1.4 PLC網絡基礎

1.4.1 數據通信

1.通信方式

通信是計算機與PLC、PLC與PLC、PLC與外設之間的信息交換。基本的數據通信方式有兩種：并行通信方式和串行通信方式。在并行通信方式中，并行傳輸數據的每一位同時被傳送；在串行通信方式中，數據一位接一位順序傳送。

并行通信的傳送速度快，但是，并行傳輸的數據有多少位，傳輸線就有多少根，因此，并行通信不適合遠距離傳輸；而串行通信的數據的不同位可以分時使用同一傳輸通道，故能節省傳送線。特別是當傳送數據的位數較多或距離較長時這個優點更為突出，因此在工業測控系統中普遍采用串行數據通信。

2.串行通信的數據傳送方式

串行通信中，數據在兩個站之間是雙向傳送的，其通信示意圖如圖1-65 所示，A站可作為發送端，B站作為接收端；也可以將A站作為接收端，而B站作為發送端。

串行通信分為三種傳送方式：

單工通信：數據只按一個固定的方向傳送。

半雙工通信：每次只能有一個站發送，即只能由A發送到B，或由B發送到A，不能A和B同時發送。

全雙工通信：兩個站同時都能發送數據。

在串行通信中經常采用非同步通信方式，即異步通信方式。所謂異步是指相鄰兩個字符數據之間的停頓時間是長短不一的。在異步串行通信中，收發的每一字符數據是由四個部分按順序組成的，如圖1-66所示。

起始位：標志著一個新字節的開始。當發送設備要發送數據時，首先發送一個低電平信號作為起始位，并通過通信線路傳向接收設備，接收設備檢測到這個邏輯低電平后就開始準備接收數據位信號。

數據位：起始位之后就是5、6、7或8位數據位，PLC中經常采用7位或8位數據傳送。當數據為0時，收發線為低電平，反之為高電平。

奇偶校驗位：用于檢查在傳送過程中是否發生錯誤。若選擇偶校驗，則各位數據位加上校驗位使字符數據為“1”的位為偶數；若選擇奇校驗，其和將是奇數。奇偶校驗位可有可無，可奇可偶。

停止位：停止位是高電平，表示一個字符數據傳送的結束。停止位可以是1 位、1 位半或2位。

在異步數據傳送中，計算機與外設之間必須有兩項規定：

字符數據格式：即前述的字符信息編碼形式。例如：起始位占用1 位，數據位為7 位，1個奇偶校驗位，加上停止位，于是1 個字符數據就由10 個數據位構成；也可以采用數據位為8位，無奇偶校驗位等格式。

波特率：即在異步數據傳送中單位時間內傳送二進制數的位數。假如數據傳送的格式是7位字符，加上奇偶校驗位，1 個起始位以及1 個停止位，共10 個數據位，而數據傳送的速率是960字符/秒，則傳送的波特率為

10×960=9600位/秒=9600b/s

每一位的傳送時間為波特率的倒數

Td=19600≈0.104ms

所以，要想通信雙方能夠正常收發數據，則必須有一致的數據收發規定。

3.串行通信接口

（1）RS232C通信接口

RS232C是電子工業協會（EIA，Electronics Industries Association）于1962年公布的一種標準化接口。它采用按位串行的方式，傳輸的波特率規定為19200、9600、4800、2400、1200、600、300等。在通信距離較近，波特率要求不高的場合可直接采用，既簡單又方便。

計算機通常配有RS232C接口，PLC與計算機系統的連接器有9 針、25 針等形式，其接口電纜連接如圖1-67所示。

RS232C的電氣接口是單端、雙極性電源供電電路，數據傳輸速率低，最大通信距離為15m，最高傳輸速率為20kb/s，只能進行一對一的通信、抗共模干擾能力差。

（2）RS422/485通信接口

RS422/485通信接口采用差動發送、差動接收的工作方式，其收、發不共地，發送器、接收器僅使用+5V電源，因此在通信速率、抗共模干擾等方面，較RS232C接口有了較大提高。RS422與RS485r的區別是前者為全雙工型，后者為半雙工型。

