PLC通信基础：从入门到精通

1.通信系统

一个通信系统由硬件（发送设备、接收设备、控制设备和通信介质等）及软件（通信协议和通信软件）组成。通信系统的组成示意图如图7-1所示。

图7-1 通信系统的组成示意图

发送设备在发送数据的同时也可接收来自其他设备的信息。同样地，接收设备在接收数据的同时，也可发送反馈信息。

控制设备按照通信协议和通信软件的要求，对发送和接收之间进行同步的协调，确保信息发送和接收的正确性和一致性。

通信介质是数据传输的信道。通信协议的作用主要是规定各种数据的传输规则，更有效率地利用通信资源，保持通信的顺畅。收发双方都必须严格遵守通信协议的各项规定。

通信软件则是人与通信系统之间的一个接口，使用者可以通过通信软件了解整个通信系统的运作情况，进而对通信系统进行各种控制和管理。本章主要介绍有关PLC的通信与工厂自动化通信网络方面的初步知识。

2.通信方式

（1）并行通信与串行通信

数据通信主要有并行通信和串行通信两种方式。

1）并行通信特点：将多个数据位同时进行传输，传输的数据有多少位，就相应地有多少根传输线。并行通信传输示意图如图7-2所示。

图7-28 位数据并行通信传输示意图

并行通信是以字节或字为单位的数据传输方式，除了8根或16根数据线、1根公共线外，还需要数据通信联络用的控制线。并行通信的传送速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的数据传送。并行通信一般用于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。

2）串行通信特点：多位数据在一根数据线上顺序进行传送，其速度比并行通信要慢。电路简单，适合多数位、长距离通信。串行通信传输示意图如图7-3所示。

串行通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式，每次只传送一位，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，数据和联络信号在这根线上按位进行传送。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。计算机和PLC都备有通用的串行通信接口，工业控制中一般使用串行通信。串行通信多用于PLC与计算机之间、多台PLC之间的数据通信。

在串行通信中，传输速率常用比特率（每秒传送的二进制位数）来表示，其单位是比特／秒（bit／s）或bps。传输速率是评价通信速度的重要指标。常用的标准传输速率有300bit／s、600bit／s、1200bit／s、2400bit／s、4800bit／s、9600bit／s和19200bit／s等。不同的串行通信的传输速率差别极大，有的只有数百bit／s，有的可达100Mbit／s。

图7-38 位数据串行通信传输示意图

（2）单工通信与双工通信

串行通信按传输方向，可分为单工、半双工和全双工三种，如图7-4所示。

图7-4 串行传输示意图

a）单工 b）半双工 c）全双工

单工通信方式只能沿单一方向发送或接收数据。双工通信方式的信息可沿两个方向传送，一个站既发送数据，也接收数据。

双工方式又分为全双工和半双工两种方式。数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传送，通信的双方都能在同一时刻接收和发送信息，这种传送方式称为全双工方式；用同一根线或同一组线接收和发送数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，这种传送方式称为半双工方式。在PLC通信中常采用半双工和全双工通信。

（3）异步通信与同步通信

串行通信中发送设备与接收设备间要同步，否则会导致通信失败。它可分为同步和异步两种。

在串行通信中，通信的速率与时钟脉冲有关，接收方和发送方的传送速率应相同，但是实际的发送速率与接收速率之间总是有一些微小的差别，如果不采取一定的措施，在连续传送大量的信息时，将会因积累误差造成错位，使接收方收到错误的信息。为了解决这一问题，需要使发送和接收同步。按同步方式的不同，可将串行通信分为异步通信和同步通信。

异步通信的信息格式如图7-5所示，发送的数据字符由一个起始位、7～8个数据位、1个奇偶校验位（可以没有）和停止位（1位、1.5位或2位）组成。通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率做相同的约定。接收方检测到停止位和起始位之间的下降沿后，将它作为接收的起始点，在每一位的中点接收信息。由于一个字符中包含的位数不多，即使发送方和接收方的收发频率略有不同，也不会因两台机器之间的时钟周期的误差积累而导致错位。异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，一般用于低速通信，PLC一般使用异步通信。

