第8章 s7-200的通信与网络,本章要点 通信基本概念和术语 S7-200PLC通信部件的介绍 S7-200PLC通信协议与通信 S7-200PLC通信实例,8.1 通信的基本知识,8.1.1 基本概念和术语 1. 并行传输与串行传输 2. 异步传输和同步传输 3. 信号的调制和解调 4. 传输速率 5. 信息交互方式,1. 并行传输与串行传输,并行传输：通信中同时传送构成一个字或字节的多位二进制数据。 串行传输：通信中构成一个字或字节的多位二进制数据是一位一位被传送的。 特点： （1）串行传输的传输速度慢，但传输线的数量少，成本比并行传输低，故常用于远距离传输且速度要求不高的场合，如计算机与可编程控制器间的通信、计算机USB口与外围设备的数据传送。 （2）并行传输的速度快，但传输线的数量多，成本比高，故常用于近距离传输的场合，如计算机内部的数据传输、计算机与打印机的数据传输。,3. 信号的调制和解调,调制：就是发送端将数字信号转换成适合传输线传送的模拟信号，完成此任务的设备叫调制器。 解调：接收端将收到的模拟信号还原为数字信号的过程称为解调，完成此任务的设备叫解调器。 调制解调器：实际上一个设备工作起来既需要调制，又需要解调，将调制、解调功能由一个设备完成，称此设备为调制解调器。 当进行远程数据传输时，可以将可编程控制器的PC/PPI电缆与调制解调器进行连接以增加数据传输的距离。,4. 传输速率,传输速率：是指单位时间内传输的信息量，它是衡量系统传输性能的主要指标，常用波特率(Baud Rate)表示。 波特率是指每秒传输二进制数据的位数，单位是bit/s。常用的波特率有185000 bit/s、19200bit/s、9600bit/s、4800bit/s、2400bit/s、1200bit/s等。 例如，1200bit/s的传输速率，每个字符格式规定包含10个数据位（起始位、停止位、数据位），信号每秒传输的数据为1200/10=120（字符/秒）。,5. 信息交互方式,单工通信是指信息始终保持一个方向传输，而不能进行反向传输。如无线电广播、电视广播等就属于这种类型。 半双工通信是指数据流可以在两个方向上流动，但同一时刻只限于一个方向流动，又称双向交替通信。 全双工通信方式是指通信双方能够同时进行数据的发送和接收。,8.1.2 差错控制,1. 纠错编码 纠错编码的方法是在有效信息的基础上附加一定的冗余信息位，利用二进制位组合来监督数据码的传输情况。 （1）奇偶检验码。奇偶检验码是在信息码组之后加一位监督码，即奇偶检验位。奇偶检验码有奇检验码、偶检验码两种。奇检验码的方法是信息位和检验位中1的个数为奇数。偶检验码的方法是信息位和检验位中1的个数为偶数。例如，一信息码为35H，其中1的个数为偶数，那么如果是奇检验，检验位应为1。如果是偶检验，那么检验位应为0。 （2）循环检验码。循环检验码不象奇偶检验码一个字符校验一次，而是一个数据块校验一次。在同步通信中几乎都使用这种方法。 循环检验码的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要发送二进制码序列，以一定的规则产生一个监督码，附加在信息之后，构成一新的二进制码序列发送出去。在接收端，则根据信息码和监督码之间遵循的规则进行检验，确定传送中是否有错。,2. 纠错控制方法 （1）自动重发请求。自动重发请求中，发送端对发送序列进行纠错编码，可以检测出错误的校验序列。接收端根据校验序列的编码规则判断是否出错，并将结果传给发送端。若有错，接收端拒收，同时通知发送端重发。 （2）向前纠错方式。向前纠错方式就是发送端对发送序列进行纠错编码，接收端收到此码后，进行译码。译码不仅可以检测出是否有错误，而且根据译码自动纠错。 （3）混合纠错方式。混合纠错方式是上两种方法的结合。接收端有一定的判断是否出错和纠错的能力，如果错误超出了接收端的纠错的能力，再命令发送端重发。,8.1.3 传输介质,1. 双绞线 2. 同轴电缆 3. 光纤（又称光导纤维或光缆）,1. 