圖1-68為三種串行通信電路原理圖，其中圖1-68（a）為單端驅動非差分接收電路；圖1-68（b）為單端驅動差分接收電路；圖1-68（c）為平衡差分接收電路。

由圖1-68 可見，由于RS232C采用單端驅動非差分接收電路，在收、發端必須有公共地線。這樣當地線上有干擾信號時，則會當作有用信號接收起來，故不適于在長距離、強干擾的條件下使用。而RS422/485 則采用圖1-68（c）所示的接收電路，其驅動電路相當于兩個單端驅動器，當輸入同一信號時其輸出是反相的，如有共模信號干擾，接收器只接收差分輸入電壓，從而大大提高抗共模干擾能力，所以可以進行長距離傳輸。RS422A在最大傳輸速率（10Mb/s）時，允許的最大通信距離為12m；傳輸速率為100kb/s時，最大通信距離為1200m；1 臺驅動器可以連接10 臺接收器。

1.4.2 局部網絡

互連和通信是網絡的核心，而網絡拓撲、傳輸控制、通道利用方式和傳輸介質是局部網絡的四大要素。

（1）網絡拓撲

如何從物理結構上把各個站點連接起來形成網絡，就是網絡的拓撲。基本的網絡拓撲結構有以下三種形式。

① 星形結構。這種結構有中心站點，網絡上各站點都分別與中心站點連接。通信由中心站點管理，并都通過中心站點，其結構如圖1-69（a）所示。其缺點是當中央控制站點有故障時，整個系統就會癱瘓。

② 總線結構。這種結構靠公共傳送介質（總線）實現各站點的連接，其結構如圖1-69（b）所示。所有站點通過硬件接口與總線相連。任何站點都可在總線上發送數據，并可隨時在總線上接收數據。其缺點是有時會出現因爭用總線控制權而降低傳輸速率的問題。

③ 環形結構。這種結構網絡上的所有站點都通過點對點連接起來的，并構成封閉環，其結構如圖1-69（c）所示。線路上的信息是按點至點的方式傳送的，即一個站只能把信息傳到下一站，下一站如不是信息發送的目的站，則再向下傳送，直到被目的站接收。其缺點是某個站點故障會阻塞信息通路，可靠性差。

（2）介質訪問控制

介質訪問控制是指對網絡通道占有權的管理和控制。介質訪問控制主要有以下兩種方法：

① 令牌法（Token）。它是一種控制權分散的網絡訪問方法。所謂令牌，其實質是一個二進制代碼，它依次在站間傳送。一個站只有擁有令牌，才能控制總線，才有權發送數據，并待發送數據完成后，才把令牌向下傳。若一個站擁有令牌，而又無數據可發送，則直接把令牌向下傳。令牌的傳送是循環的，到了最下游站后，又返回到開始站。

令牌傳送方式，不存在控制站，不存在主從關系，結構簡單，重載時效率較高，可在任何一種拓撲結構上實現。

② 爭用法（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）。它是爭搶使用總線的協議。當一個站點要發送數據前，先監測總線是否空（沒有別的站在發送數據）。若總線空，則發送數據，并在此過程中繼續監測是否有沖突。若有沖突，則停止發送，且已發送的數據全部作廢。爭用方式輕載時優點較突出，控制分散、效率高。

（3）通道利用方式

常用的方式有兩種：基帶和寬帶。基帶方式利用傳輸介質的整個帶寬進行信號傳送；寬帶方式把通信通道以不同的載頻劃分成若干通道，在同一傳輸介質上同時傳送多路信號。前者優點是價格低、設備簡單、可靠性高；缺點是通道利用率低，長距離衰減大。后者優點是通道利用率高；缺點是須加調制解調器，其成本較高。

（4）傳輸介質

局部網絡的傳輸介質要求鋪設安全簡便、容易維護、強度好。目前普遍使用的有同軸電纜、雙絞線和光纜。雙絞線成本低、安裝簡單，但抗干擾能力相對差些。光纜的抗干擾能力極強，但成本高、維修復雜。因此應根據實際情況合理選用。

1.4.3 網絡協議

為了保證通信的正常進行，除需具備良好、可靠的通信通道外，還需要通信各方遵守共同的協議，才能保證高效、可靠的通信。通信協議一般采用分層設計的方法。各層相互獨立，通過接口發生聯系。對某層協議的修改不會影響其他層。