图7-5 异步通信的信息格式

同步通信以字节为单位（一个字节由8位二进制数组成），每次传送一两个同步字符、若干个数据字节和校验字符。同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。在同步通信中，发送方和接收方要保持完全的同步，这意味着发送方和接收方应使用同一时钟脉冲。在近距离通信时，可以在传输线中设置一根时钟信号线。在远距离通信时，可以在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方完全相同的接收时钟信号。由于同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、停止位和奇偶校验位，只需要在数据块（往往很长）之前加一两个同步字符，所以传输效率高，但是对硬件的要求较高，一般用于高速通信。

（4）基带传输与频带传输

基带传输是按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。基带传输不需要调制解调，设备花费少，适用于较小范围的数据传输。基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，常用数据编码方法有非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码等。后两种编码因具有不含直流分量、包含时钟脉冲、便于双方自同步的特点，所以应用广泛。

频带传输是一种采用调制解调技术的传输形式。发送端通过调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制1和0变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为1或0。常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即Modem。频带传输较复杂，传送距离较远，若通过市话系统配备Modem，则传送距离可不受限制。

PLC通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。

3.通信介质

通信介质就是在通信系统中位于发送端与接收端之间的物理通路。通信介质一般可分为导向性和非导向性介质两种。导向性介质有双绞线、同轴电缆和光纤等，这种介质将引导信号的传播方向；非导向性介质一般通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向，如短波、微波和红外线通信等。

以下仅简单介绍几种常用的导向性通信介质。

（1）双绞线

双绞线是一种廉价而又广为使用的通信介质，它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的，如图7-6所示。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双绞线仍有其一定的局限性。

图7-6 双绞线示意图

双绞线常用于建筑物内局域网数字信号传输。这种局域网所能实现的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。只要选择、安装得当，在有限距离内数据传输率达到10Mbit／s。当距离很短且采用特殊的电子传输技术时，传输率可达100Mbit／s。

在实际应用中，通常将许多对双绞线捆扎在一起，用起保护作用的塑料外皮将其包裹起来制成电缆。采用上述方法制成的电缆就是非屏蔽双绞线电缆，如图7-7所示。为了便于识别导线和导线间的配对关系，双绞线电缆中每根导线使用不同颜色的绝缘层。为了减少双绞线间的相互串扰，电缆中相邻双绞线一般采用不同的绞合长度。非屏蔽双绞线电缆价格便宜、直径小节省空间、使用方便灵活、易于安装，是目前最常用的通信介质。

美国电器工业协会（EIA）规定了六种质量级别的双绞线电缆，其中1类线档次最低，只适于传输语音；6类线档次最高，传输频率可达到250MHz。网络综合布线一般使用3、4、5类线。3类线传输频率为16MHz，数据传输率可达10Mbit／s；4类线传输频率为20MHz，数据传输率可达16Mbit／s；5类线传输频率为100MHz，数据传输率可达100Mbit／s。

非屏蔽双绞线易受干扰，缺乏安全性。因此，往往采用金属包皮或金属网包裹以进行屏蔽，这种双绞线就是屏蔽双绞线。屏蔽双绞线抗干扰能力强，有较高的传输速率，100m内可达到155Mbit／s。但其价格相对较高，需要配置相应的连接器，使用时不是很方便。

图7-7 非屏蔽双绞线电缆

图7-8 同轴电缆

（2）同轴电缆

同轴电缆由内层导体、绝缘层、外屏蔽层导体及外部保护层组成，如图7-8所示。内层导体是一层绝缘体包裹的单股实心线或绞合线（通常是铜制的），位于外层导体的中轴上；外屏蔽层导体是由绝缘层包裹的金属包皮或金属网。同轴电缆的最外层是能够起保护作用的塑料外皮。同轴电缆的外屏蔽层导体不仅能够充当导体的一部分，而且还起到屏蔽作用。这种屏蔽一方面能防止外部环境造成的干扰，另一方面能阻止内层导体的辐射能量干扰其他导线。