双绞线 一对相互绝缘的线螺旋形式绞合在一起就构成了双绞线，两根线一起作为一条通信电路使用，两根线螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰减小到最小。而通常人们将几对双绞线包装在一层塑料保护套中，如两对或四对双绞线构成产品的称为非屏蔽双绞线，在外塑料层下增加一屏蔽层的称为屏蔽双绞线。 双绞线的螺旋型的绞和仅仅解决了相邻绝缘线对之间的电磁干扰，但对外界的电磁干扰还是比较敏感的，同时信号会向外辐射，有被窃取的可能。,2. 同轴电缆 同轴电缆是从内到外依次由内导体（芯线 ）、绝缘线、屏蔽层铜线网及外保护层的结构制造的。由于从横截面看这四层构成了4个同心圆，故而得名。 同轴电缆外面加了一层屏蔽铜丝网，是为了防止外界的电磁干扰而设计的，因此它比双绞线的抗外界电磁干扰能力要强。,3. 光纤（又称光导纤维或光缆） 光纤常应用在远距离快速地传输大量信息中，它是由石英玻璃经特殊工艺拉成细丝来传输光信号的介质，这种细丝的直径比头发丝还要细，一般直径在89m（单模光纤）及50/62.5m（多模光纤，50m为欧洲标准，62.5m为美国标准），但它能传输的数据量却是巨大的。 光纤是以光脉冲的形式传输信号的，它具有的优点如下： （1）所传输的是数字的光脉冲信号，不会受电磁干扰，不怕雷击，不易被窃听； （2）数据传输安全性好； （3）传输距离长，且带宽宽，传输速度快。 缺点：光纤系统设备价格昂贵，光纤的连接与连接头的制作需要专门工具和专门培训的人员。,8.1.4 串行通信接口标准,1. RS-232C 计算机上配有RS-232C接口，它使用一个25针的连接器。PLC一般使用9脚连接器，距离较近时，3脚也可以完成。如图所示为3针连接器与PLC的连接图。 TD发送数据：串行数据的发送端。 RD接收数据：串行数据的接收端。 GND信号地：它为所有的信号提供一个公共的参考电平，为0V电压。,2. RS-232C的不足 232C既是一种协议标准，又是一种电气标准，它采用单端的、双极性电源电路，可用于最远距离为15m、最高速率达20kbit/s的串行异步通信。232C仍有一些不足之处，主要表现在： （1）传输速率不够快。232C标准规定最高速率为20kbit/s，尽管能满足异步通信要求，但不能适应高速的同步通信。 （2）传输距离不够远。232C标准规定各装置之间电缆长度不超过15m。实际上，RS-232C能够实现30m或60m的传输，但在使用前，一定要先测试信号的质量，以保证数据的正确传输。 （3）RS-232C接口采用不平衡的发送器和接收器，每个信号只有一根导线，两个传输方向仅有一个信号线地线，因而，电气性能不佳，容易在信号间产生干扰。,3. RS-485 RS-485为半双工，不能同时发送和接收信号。 目前，工业环境中广泛应用RS-422、RS-485接口。S7-200系列PLC内部集成的PPI接口的物理特性为RS-485串行接口，可以用双绞线组成串行通信网络，不仅可以与计算机的RS-232C接口互联通信，而且可以构成分布式系统，系统中最多可有32个站，新的接口部件允许连接128个站。,8.2 工业局域网基础,8.2.1 局域网的拓扑结构 网络拓扑结构是指网络中的通信线路和节点间的几何连接结构，表示了网络的整体结构外貌。 网络中通过传输线连接的点称为节点或站点。 拓扑结构反映了各个站点间的结构关系，对整个网络的设计、功能、可靠性和成本都有影响。 常见的有星形网络、环形网络、总线形网络3种拓扑结构形式。,星形网络 环形网络 总线形网络,1. 星形网络 星形拓扑结构是以中央节点为中心与各节点连接组成的，网络中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点转发。 星形网络的特点是：结构简单，便于管理控制，建网容易，网络延迟时间短，误码率较低，便于程序集中开发和资源共享。但系统花费大，网络共享能力差，负责通信协调工作的上位计算机负荷大，通信线路利用率不高，且系统可靠性不高，对上位计算机的依赖性也很强，一旦上位机发生故障，整个网络通信就停止。