PLC的通信與自動化通信網絡

6.1計算機通信概述6.1.1串行通信1．并行通信與串行通信并行數據通信以字節或字為單位傳輸數據，已很少使用。串行數據通信每次只傳送二進制數的一位。最少只需要兩根線就可以組成通信網絡。2．異步通信與同步通信接收方和發送方的傳輸速率的微小差異產生的積累誤差，可能使發送和接收的數據錯位。異步通信采用字符同步方式〔見圖6-1〕，通信雙方需要對采用的信息格式和數據的傳輸速率作相同的約定。接收方將停止位和起始位之間的下降沿作為接收的起始點，在每一位的中點接收信息。

奇偶校驗用硬件保證發送方發送的每一個字符的數據位和奇偶校驗位中“1”的個數為偶數或奇數。接收方用硬件對接收到的每一個字符的奇偶性進行校驗，如果奇偶校驗出錯，SM3.0為ON。可以設置為無奇偶校驗。

同步通信的發送方和接收方使用同一個時鐘脈沖。接收方可以通過調制解調方式得到與發送方同步的接收時鐘信號。

3．單工通信與雙工通信

單工通信只能沿單一方向傳輸數據，雙工通信每一個站既可以發送數據，也可以接收數據。

全雙工方式通信的雙方都能在同一時刻接收和發送數據。

半雙工方式通信的雙方在同一時刻只能發送數據或只能接收數據。4．傳輸速率

單位為bit/s或bps。6.1.2串行通信的端口標準1．RS-232CRS-232C的最大通信距離為15m，最高傳輸速率為20kbit/s，只能進行一對一的通信。RS-232C使用單端驅動、單端接收電路，容易受到公共地線上的電位差和外部引入的干擾信號的影響。2．RS-422ARS-422A采用平衡驅動、差分接收電路，因為接收器是差分輸入，兩根線上的共模干擾信號互相抵消。在最大傳輸速率10Mbit/s時，最大通信距離為12m。傳輸速率為100kbit/s時，最大通信距離為1200m，一臺驅動器可以連接10臺接收器。6.2計算機通信的國際標準6.2.1開放系統互連參考模型物理層的下面是物理媒體，例如雙絞線、同軸電纜和光纖等。物理層定義了傳輸媒體端口的機械、電氣功能和規程的特性。數據鏈路層的數據以幀為單位傳送，每一幀包含數據和同步信息、地址信息和流量控制信息等。通過校驗、確認和要求重發等方法實現過失控制。應用層為用戶的應用效勞提供信息交換，為應用接口提供操作標準。3．RS-485RS-422A是全雙工，用4根導線傳送數據。RS-485是RS-422A的變形，為半雙工，使用雙絞線可以組成串行通信網絡，構成分布式系統。6.2.2IEEE802通信標準1．CSMA/CD〔帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問〕的根底是以太網。每個站都是平等的，采用競爭方式發送信息到傳輸線上，“先聽后講”和“邊聽邊講”。其控制策略是競爭發送、播送式傳送、載體監聽、沖突檢測、沖突后退和再試發送。以太網越來越多地在底層網絡使用。2．令牌總線令牌繞邏輯環周而復始地傳送。要發送報文的站等到令牌傳給自己，判斷為空令牌時才能發送報文。令牌沿環網循環一周后返回發送站時，如果報文已被接收站復制，發送站將令牌置為“空”，送上環網繼續傳送，以供其他站使用。3．令牌環用得少4．主從通信方式主從通信網絡有一個主站和假設干個從站。主站向某個從站發送請求幀，該從站接收到后才能向主站返回響應幀。主站按事先設置好的輪詢表的排列順序對從站進行周期性的查詢。6.2.3現場總線及其國際標準1．現場總線IEC對現場總線的定義：“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線”。2．現場總線的國際標準〔1〕IEC61158IEC61158第4版采納了經過市場考驗的20種現場總線〔見表6-1〕。其中約一半是實時以太網?！?〕IEC62026IEC62026是供低壓開關設備與控制設備使用的控制器電氣接口標準。6.3基于以太網的S7協議通信6.3.1S7-200SMART之間的以太網通信1．S7協議S7協議是專為西門子控制產品優化設計的通信協議，它是面向連接的協議。