PLC网络系统配置指南：行业标准

PLC网络也都是分层的。但是它的分层多把ISO/RM相邻几层的功能合并。目的是使网络简化，并具有适应性、可扩展性，用户可以根据投资情况及生产的发展，从单台PLC到网络，从底层向高层逐步扩展。

它的对应层也都有相关的协议，而这些协议也多是参考计算机网络的标准制定的。当然，如果不能满足要求，有的可能是全部或部分由自己定义。这个协议要处理的问题主要有：

1）通信环境约定，如电磁环境、通信距离等；

2）站点数量约定，如同一个网段的最多站点数，网络的最多站点数等；

3）网络拓扑约定，是星形、总线形，还是环形等；

4）站点数据交换约定，是点对点，还是点对多点等；

5）传输媒介冲突仲裁方式约定，是CSMA/CD，还是令牌等；

6）传输数据量约定；

7）数据传输速率约定；

8）数据传输实时性约定；

9）CPU处理能力约定。

PLC厂家很多，同一厂家的PLC网络类型很多，协议也很多。网络类型与网络协议之多也是PLC网络的一大特点。网络不同、网络协议不同，如果没有像网桥、网关这样的站点或组件，就不能相互接入。

PLC网络协议是与具体网络联系在一起的。什么样的PLC网络就有什么样的网络协议。反过来说也一样，什么样的网络协议，就有什么样的PLC网络。但是，网络与协议也不是一一对应的。一种网络可能要用到多种协议。反过来，一种协议也可用于多种网络。

以上两节介绍的模型及标准并不等于网络协议，它只是制定网络协议的参考。真正的PLC网络协议的制定及PLC网络的推出要由PLC厂家完成。

要指出的是，PLC网络协议多是专用的。出自商业利益，相当多是不公开的。使用这样的协议，要用到厂家提供的工具软件。因此对这样的协议就不好深究了，着重点放在怎么用好它就够了。

然而随着PLC技术的进步，也出现了国际的PLC行业标准。其中也有关网络通信部分的推荐。只是这些标准多只是用作参考。以下将对其作简要介绍。

1.PLC行业标准

PLC行业标准为IEC61131。其前身为（1998年前）为IEC1131。目前，不仅PLC，而且DCS、HMI以及现场总线等制造商逐步提供基于此标准的产品。

IEC61131标准将信息技术领域的一些先进的思想和技术（如软件工程、结构化编程、模块化编程、面向对象的思想，以及网络通信技术等）引入工业控制领域，弥补或克服了传统的PLC、DCS等控制系统的弱点（如开放性差、兼容性差、应用软件可维护性差以及可再用性差等）。对于符合这一标准的控制器，即使它们由不同制造商生产，其编程语言也是相同的，其使用方法也是类似的，因此工程师们可以做到“一次学习、到处使用”，从而减少了企业在人员培训、技术咨询、系统调试和软件维护等方面的成本。

IEC61131国际标准包括8部分。Part1：综述；Part2：硬件；Part3：可编程语言；Part4：用户导则；Part5：通信；Part6：现场总线通信；Part7：模糊控制编程；Part8：编程语言的实施方针。IEC61131-3是IEC61131中最重要、最具代表性的部分。IEC61131-3国际标准将是下一代PLC的基础。IEC61131-5是IEC61131的通信部分，通过IEC61311-5，可实现可编程序控制器与其他工业控制系统、如机器人、数控系统、现场总线等的通信。

在IEC61131的各个部分陆续公布之后，我国的工业过程测量和控制标准化委员会按与IEC国际标准等效的原则，组织了该标准的翻译出版工作。于1995年12月29日以GB/T 15969.1～4颁布了PLC的国家标准。该标准只涉及IEC61131的第一～四部分，没有纳入1995年以后出版的第五部分通信、第七部分模糊控制编程软件工具、第八部分IEC61131—3语言的实现导则。

进入21世纪，国产PLC，如和利时LK、LM机，其编程语言也采用了IEC61131-3标准。若干新推出的DCS也公开宣称符合或兼容IEC61131-3标准。

2.PLC行业标准中通信部分

IEC61131-5为PLC通信部分标准。描述的是PLC的通信问题，即通过通信网络连接在一起的多台PLC之间如何实现状态及控制信息的交换、如何启动执行命令。执行命令包括重新启动资源和下载配置等。

（1）IEC61131-5的通信服务

包括两个方面：服务器设备和客户设备。

IEC61131-5以国际标准化组织（ISO）的网络的7层协议模型为基础，在第七层应用层之上建立了IEC61131-5的通信模型，所以，从理论上来说，IEC61131-5允许各PLC之间通过任何类型的网络进行通信。定义在IEC61131-5中的通信设备的许多概念来自IEC61131-3，如存取路径和通信功能块等。

图1-43 IEC61131-5通信模型

通信功能块和相关的数据类型是用IEC61131-3中的概念和语言来定义的。IEC61131-5的通信模型如图1-43所示。(www.xing528.com)

一个PLC可以相当于一个服务器，为客户提供信息和对客户的请求做出反应，也可以相当于一台客户，向服务器请求信息和要求服务。其他的设备，诸如监控系统（Supervisory system）和其他非IEC61131-3相容设备也可以作服务器或客户。