在小系统、通信不频繁的场合可以应用。 星形网络常用双绞线作为传输介质。 上位计算机（也称主机、监控计算机、中央处理机）通过点到点的方式与各现场处理机（也称从机）进行通信，就是一种星形结构。各现场机之间不能直接通信，若要进行相互间数据传输，就必须通过中央节点的上位计算机协调。,2. 环形网络 环形网中，各个节点通过环路通信接口或适配器，连接在一条首尾相连的闭合环型通信线路上，环路上任何节点均可以请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。 环形网中的数据主要是单向传输，也可以是双向传输。由于环线是公用的，一个节点发出的信息可能穿越环中多个节点，信息才能到达目的地址，如果某个节点出现故障，信息不能继续传向环路的下一个节点，应设置自动旁路。 环形网具有容易挂接或摘除节点，安装费用低，结构简单的优点；由于在环形网络中数据信息在网中是沿固定方向流动的，节点之间仅有一个通路，大大简化了路径选择控制；某个节点发生故障时，可以自动旁路，提高系统的可靠性。所以工业上的信息处理和自动化系统常采用环形网络的拓扑结构。但节点过多时，会影响传输效率，整个网络响应时间变长。,3. 总线形网络 利用总线把所有的节点连接起来，这些节点共享总线，对总线有同等的访问权。 总线形网络由于采用广播方式传输数据，任何一个节点发出的信息经过通信接口（或适配器）后，沿总线向相反的两个方向传输，因此可以使所有节点接收到，各节点将目的地址是本站站号的信息接收下来。 这样就无需进行集中控制和路径选择，在总线形网络中，所有节点共享一条通信传输链路，因此，在同一时刻，网络上只允许一个节点发送信息。 一旦两个或两个以上节点同时发送信息就会发生冲突，应采用网络协议控制冲突。这种网络结构简单灵活，容易挂接或摘除节点，节点间可直接通信，速度快，延时小可靠性高。,8.2.2 网络协议和体系结构,1. 通信协议 在网络系统中，为确保数据通信双方能正确而自动地进行通信，应针对通信过程中的各种问题，制定一整套的约定，这就是网络系统的通信协议，又称网络通信规程。 通信协议就是一组约定的集合，是一套语义和语法规则，用来规定有关功能部件在通信过程中的操作。 通常通信协议必备的两种功能是通信和信息传输，包括了识别和同步、错误检测和修正等。,2. 体系结构 网络的结构通常包括网络体系结构、网络组织结构和网络配置。 比较复杂的PLC控制系统网络的体系结构，常将其分解成一个个相对独立、又有一定的联系层面。这样就可以将网络系统进行分层，各层执行各自承担的任务，层与层可以设有接口。层次的设计结构是目前人们常用的设计方法。 网络组织结构指的是从网络的物理实现方面来描述网络的结构。 网络配置指的是从网络的应用来描述网络的布局、硬件、软件等； 网络体系结构是指从功能上来描述网络的结构，至于体系结构中所确定的功能怎样实现，有待网络生产厂家来解决。,8.2.3 现场总线,现场总线(FieldBus)的产生将分散于现场的各种设备连接了起来，并有效实施了对设备的监控。它是一种可靠、快速、能经受工业现场环境、低廉的通信总线。 按照国际电工委员会IEC61158的定义，现场总线是“安装在过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。” 也就是说基于现场总线的系统是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络的节点，用总线相连，实现信息的相互交换，使得不同网络、不同现场设备之间可以信息共享。现场设备的各种运行参数、状态信息及故障信息等通过总线传输到远离现场的控制中心，而控制中心又可以将各种控制、维护、组态命令又送往相关的设备，从而建立起具有自动控制功能的网络。通常将这种位于网络底层的自动化及信息集成的数字化网络称之为现场总线系统（FieldBus）。 西门子通信网络的中间层为现场总线，用于车间级和现场级的国际标准，传输速率最