S7-200SMART只有S7單向連接功能。單向連接中的客戶機〔Client〕是向效勞器〔Server〕請求效勞的設備，客戶機調用GET/PUT指令讀、寫效勞器的存儲區。效勞器是通信中的被動方，用戶不用編寫效勞器的S7通信程序，S7通信由效勞器的操作系統完成。2．GET指令與PUT指令GET指令從遠程設備讀取最多222B的數據。PUT指令將最多212B的數據寫入遠程設備。連接建立后，該連接將保持到CPU進入STOP模式。3．用GET/PUT向導生成客戶機的通信程序用GET/PUT向導建立的連接為主動連接，CPU是S7通信的客戶機。通信伙伴作為S7通信的客戶機時，不需要用GET/PUT指令向導組態，建立的連接是被動連接。在第1頁〔操作〕生成名為“寫操作”和“讀操作”的兩個操作。最多允許組態24項獨立的網絡操作。通信伙伴可以具有不同的IP地址。在第2、3頁設置操作的類型分別為PUT和GET、要傳送的數據的字節數、遠程CPU的IP地址、本地和遠程CPU保存數據的起始地址。在第4頁〔存儲器分配〕設置用來保存組態數據的V存儲區的起始地址。第5頁〔組件〕顯示用于實現要求的組態的工程組件默認的名稱。在第6頁〔生成〕單擊“生成”按鈕，自動生成用于通信的子程序等。4．調用子程序NET_EXE客戶機和效勞器的程序首次掃描時將保存接收到的數據的地址區清零，給要發送的地址區置初始值。每秒鐘將要發送的第一個字VW100加1。5．S7-200SMART之間的以太網通信實驗將用戶程序和系統塊下載到作為客戶機和效勞器的兩塊CPU。用以太網電纜連接編程計算機、客戶機和效勞器，令CPU運行在RUN模式，如果通信成功，可以看到雙方接收到的第一個字VW300每秒鐘加1，接收到的其他的字應是對方用FILL_N指令寫入的初始值。6.3.2S7-200SMART與其他S7PLC的以太網通信1．S7-300作客戶機的S7通信在S7通信中，S7-300/400作客戶機，S7-200SMART作效勞器。在STEP7的硬件組態工具中，設置以太網端口的IP地址和子網掩碼。在網絡組態工具中，創立一個S7連接，連接伙伴為默認的“未指定”。在S7連接屬性對話框中，設置S7-200SMART的IP地址和雙方的TSAP〔傳輸層效勞訪問點〕。連接由S7-300/400建立。在S7-300/400的OB1中調用功能塊GET/PUT來讀寫S7-200SMART的數據區。2．S7-1200作客戶機的S7通信S7-1200有集成的以太網端口，在博途中設置S7-1200的IP地址和子網掩碼，生成以太網，添加一個S7連接。連接伙伴為“未指定”，由S7-1200建立連接。在該連接的屬性視圖的“屬性”選項卡中，設置S7-200SMART的以太網端口的IP地址和通信雙方的TSAP。在OB1中調用GET和PUT功能塊來讀寫S7-200SMART的數據區。3．S7-1200作效勞器的S7通信S7-200SMART作客戶機的程序見例程“以太網客戶機”。在S7-1200的工程中，只需要設置S7-1200的IP地址和子網掩碼，不用編寫通信程序。6.4PPI網絡1．S7-200SMART的串行通信端口S7-200SMARTCPU有一個集成的RS-485端口〔端口0〕，還可以選配一塊RS232/RS485CM01信號板〔端口1〕，它們分別可以與變頻器、人機界面〔HMI〕等設備通信，每個端口支持4個HMI設備。RS-485每個網絡最多可以有126個節點。中繼器用來將網絡分段，每個網段最多32個設備，網絡中各設備的地址不能重疊。12Mbit/s時最大傳輸距離為100m，187.5kbit/s時為1000m。4．網絡連接器終端電阻可吸收網絡上的反射波，有效地增強信號強度。網絡終端的連接器上的開關應放在On位置〔接入終端電阻〕，網絡中間的連接器上的開關應放在Off位置。5．網絡中繼器中繼器用來將網絡分段，每個網段最多32個設備，中繼器可擴展網絡長度。6．PPI協議PPI是一種主站-從站協議，HMI是通信主站，S7-200SMART在通信網絡中作為從站。