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。

目前得到广泛应用的同轴电缆主要有50Ω电缆和75Ω电缆这两类。50Ω电缆用于基带数字信号传输，又称基带同轴电缆。电缆中只有一个信道，数据信号采用曼彻斯特编码方式，数据传输速率可达10Mbit／s，这种电缆主要用于局域以太网。75Ω电缆是CATV系统使用的标准，它既可用于传输宽带模拟信号，也可用于传输数字信号。对于模拟信号而言，其工作频率可达400MHz。若在这种电缆上使用频分复用技术，则可以使其同时具有大量的信道，每个信道都能传输模拟信号。

（3）光纤

光纤是一种传输光信号的传输媒介。光纤的结构如图7-9所示，处于光纤最内层的纤芯是一种横截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造这种纤维的材料可以是玻璃也可以是塑料。纤芯的外层裹有一个包层，它由折射率比纤芯小的材料制成。正是由于在纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号才得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。在光纤的最外层则是起保护作用的保护层。通常都是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。

图7-9 光纤的结构

从不同的角度考虑，光纤有多种分类方式。根据制作材料的不同，光纤可分为石英光纤、塑料光纤、玻璃光纤等；根据传输模式不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤；根据纤芯折射率的分布不同，光纤可以分为突变型光纤和渐变型光纤；根据工作波长的不同，光纤可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。

单模光纤的带宽最宽，多模渐变光纤的次之，多模突变光纤的带宽最窄；单模光纤适于大容量远距离通信，多模渐变光纤适于中等容量中等距离的通信，而多模突变光纤只适于小容量的短距离通信。(www.xing528.com)

在实际光纤传输系统中，还应配置与光纤配套的光源发生器件和光检测器件。目前最常见的光源发生器件是发光二极管（LED）和注入激光二极管（ILD）。光检测器件是在接收端将光信号转化成电信号的器件，目前使用的光检测器件有PIN光敏二极管和APD光敏二极管，光敏二极管的价格较便宜，APD光敏二极管具有较高的灵敏度。

与一般的导向性通信介质相比，光纤具有很多优点：

1）光纤支持很宽的带宽，其范围大约在10¹⁴～10¹⁵ Hz之间，这个范围覆盖了红外线和可见光的频谱。

2）具有很快的传输速率，当前限制其所能实现的传输速率的因素来自信号生成技术。

3）光纤抗电磁干扰能力强。由于光纤中传输的是不受外界电磁干扰的光束，而光束本身又不向外辐射，因此它适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合。

4）光纤衰减较小，中继器的间距较大。采用光纤传输信号时，在较长距离内可以不设置信号放大设备，从而减少了整个系统中继器的数目。

当然，光纤也存在一些缺点，如系统成本较高、不易安装与维护、质地脆易断裂等。

4.PLC常用通信接口

PLC通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信接口标准有RS－232C、RS－422A和RS－485等。PLC主要是通过RS－232、RS－422和RS－485等通用通信接口进行联网通信的。若两台设备的通信接口不同，则要采用硬件设备进行接口类型的转换。

（1）RS－232通信接口

RS－232是数据终端设备与数据通信设备进行数据交换的接口。RS－232C为C版本的RS－232。

RS－232接口物理连接器（插头）规定为25芯插头，通常插头在数据终端设备（DTE）端，插座在数据通信设备（DCE）端。RS是英文“推荐标准”的缩写，232是标识号，C表示此标准修改的次数。它既是一种协议标准，又是一种电气标准，规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能，采用串行通信方式传送数据，比特率规定为19200bit／s、9600bit／s、4800bit／s等几种。

RS－232C接口是标准的25针的D型连接器。RS－232C采用负逻辑，具有较高的抗干扰能力，用－5～－15V表示逻辑1，用＋5V～＋15V表示逻辑0。噪声容限为2V，即要求接收器能识别低至＋3V的信号作为逻辑0，高到－3V的信号作为逻辑1。RS－232C只能进行一对一的通信，RS－232C可使用9针或25针的D型连接器。表7-1列出了RS－232C接口各引脚信号的定义以及9针与25针引脚的对应关系。PLC一般使用9针的连接器。

表7-1 RS－232C接口各引脚信号的定义

图7-10a所示为两台计算机都使用RS－232C直接进行连接的典型连接；图7-10b所示为通信距离较近时只需3根连接线。

图7-10 两个RS－232C数据终端设备的连接

图7-11 单端驱动单端接收的电路

图7-11所示RS－232C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，最高传输速率为20kbit／s；