通信协议（如以太网）允许非限定数量的PLC服务器和客户共存在同一个网络中。在许多情况下，一台PLC既可以作为一些PLC的服务器，又可以作为其他一些PLC的客户。

IEC61131-5标准仅仅定义了在PLC之内的通信设备，如PLC A和B的通信设备，并没有定义其他外部的客户的通信设备。

（2）IEC61131-5规定支持的应用功能

每一台PLC可提供通信设备，以支持下面的特殊应用功能：设备检验；数据获得；控制程序执行和I/O控制；应用程序传送；用户应用程序的同步；警告报告；连接管理。

（3）IEC61131-5规定的PLC主要子系统。

此子系统见表1-10。

对每一个子系统，其状态信息用一个标准格式的采用IEC61131-3中的数据类型表示的数据结构来描述。各个PLC子系统有相似的状态信息项。每一个子系统有一个称为“health（健康状况）”的初始化项，它有3个状态：GOOD、WARNING、BAD。每一个子系统的状态信息还包括特定的产品状态信息，诸如诊断错误、操作状态等。每一个子系统能够通过预定义的存取路径、直接地址，存取状态信息。IEC61131-5定义了一套复杂的保留直接地址用于存取PLC内的每一个子系统的状态。如%S0是主PLC状态的直接地址，%S3是第三子系统状态的直接地址。（4）IEC61131-5标准允许PLC之间交换信息和控制信号表1-11列出了标准提供的通信设备和通信功能块。

表1-10 PLC主要子系统

表1-11 PLC通信设备和通信功能块

1）连接管理（Connection Management）。通信功能块通过通信通道读写远程PLC。通信通道的建立是通过调用CONNECT功能块实例化，并将远程PLC的完全网络地址提供给CONNECT功能块来实现的。CONNECT功能块返回一个本地通信通道的标识，所以，需要与特定的远程PLC通信的全部通信功能块能够使用该开放的通信通道。

2）设备确认（Device Verification）。STATUS和UNSTATUS功能块读取远程PLC状态的设备。

3）数据获得（Data Acquisition）。数据获得关心的是从远程PLC读取变量值，读取变量值的方法有两种：

①轮询（Polled）：READ功能块能周期性地或在特定触发器条件下读取被选变量的值。

②编程（Programmed）：远程PLC能够决定在何种条件下提供数据消息。远程PLC内的USEND功能块能够传送由URCV功能块接收的未经请求的数据。

4）控制（Control）。有两种方法用于实现本地控制软件和远程控制软件的交互：

①参量法（Parametric）：该种方法允许本地PLC通过写值到关键变量，调整远程PLC的行为。使用WRITE功能块，允许将值写入到远程PLC内的被选的“存取路径（access-path）”变量中。

②互锁法（Interlocked）：该种方法提供了一种控制事务处理的方法，即本地PLC请求远程PLC执行一个操作，接着返回操作完成的信号。这种事务处理是通过使用本地PLC（客户）内的SEND的功能块和远程PLC内的RCV功能块来完成的。

5）报警报告（Alarmreport）。当某一预定的报警条件产生时，PLC能向被选的远程PLC发出信号。远程PLC能够发送一个确认信号，返回给本地PLC，告知报警报告已经收到了。ALARM和NOTIFY功能块能够产生确认和非确认的报警报告。

6）变量范围管理（VariableS cope Management）。变量范围管理标识了各种各样的IEC61131-3语言或其他特定实现的名称范围。

（5）与MMS关系

IEC61131-5考虑到了通信功能块映射到ISO/IEC9605-5的制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）中的给定服务的情况。MMS特定于MAP（Manufacturing Auto-mation Protocol）的应用层。MAP最初是由美国的通用公司在1980年推出的一种工业通信系统，MMS标准定义了一系列服务，这些服务允许工业设备、单元控制器和监控系统通过一个通信网络交换信息。每一个服务特定为一个事务处理。一系列事先定义的数据项被传送给一个远程设备，接着就要求一系列事先定义的响应中的一个作出响应。请求信息和响应信息具有足够的柔性来考虑附加的特定数据的实现。

定义在标准中的MMS映射包含了在表一中全部设备。每一个功能块使用一个已定义的MMS服务的子集。如STATUS功能块将使用MMS的“状态”服务。每一个功能块的实现将调用一系列定义的MMS服务。

这将允许与IEC相容的设备之间能够借助于任一基于MMS的网络进行互操作。采用MMS还能够使得基于MMS网络的不是采用IEC61131-3标准实现的设备与基于IEC61131-3标准的PLC进行通信。如一台在MMS网络上的数控机床（NC）能够对基于IEC61131-3标准的PLC内的STATUS功能块作出响应。

IEC61131-5定义了IEC61131-3与MMS之间的映射以及相应的数据类型。IEC61131-5还定义了数据类型的兼容性规则，还定义了IEC61131-3名称范围到各式各样的MMS域以及MMS事务处理的映射。

IEC61131-5的通信模型的建立及其通信功能块到ISO/IEC9605-5的制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）中的给定服务的映射的建立，不但从理论上实现了各PLC之间通过任何类型的网络进行通信的能力，而且还大大地扩展了PLC系统与其他的自动化控制系统如数控机床（NC）、机器人等进行通信、集成的能力。IEC61131-5标准很好地适应了自动化系统的未来发展对开放性提出的要求，这使得IEC61131可以很好地适应于21世纪。