6.5自由端口模式通信6.5.1通信指令1．自由端口模式自由端口模式由用戶自定義與其他設備通信的協議。ModbusRTU通信協議和USS協議就是自由端口模式的通信協議。RS-232/PPI多主站電纜和將USB映射為COM口的國產USB/PPI電纜支持自由端口通信。2．自由端口模式的參數設置CPU處于STOP模式時，自由端口模式被禁止，CPU通過PPI協議與編程設備通信。只有當CPU處于RUN模式時，才能使用自由端口模式。自由端口模式用控制字節SMB30/130設置端口的波特率和奇偶校驗等參數〔見表6-6〕。3．發送指令XMT發送指令可發送1~255字節的數據。發送緩沖區的第一個字節是要發送的字節數，它本身并不發送出去。4．接收指令RCV接收指令RCV用于起動或終止接收消息的效勞。接收結束后產生中斷。消息接收的狀態字節見表6-7。5．接收指令開始接收數據的條件見表6-8。6．接收指令終止接收的方式見表6-8。6.5.2自由端口模式的串行通信程序設計1．接收消息的過程采用主從方式和異或校驗，計算機為主站，PLC為從站。1〕在邏輯條件滿足時，啟動RCV指令，進入接收等待狀態。2〕在設置的消息起始條件滿足時，進入消息接收狀態。3〕如果滿足了設置的消息結束條件，CPU結束消息的接收，退出接收狀態?！纠?-1】用RCV指令和接收完成中斷接收數據。用空閑線條件和初始字符作為消息開始的條件。用消息定時器來結束消息接收，最大字符數為20。消息定時器的定時時間為實際的傳輸時間的1.5倍。采用異或校驗保證通信的可靠性。RCV指令的數據緩沖區的第一個字節VB100用來累計接收到的字節數，它本身不是接收到的。6.5.3串口通信調試軟件與串口通信實驗1．USB/PPI適配器USB/PPI適配器用于連接計算機的USB端口和S7-200SMART的串行端口。某些國產的USB電纜實際上是USB/RS-232C轉換器和PC/PPI適配器的組合，它將USB端口映射為一個RS-232C端口〔俗稱為COM口〕。2．計算機與PLC串口通信的組態安裝好USB電纜的驅動程序后，USB端口被映射為RS-232C端口〔例如COM3〕。在控制面板中翻開“設置PG/PC接口”對話框。選中通信接口列表中的“PC/PPICable〔PPI〕”，單擊“屬性”按鈕，設置傳輸速率和計算機與PLC通信使用的映射的COM端口。3．串口通信調試軟件簡介可以選擇字符串、十進制或十六進制這3種數據格式，可計算常用的校驗碼，生成常用的多種協議格式的幀。6．串口通信調試軟件應用實例將例程“接收完成中斷Port0通信”下載到CPU，將CPU切換到RUN模式。關閉編程軟件，翻開串口通信調試軟件，設置端口的參數。將要發送的十六進制數輸入“發送幀”文本框。單擊“計算校驗碼”按鈕，再單擊“異或”按鈕，將生成的校驗碼附在“發送幀”文本框中數據字節之后。添加起始字符16#FF。單擊“發送”按鈕，應能接收到PLC返回的內容相同的消息。關閉串口通信調試軟件，將CPU切換到STOP模式。翻開編程軟件，用狀態圖表觀察從VB100開始的接收緩沖區中的數據。發送一個錯誤的校驗碼，顯示接收超時，校驗錯誤指示位Q1.0被置為ON。6.6Modbus協議在通信中的應用6.6.1Modbus通信協議Modbus串行鏈路協議是主-從協議，有一個主站，1～247個子站。RTU模式用循環冗余校驗〔CRC〕進行錯誤檢查，消息最多256B。通信端口被Modbus通信占用時，不能用于其他用途。6.6.2ModbusRTU從站協議通信的編程用S7-200SMART作Modbus從站，其程序見圖6-29。其V存儲區〔保持存放器〕的起始地址HoldStart為VB200，庫存儲區的起始地址為VB2200。3個Max參數是主站可訪問的I、Q和保持存放器的最大個數。1．MBUS_INIT指令首次掃描時執行一次MBUS_INIT指令，初始化Modbus從站協議。設置從站地址為1，端口0的波特率為19200bit/s，無奇偶校驗，延遲時間為0，允許訪問所有的I、Q、AI和從VB200開始的1000個保持存放器字。