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通信接口

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的电气特性做了改进，RS－422A是RS－499的子集。采用差动发送、差动接收的工作方式，发送器、接收器使用＋5V的电源，因此在通信速率、通信距离、抗干扰能力等方面较RS－232C通信接口有很大的提高，其数据的传送速率可达10Mbit／s，通信距离为12～1200m。

图7-12 平衡驱动差分接收的电路

如图7-12所示，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。平衡驱动器相当于两个单端驱动器，其输入信号相同，两个输出信号互为反相信号，图中的小圆圈表示反相。外部输入的干扰信号是以共模方式出现的，两极传输线上的共模干扰信号相同，因接收器是差分输入，共模信号可以互相抵消。只要接收器有足够的抗共模干扰能力，就能从干扰信号中识别出驱动器输出的有用信号，从而克服外部干扰的影响。

RS－422在最大传输速率10Mbit／s时，允许的最大通信距离为12m，传输速率为100kbit／s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通信接口

采用差分传输方式，抗共模干扰能力增强，输出阻抗低，并且无接地回路，适合于远距离数据传输。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RS－422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，最少只需两根连线。

如图7-13所示，使用RS－485通信接口和双绞线可组成串行通信网络，构成分布式系统，系统最多可连接128个站。

RS－485的逻辑1以两线间的电压差为＋（2～6）V表示，逻辑0以两线间的电压差为－（2～6）V表示。接口信号电平比RS－232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。由于RS－485接口具有良好的抗噪声干扰性、高传输速率（10Mbit／s）、长的传输距离（1200m）和多站能力（最多128站）等优点，所以在工业控制中广泛应用。

RS－422／RS－485接口一般采用使用9针的D形连接器。普通微机一般不配备RS－422和RS－485接口，但工业控制微机基本上都有配置。图7-14所示为RS－232C／RS－422转换器的电路原理图。

图7-13 采用RS－485的网络

图7-14 RS－232C／RS－422转换器的电路原理图

5.计算机通信标准

（1）开放系统互连模型

图7-15所示为开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）参考模型，它是国际标准化组织（ISO）提出的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。

图7-15 开放系统互连（OSI）参考模型

1）物理层（Physical Layer）。物理层是为建立、保持和断开在物理实体之间的物理连接，提供机械的、电气的、功能性的和规程的特性。它是建立在传输介质之上，负责提供传送数据比特位0和1码的物理条件。同时，定义了传输介质与网络接口卡的连接方式以及数据发送和接收方式。常用的串行异步通信接口标准RS－232C、RS－422和RS－485等就属于物理层。

2）数据链路层（Datalink Layer）。数据链路层通过物理层提供的物理连接，实现建立、保持和断开数据链路的逻辑连接，完成数据的无差错传输。为了保证数据的可靠传输，数据链路层的主要控制功能是差错控制和流量控制。在数据链路上，数据以帧格式传输，帧是包含多个数据比特位的逻辑数据单元，通常由控制信息和传输数据两部分组成。常用的数据链路层协议是面向比特的串行同步通信协议——同步数据链路控制协议／高级数据链路控制协议（SDLC／HDLC）。

3）网络层（Network Layer）。网络层完成站点间逻辑连接的建立和维护，负责传输数据的寻址，提供网络各站点间进行数据交换的方法，完成传输数据的路由选择和信息交换的有关操作。网络层的主要功能是报文包的分段、报文包阻塞的处理和通信子网内路径的选择。常用的网络层协议有X.25分组协议和IP协议。

4）传输层（Transport Layer）。传输层是向会话层提供一个可靠的端到端（end－to－end）的数据传送服务。传输层的信号传送单位是报文（Message），它的主要功能是流量控制、差错控制、连接支持。典型的传输层协议是因特网TCP／IP协议中的TCP协议。

5）会话层（Session Layer）。两个表示层用户之间的连接称为会话，对应会话层的任务就是提供一种有效的方法，组织和协调两个层次之间的会话，并管理和控制它们之间的数据交换。网络下载中的断点续传就是会话层的功能。