1979年國際標準化組織（ISO）提出了開放系統互連參考模型（OSI，Open System Interconnection/Reference Model）。該模型規定了七個功能層，每層都使用自己的協議，其結構1-70所示。

（1）物理層（Physical）

物理層是網絡的最低層。規定了使用各種互連電路、電路功能、電氣特性及連接器的配置等。EIA的RS232C、RS422/485口均屬于物理層協議。

（2）數據鏈路層（Data Link）

數據鏈路層的任務是將可能有差錯的物理鏈路，改造成對于網絡層來說無差錯的傳輸線路。它把輸入的數據組成數據幀，并在接收端檢驗傳輸的正確性。若正確，則發送確認信息；若不正確，則拋棄該幀，等待發送超時重發。

（3）網絡層（Network）

網絡層也稱分組層，它的任務是在網絡中傳輸分組。它規定了在網絡中如何傳輸分組。網絡層控制網絡上信息的切換和路徑的選擇，因此本層要為數據從源點到終點建立物理和邏輯的連接。

（4）傳輸層（Transport）

傳輸層的基本功能是從會話層接收數據，把它們傳到網絡層，并保證這些數據正確地到達目的地。該層控制端到端數據的完整性，確保高質量的網絡服務，為網絡層和會話層之間的接口。

（5）會話層（Session）

會話層控制一個通信會話進程的建立或結束。該層檢查并確定一個正常的通信是否正在發生。如果沒有發生，該層必須在不丟失數據的情況下，恢復會話，或根據規定，在會話不能正常發生的情況下終止會話。

用戶之間的連接稱為會話。為了建立會話，用戶必須提供其希望連接的遠程地址（會話地址）。會話雙方須彼此確認，然后雙方按照共同約定的方式（如半雙工或全雙工）開始數據傳輸。

（6）表示層（Presentation）

表示層實現不同信息格式和編碼之間的轉換。常用的轉換方式有：正文壓縮，如將常用的詞用縮寫字母或特殊數字編碼，消去重復的字符和空白等；提供加密、解密；不同計算機之間文件格式的轉換；不相容終端輸入、輸出格式的轉換等。

（7）應用層（Application）

應用層的內容，要根據對系統的不同要求而定。它規定了在不同應用情況下，所允許的報文集合和對每個報文所應采取的動作。這一層負責與其他高級功能的通信，如分布數據庫和文件傳輸。

習題

1-1 什么是電器？什么是控制電器？控制電器是如何分類的？

1-2 交流和直流的高低壓如何定義？

1-3 電磁式控制電器的結構？由哪幾部分組成？

1-4 畫出并說明繼電器特性曲線。

1-5 接觸器和繼電器的主要區別有哪些？

1-6 接觸器如何分類？

1-7 按鈕和開關有何區別？

1-8 如何選擇一個接觸器？

1-9 試設計可以從兩地控制一臺電動機，能實現點動工作和連續運轉工作的控制線路。

1-10 試設計一控制線路，要求：按下按鈕后，KM1通電，經10s后，KM2通電，經5s后，KM2釋放，同時KM3通電，再經15s，KM1、KM3同時釋放，在任何時刻，按停止按鈕線路停止工作。

1-11 試設計一小車運行的控制線路，小車由異步電動機拖動，其動作過程如下：

（1）小車由原位開始前進，到終點自動停止。

（2）小車在終點停留2min后自動返回原位停止。

（3）要求能在前進或后退途中任意位置啟動和停止。

1-12 設計預警啟動線路，要求：按下啟動按鈕后，電鈴響，10s后KM啟動，再過10s后電鈴停。

1-13 什么是可編程序控制器？它的特點是什么？

1-14 PLC控制與繼電器控制相比有什么優點？

1-15 PLC的基本結構有哪幾部分？各部分的功能是什么？

1-16 PLC常用的CPU有哪幾種？各有何特點？

1-17 PLC的開關量輸入/輸出模塊各有哪幾種類型？分別適用于什么類型負載？

1-18 模擬量I/O模塊的主要功能是什么？

1-19 溫度模塊在與溫度傳感器連接時應注意什么問題？

1-20 簡述光電編碼器的的工作原理。

1-21 高速計數模塊的工作模式有哪幾種？

1-22 數據通信主要采用哪兩種方式？從通信雙方信息的交換方式上分為哪幾種？

1-23 數據通信的主要技術指標有哪些？