1.4 PLC网络基础
1.4.1 数据通信
1.通信方式
通信是计算机与PLC、PLC与PLC、PLC与外设之间的信息交换。基本的数据通信方式有两种：并行通信方式和串行通信方式。在并行通信方式中，并行传输数据的每一位同时被传送；在串行通信方式中，数据一位接一位顺序传送。
并行通信的传送速度快，但是，并行传输的数据有多少位，传输线就有多少根，因此，并行通信不适合远距离传输；而串行通信的数据的不同位可以分时使用同一传输通道，故能节省传送线。特别是当传送数据的位数较多或距离较长时这个优点更为突出，因此在工业测控系统中普遍采用串行数据通信。
2.串行通信的数据传送方式
串行通信中，数据在两个站之间是双向传送的，其通信示意图如图1-65 所示，A站可作为发送端，B站作为接收端；也可以将A站作为接收端，而B站作为发送端。
图1-65 串行通信示意图
串行通信分为三种传送方式：
单工通信：数据只按一个固定的方向传送。
半双工通信：每次只能有一个站发送，即只能由A发送到B，或由B发送到A，不能A和B同时发送。
全双工通信：两个站同时都能发送数据。
在串行通信中经常采用非同步通信方式，即异步通信方式。所谓异步是指相邻两个字符数据之间的停顿时间是长短不一的。在异步串行通信中，收发的每一字符数据是由四个部分按顺序组成的，如图1-66所示。
图1-66 异步串行通信方式的信息格式
起始位：标志着一个新字节的开始。当发送设备要发送数据时，首先发送一个低电平信号作为起始位，并通过通信线路传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后就开始准备接收数据位信号。
数据位：起始位之后就是5、6、7或8位数据位，PLC中经常采用7位或8位数据传送。当数据为0时，收发线为低电平，反之为高电平。
奇偶校验位：用于检查在传送过程中是否发生错误。若选择偶校验，则各位数据位加上校验位使字符数据为“1”的位为偶数；若选择奇校验，其和将是奇数。奇偶校验位可有可无，可奇可偶。
停止位：停止位是高电平，表示一个字符数据传送的结束。停止位可以是1 位、1 位半或2位。
在异步数据传送中，计算机与外设之间必须有两项规定：
字符数据格式：即前述的字符信息编码形式。例如：起始位占用1 位，数据位为7 位，1个奇偶校验位，加上停止位，于是1 个字符数据就由10 个数据位构成；也可以采用数据位为8位，无奇偶校验位等格式。
波特率：即在异步数据传送中单位时间内传送二进制数的位数。假如数据传送的格式是7位字符，加上奇偶校验位，1 个起始位以及1 个停止位，共10 个数据位，而数据传送的速率是960字符/秒，则传送的波特率为
10×960=9600位/秒=9600b/s
每一位的传送时间为波特率的倒数
Td=19600≈0.104ms
所以，要想通信双方能够正常收发数据，则必须有一致的数据收发规定。
3.串行通信接口
（1）RS232C通信接口
RS232C是电子工业协会（EIA，Electronics Industries Association）于1962年公布的一种标准化接口。它采用按位串行的方式，传输的波特率规定为19200、9600、4800、2400、1200、600、300等。在通信距离较近，波特率要求不高的场合可直接采用，既简单又方便。
计算机通常配有RS232C接口，PLC与计算机系统的连接器有9 针、25 针等形式，其接口电缆连接如图1-67所示。
图1-67 RS232C接口连接
RS232C的电气接口是单端、双极性电源供电电路，数据传输速率低，最大通信距离为15m，最高传输速率为20kb/s，只能进行一对一的通信、抗共模干扰能力差。
（2）RS422/485通信接口
RS422/485通信接口采用差动发送、差动接收的工作方式，其收、发不共地，发送器、接收器仅使用+5V电源，因此在通信速率、抗共模干扰等方面，较RS232C接口有了较大提高。RS422与RS485r的区别是前者为全双工型，后者为半双工型。
