯元件
通讯元件类型
说明
位元件（M）
字元件D
M800～M899
D490～D499
主站数据传送到从站所用的数据通讯元件
M900～M999
D500～D509
从站数据传送到主站所用的数据通讯元件
通讯时间
70ms+主站扫描周期+从站扫描周期
3）高速并行通讯模式的设置与连接当采用高速并行通讯时，特殊辅助继电器M8162=ON，使用相关的通讯元件只有4个，见表11-6所示。
高速并行通讯模式的连接如图11-10所示。
表11-6高速并行通讯模式下的通讯元件
通讯元件类型
说明
位元件（M）
字元件D
无
D490～D491
主站数据传送到从站所用的数据通讯元件
无
D500～D501
从站数据传送到主站所用的数据通讯元件
通讯时间
20ms+主站扫描周期+从站扫描周期
（3）FX2N系列可编程控制器并行通讯举例
有两台PLC型号分别为FX2N-48MT和FX2N-32MR采用标准并行通讯方式通讯。
试将FX2N-48MT设为主站，FX2N-32MR设为从站,要求两台PLC之间能够完成如下的控制要求:
将主站的输入端口X0～X7的状态传送到从站，通过从站的Y0～Y7输出；
当主站的计算值（D0+）≤100时,从站的Y10输出为ON；
将从站的辅助继电器M0～M7的状态传送到主站，通过主站的Y0～Y7输出；
将从站数据寄存器D10的值传送到主站,作为主站计数器T0的设定值。
两台PLC的并行通讯,通过分别设置在主站和从站的程序实现。
其中：
主站控制系统的程序如图11-11所示；从站控制系统的程序如图11-12所示。
2、N∶N网络
（1）N∶N网络的构成
三菱FX系列可编程控制器中的FX2N、FX2NC、FX1N、FX1S、FXON可以构成可编程控制器多点通信网络（N∶N网络），通过程序控制实现PLC间数据的通讯。
1）网络的连接如图11-13所示，4台FX2N系列可编程控制器采用FX2N-485-BD内置通讯板和专用通讯电缆连接,构成的N∶N网络。
2）网络系统的技术规格表11-7为采用N∶N网络系统的主要技术规格。
表11-7N∶N网络技术规格
通讯标准
传送距离
连接台数
通讯方式
字长停止位
传送速率
数据头数据尾
奇偶求和校验
RS485
最大500米
最大8台
半双工
固定值
38.4kps
固定值
固定值
（2）N∶N网络系统的主要参数
在N∶N网络系统中，通讯数据元件对网络的正常工作起到了非常重要的作用，只有对这些数据元件进行准确的设置，才能保证网络的可靠运行。
1）特殊辅助继电器在N∶N网络系统中，通讯用特殊辅助继电器的编号和功能如表11-8所示。
2）特殊寄存器在N∶N网络系统中，通讯用特殊寄存器的编号和功能如表11-9所示。
表11-8N∶N网络的特殊辅助继电器功能说明
继电器号
功能
说明
响应类型
读/写方式
M8038
网络参数设置
为ON时,进行N∶N网络参数的设置
主站、从站
读
M8183
主站通讯错误
为ON时,主站通讯发生错误
从站
读
M8184～M8190
从站通讯错误
为ON时,从站通讯发生错误
主站、从站
读
M8191
数据通讯
为ON时,表示正在同其他站通讯
主站、从站
读
注：
1.通讯错误不包括各站的CPU发生错误、各站工作在编程或停止状态的指示。
2.特殊辅助继电器M8184～M8190对应的PLC从站号为NO.1～NO.7。
表11-9N∶N网络的特殊数据寄存器功能说明
寄存器号
功能
说明
响应类型
读/写方式
D8173
站号
保存PLC自身的站号
主站、从站
读
D8174
从站数量
保存网络中从站的数量
主站、从站
读
D8175
更新范围
保存要更新的数据范围
主站、从站
读
D8176
站号设置
对网络中PLC站号的设置
主站、从站
写
D8177
设置从站数量
对网络中从站的数量进行设置
从站
写
D8178
更新范围设置
对网络中数据的更新范围进行设置
从站
写
D8179
重试次数设置
设置网络中通讯的重试次数
从站
读/写
D8180
公共暂停值的设置
设置网络中的通讯公共等待时间
从站
读/写
D8201
当前网络扫描时间
保存当前的网络扫描时间
主站、从站
读
D8202
最大网络扫描时间
保存网络允许的最大扫描时间
主站、从站
读
D8203
主站发生错误的次数
保存主站发生错误的次数
主站
读
D8204～D8210
从站发生错误的次数
保存从站发生错误的次数
主站、从站
读
D8211
主站通讯错误代码
保存主站通讯错误代码
从站
读
D8212～D8218
从站通讯错误代码
保存从站通讯错误代码
主站、从站
读
注：
1.通讯错误次数不包括本站的CPU发生错误、本站工作在编程或停止状态引起的网络通讯错误。
2.特殊数据寄存器D8204～D8210对应的PLC从站号为NO.1～NO.7；特殊数据寄存器D8212～D8218对应的PLC从站号为NO.1～NO.7。
（3）N∶N网络参数设置
当PLC电源打开,程序处于运行状态时,所有的设置有效
1）站号的设置将数值0～7写入相应PLC的数据寄存器D8176中,就完成了站号设置。
站号与对应的数值如表11-10所示。
表11-10站号的设置
数值
站号
0
主站（站号NO.0）
1～7
从站（站号NO.0.～NO.7）
2）从站数的设置将数值1～7写入主站PLC的数据寄存器D8177中,每一个数值对应从站的数量,默认值为7（7个从站）,这样就完成了网络从站数的设置。
该设置不需要从站的参与。
3）设置数据更新范围将数值0～2写入主站的数据寄存器D8178中,每一个数值对应一
表11-11通讯数据更新范围的模式
通讯元件类型
模式0
模式1
模式2
位元件（M）
0点
32点
64点
字元件（D）
4个
4个
32个
种更新范围的模式,默认值为0,见表11-11所示,这样就完成了网络数据更新范围的设置。
该设置不需要从站
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