2．MBUS_SLAVE指令用于處理來自Modbus主站的請求效勞。3．分配庫存儲器4．ModbusRTU通信幀的結構與Modbus從站協議功能本節的內容主要供上位計算機軟件的編程人員編寫Modbus主站通信程序時使用。《PLC編程及應用》第4版給出了各Modbus功能的請求幀和響應幀的結構，以及計算機作主站、PLC作從站的通信實例。實際中使用得最多的是PLC作ModbusRTU主站，變頻器等其他設備作從站。6.6.3基于ModbusRTU主站協議的通信1．MBUS_CTRL指令MBUS_CTRL指令用于初始化、監視或禁用Modbus通信。圖6-31中該指令設置端口0的模式為1，啟用Modbus協議。波特率為19200bit/s，無奇偶校驗，等待從站作出響應的時間Timeout為1000ms。指令如果被成功執行，輸出位Done為ON。Error包含指令執行后的錯誤代碼。2．MBUS_MSG指令MBUS_MSG指令用于向Modbus從站發送請求消息，以及處理從站返回的響應消息。EN輸入和輸入參數First同時接通時，MBUS_MSG指令向Modbus從站發送主站請求。Slave是Modbus從站的地址〔1～247〕。參數RW〔讀寫〕為0時為讀取，為1時為寫入。參數Addr〔地址〕是要讀寫的Modbus起始地址。參數Count用于設置要讀寫的位數據的位數或字數據的字數。最多120個字或1920個位。參數DataPtr是間接尋址的地址指針，指向主站CPU中保存與讀/寫請求有關的數據的V存儲區。Modbus地址表中的保持存放器對應于S7-200的V存儲器字。CPU在發送請求和接收響應時，Done〔完成〕輸出為OFF。響應完成或MBUS_MSG指令因為錯誤中止時，Done〔完成〕輸出為ON。某一時刻只能有一條MBUS_MSG指令處于激活狀態。4．從站的程序從站程序見圖6-29。圖6-31中MBUS_MSG指令的Modbus地址40001對應于從站的VB200；40005對應于VB208。5．程序的執行過程1〕首次掃描時，用FILL_N指令將保存讀取的數據的地址區VW108～VW114清零，復位MBUS_MSG指令的使能標志M2.0和M2.1。2〕在I0.0的上升沿置位M2.0，執行第一條MBUS_MSG指令，將主站的VW100～VW106的值寫入保持存放器40001～40004，即從站的VW200～VW206。3〕第一條MBUS_MSG指令執行完時，Done〔M0.1〕變為ON，M2.0被復位，停止執行第一條MBUS_MSG指令。M2.1被置位，開始執行第二條MBUS_MSG指令，讀取保持存放器40005～40008〔從站VW208開始的4個字〕，保存到主站從VW108開始的4個字。指令執行出錯那么置位Q0.1。4〕第二條MBUS_MSG指令執行完時，Done〔M0.2〕變為ON，M2.1被復位，停止執行第二條MBUS_MSG指令。指令執行出錯那么置位Q0.2。6.7S7-200SMART與變頻器的USS協議通信6.7.1硬件接線與變頻器參數設置1．連接宏

連接宏類似于配方，V20變頻器的手冊提供了每種連接宏的外部接線圖，選中某種連接宏后，有關的參數被自動設置為該連接宏的默認值，用戶只需按自己的要求修改少量的參數值。應用宏針對某種特定的應用提供一組相應的參數設置。有水泵、風機、壓縮機和傳送帶4個應用宏。2．硬件接線見圖6-36，兩側的0V端子不能通過保護接地網絡相連。4．設置連接宏、應用宏和其他參數用V20內置的根本操作面板設置變頻器的額定參數，選中USS連接宏Cn010，通信參數見表6-12。6.7.2USS通信的組態與編程2．USS指令在USS通信中，PLC作主站，變頻器作從站。3．調用USS_INIT指令USS_INIT指令用于啟用、初始化或禁用與西門子變頻器的通信。一般在首次掃描時執行一次USS_INIT指令。圖6-38的參數Mode為1時啟用USS協議，波特率為19200bit/s。如果要激活的變頻器的地址為N〔N=0～31〕，令