图1-68为三种串行通信电路原理图，其中图1-68（a）为单端驱动非差分接收电路；图1-68（b）为单端驱动差分接收电路；图1-68（c）为平衡差分接收电路。
图1-68 串行通信电路原理图
由图1-68 可见，由于RS232C采用单端驱动非差分接收电路，在收、发端必须有公共地线。这样当地线上有干扰信号时，则会当作有用信号接收起来，故不适于在长距离、强干扰的条件下使用。而RS422/485 则采用图1-68（c）所示的接收电路，其驱动电路相当于两个单端驱动器，当输入同一信号时其输出是反相的，如有共模信号干扰，接收器只接收差分输入电压，从而大大提高抗共模干扰能力，所以可以进行长距离传输。RS422A在最大传输速率（10Mb/s）时，允许的最大通信距离为12m；传输速率为100kb/s时，最大通信距离为1200m；1 台驱动器可以连接10 台接收器。
1.4.2 局部网络
互连和通信是网络的核心，而网络拓扑、传输控制、通道利用方式和传输介质是局部网络的四大要素。
（1）网络拓扑
如何从物理结构上把各个站点连接起来形成网络，就是网络的拓扑。基本的网络拓扑结构有以下三种形式。
① 星形结构。这种结构有中心站点，网络上各站点都分别与中心站点连接。通信由中心站点管理，并都通过中心站点，其结构如图1-69（a）所示。其缺点是当中央控制站点有故障时，整个系统就会瘫痪。
② 总线结构。这种结构靠公共传送介质（总线）实现各站点的连接，其结构如图1-69（b）所示。所有站点通过硬件接口与总线相连。任何站点都可在总线上发送数据，并可随时在总线上接收数据。其缺点是有时会出现因争用总线控制权而降低传输速率的问题。
③ 环形结构。这种结构网络上的所有站点都通过点对点连接起来的，并构成封闭环，其结构如图1-69（c）所示。线路上的信息是按点至点的方式传送的，即一个站只能把信息传到下一站，下一站如不是信息发送的目的站，则再向下传送，直到被目的站接收。其缺点是某个站点故障会阻塞信息通路，可靠性差。
图1-69 网络的拓扑结构
（2）介质访问控制
介质访问控制是指对网络通道占有权的管理和控制。介质访问控制主要有以下两种方法：
① 令牌法（Token）。它是一种控制权分散的网络访问方法。所谓令牌，其实质是一个二进制代码，它依次在站间传送。一个站只有拥有令牌，才能控制总线，才有权发送数据，并待发送数据完成后，才把令牌向下传。若一个站拥有令牌，而又无数据可发送，则直接把令牌向下传。令牌的传送是循环的，到了最下游站后，又返回到开始站。
令牌传送方式，不存在控制站，不存在主从关系，结构简单，重载时效率较高，可在任何一种拓扑结构上实现。
② 争用法（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）。它是争抢使用总线的协议。当一个站点要发送数据前，先监测总线是否空（没有别的站在发送数据）。若总线空，则发送数据，并在此过程中继续监测是否有冲突。若有冲突，则停止发送，且已发送的数据全部作废。争用方式轻载时优点较突出，控制分散、效率高。
（3）通道利用方式
常用的方式有两种：基带和宽带。基带方式利用传输介质的整个带宽进行信号传送；宽带方式把通信通道以不同的载频划分成若干通道，在同一传输介质上同时传送多路信号。前者优点是价格低、设备简单、可靠性高；缺点是通道利用率低，长距离衰减大。后者优点是通道利用率高；缺点是须加调制解调器，其成本较高。
（4）传输介质
局部网络的传输介质要求铺设安全简便、容易维护、强度好。目前普遍使用的有同轴电缆、双绞线和光缆。双绞线成本低、安装简单，但抗干扰能力相对差些。光缆的抗干扰能力极强，但成本高、维修复杂。因此应根据实际情况合理选用。
1.4.3 网络协议
为了保证通信的正常进行，除需具备良好、可靠的通信通道外，还需要通信各方遵守共同的协议，才能保证高效、可靠的通信。通信协议一般采用分层设计的方法。各层相互独立，通过接口发生联系。对某层协议的修改不会影响其他层。
1979年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型（OSI，Open System Interconnection/Reference Model）。该模型规定了七个功能层，每层都使用自己的协议，其结构1-70所示。