6）表示层（Presentation Layer）。表示层用于应用层信息内容的形式变换，如数据加密／解密、信息压缩／解压和数据兼容，把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。

7）应用层（Application Layer）。应用层作为参考模型的最高层，为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。七层模型中所有其他层的目的都是支持应用层，它直接面向用户，为用户提供网络服务。常用的应用层服务有电子邮件（E－mail）、文件传输（FTP）和Web服务等。

OSI 7层模型中，除了物理层和物理层之间可直接传送信息外，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。

OSI 7层参考模型只是要求对等层遵守共同的通信协议，并没有给出协议本身。OSI 7层参考模型中，高4层提供用户功能，低3层提供网络通信功能。

（2）IEEE802通信标准

IEEE802通信标准是IEEE（国际电工与电子工程师学会）的802分委员会从1981年至今颁布的一系列计算机局域网分层通信协议标准草案的总称。它把OSI参考模型的底部两层分解为逻辑链路控制子层（LLC）、媒体访问控制子层（MAC）和物理层。前两层对应于OSI模型中的数据链路层，数据链路层是一条链路（Link）两端的两台设备进行通信时所共同遵守的规则和约定。

IEEE802的媒体访问控制子层对应于多种标准，其中最常用的为三种，即带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA／CD）协议、令牌总线（Token Bus）和令牌环（Token Ring）。

1）CSMA／CD协议。CSMA／CD（Carrier－Sense Multiple Access with Collision Detection）通信协议的基础是XEROX公司研制的以太网（Ethernet），各站共享一条广播式的传输总线，每个站都是平等的，采用竞争方式发送信息到传输线上。当某个站识别到报文上的接收站名与本站的站名相同时，便将报文接收下来。由于没有专门的控制站，两个或多个站可能因同时发送信息而发生冲突，造成报文作废，因此必须采取措施来防止冲突。

为了防止冲突，可以采取两种措施：一种是发送报文开始的一段时间，仍然监听总线，采用边发送边接收的办法，把接收到的信息和自己发送的信息相比较，若相同则继续发送，称之为“边听边讲”；若不相同则发生冲突，立即停止发送报文，并发送一段简短的冲突标志。通常把这种“先听后讲”和“边听边讲”相结合的方法称为CSMA／CD，其控制策略是竞争发送、广播式传送、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送；另一种措施是准备发送报文的站先监听一段时间，如果在这段时间内总线一直空闲，则开始做发送准备，准备完毕，真正要将报文发送到总线上之前，再对总线做一次短暂的检测，若仍为空闲，则正式开始发送；若不空闲，则延时一段时间后再重复上述的二次检测过程。

2）令牌总线。令牌总线是IEEE802标准中的工厂媒质访问技术，其编号为802.4。它吸收了GM公司支持的MAP（Manufacturing Automation Protocol，制造自动化协议）系统的内容。

在令牌总线中，媒体访问控制是通过传递一种称为令牌的特殊标志来实现的。按照逻辑顺序，令牌从一个装置传递到另一个装置，传递到最后一个装置后，再传递给第一个装置，如此复始，形成一个逻辑环。令牌有“空”、“忙”两个状态，令牌网开始运行时，由指定站产生一个空令牌沿逻辑环传送。任何一个要发送信息的站都要等到令牌传给自己，判断为“空”令牌时才发送信息。发送站首先把令牌置成“忙”，并写入要传送的信息、发送站名和接收站名，然后将载有信息的令牌送入环网传输。令牌沿环网循环一周后返回发送站时，信息已被接收站复制，发送站将令牌置为“空”，送上环网继续传送，以供其他站使用。如果在传送过程中令牌丢失，由监控站向网中注入一个新的令牌。

令牌传递式总线能在很重的负荷下提供实时同步操作，传送效率高，适于频繁、较短的数据传送，因此它最适合于需要进行实时通信的工业控制网络。

3）令牌环。令牌环媒质访问方案是IBM开发的，它在IEEE802标准中的编号为802.5，它有些类似于令牌总线。在令牌环上，最多只能有一个令牌绕环运动，不允许两个站同时发送数据。令牌环从本质上看是一种集中控制式的环，环上必须有一个中心控制站负责网的工作状态的检测和管理。