图1-70 网络协议分层结构
（1）物理层（Physical）
物理层是网络的最低层。规定了使用各种互连电路、电路功能、电气特性及连接器的配置等。EIA的RS232C、RS422/485口均属于物理层协议。
（2）数据链路层（Data Link）
数据链路层的任务是将可能有差错的物理链路，改造成对于网络层来说无差错的传输线路。它把输入的数据组成数据帧，并在接收端检验传输的正确性。若正确，则发送确认信息；若不正确，则抛弃该帧，等待发送超时重发。
（3）网络层（Network）
网络层也称分组层，它的任务是在网络中传输分组。它规定了在网络中如何传输分组。网络层控制网络上信息的切换和路径的选择，因此本层要为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。
（4）传输层（Transport）
传输层的基本功能是从会话层接收数据，把它们传到网络层，并保证这些数据正确地到达目的地。该层控制端到端数据的完整性，确保高质量的网络服务，为网络层和会话层之间的接口。
（5）会话层（Session）
会话层控制一个通信会话进程的建立或结束。该层检查并确定一个正常的通信是否正在发生。如果没有发生，该层必须在不丢失数据的情况下，恢复会话，或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。
用户之间的连接称为会话。为了建立会话，用户必须提供其希望连接的远程地址（会话地址）。会话双方须彼此确认，然后双方按照共同约定的方式（如半双工或全双工）开始数据传输。
（6）表示层（Presentation）
表示层实现不同信息格式和编码之间的转换。常用的转换方式有：正文压缩，如将常用的词用缩写字母或特殊数字编码，消去重复的字符和空白等；提供加密、解密；不同计算机之间文件格式的转换；不相容终端输入、输出格式的转换等。
（7）应用层（Application）
应用层的内容，要根据对系统的不同要求而定。它规定了在不同应用情况下，所允许的报文集合和对每个报文所应采取的动作。这一层负责与其他高级功能的通信，如分布数据库和文件传输。
习题
1-1 什么是电器？什么是控制电器？控制电器是如何分类的？
1-2 交流和直流的高低压如何定义？
1-3 电磁式控制电器的结构？由哪几部分组成？
1-4 画出并说明继电器特性曲线。
1-5 接触器和继电器的主要区别有哪些？
1-6 接触器如何分类？
1-7 按钮和开关有何区别？
1-8 如何选择一个接触器？
1-9 试设计可以从两地控制一台电动机，能实现点动工作和连续运转工作的控制线路。
1-10 试设计一控制线路，要求：按下按钮后，KM1通电，经10s后，KM2通电，经5s后，KM2释放，同时KM3通电，再经15s，KM1、KM3同时释放，在任何时刻，按停止按钮线路停止工作。
1-11 试设计一小车运行的控制线路，小车由异步电动机拖动，其动作过程如下：
（1）小车由原位开始前进，到终点自动停止。
（2）小车在终点停留2min后自动返回原位停止。
（3）要求能在前进或后退途中任意位置启动和停止。
1-12 设计预警启动线路，要求：按下启动按钮后，电铃响，10s后KM启动，再过10s后电铃停。
1-13 什么是可编程序控制器？它的特点是什么？
1-14 PLC控制与继电器控制相比有什么优点？
1-15 PLC的基本结构有哪几部分？各部分的功能是什么？
1-16 PLC常用的CPU有哪几种？各有何特点？
1-17 PLC的开关量输入/输出模块各有哪几种类型？分别适用于什么类型负载？
1-18 模拟量I/O模块的主要功能是什么？
1-19 温度模块在与温度传感器连接时应注意什么问题？
1-20 简述光电编码器的的工作原理。
1-21 高速计数模块的工作模式有哪几种？
1-22 数据通信主要采用哪两种方式？从通信双方信息的交换方式上分为哪几种？
1-23 数据通信的主要技术指标有哪些？