9.1PLC通信的基本概念9.2S7-200PLC的通信與網絡9.3S7-200PLC通信和網絡功能的實現本章小結

9.1PLC通信的基本概念

9.1.1通信系統的構成

9.1.2通信方式

9.1.3通信介質

9.1.4PLC常用的通信接口

9.1.5通信協議

9.1.6網絡結構概述

9.1.7PLC與計算機通信的基本功能PLC通信：PLC與PLC、PLC與計算機、PLC與現場設備或遠程I/O之間的信息交換。PLC通信的任務：將地理位置不同的PLC、計算機、各種現場設備用通信介質連接起來，按照規定的通信協議，以某種特定的通信方式高效地完成數據的傳送、交換和處理。

9.1.1通信系統的構成

通信系統的組成：一般由傳送設備、傳送控制設備、通信介質、通信協議和通信軟件等部分構成，示意圖如下。通信介質（總線）通信軟件通信協議傳送控制設備傳送設備(接收器)傳送設備(發送器)圖9-1通信系統的基本組成示意圖

傳送設備主要是用以發送或接收信息.對于多臺設備之間的數據傳送，有時還有主、從之分。主設備起控制、發送和處理信息的主導作用，從設備被動地接收、監視和執行主設備的信息。

在PLC通信系統中，傳送設備可以是PLC、計算機或各種外圍設備。

傳送控制設備主要用于控制發送與接收之間的同步協調，以保證信息發送與接收的一致性。

通信介質是信息傳送的基本通道，是發送設備與接收設備之間的橋梁。通信協議是通信過程中必須遵守的各種數據傳送規則，是通信得以進行的法律。

通信軟件用于對通信的軟件、硬件進行統一調度、控制和管理。

9.1.2通信方式1．基本通信方式

并行通信方式是指被傳送數據的所有位同時發送或接收。并行傳送的數據有多少位，傳輸線就需要多少根。8位同時傳送設備A設備B并行通信的特點是傳送速度快，但如果數據位數較多，傳送距離較遠，則會使得線路復雜且成本高。因此，并行通信方式一般只在PLC的內部各元件之間、主機與擴展模塊或近距離智能模塊之間使用。圖9-2并行通信示意圖串行通信方式是指將被傳送的數據逐位逐位地順序傳送。不論被傳送的數據有多少位，只需要1~2根傳輸線分時傳送，數據從低位開始一位接一位按順序傳送。傳送數據：10100011設備A設備B11000101

TTTTTTTT串行通信的特點是傳送速度慢，但傳送線少、成本低，適合長距離通信。串行通信廣泛用于PLC與PLC之間、PLC與計算機之間的數據傳送。圖9-3串行通信示意圖2．串行通信分類串行通信按數據傳送的方向可將其分為單工、半雙工和雙工,其示意圖如下：

(a)單工(b)半雙工

(c)全雙工AAABBB圖9-4單工、半雙工和全雙工通信方式的示意圖在串行通信方式中，發送端與接收端之間的同步問題是數據通信中的一個重要問題，處理不當往往會導致數據傳送的失敗。為此，在串行通信中采用了同步通信與異步通信技術。同步通信：以數據塊為單位，在每個數據塊的開始加入一個同步字符來控制同步，而在數據塊中的每個字節前后不需加開始位、校驗位和停止位標記，因而克服了異步傳送效率低的缺點。同步傳送要求有統一的時鐘信號來實現發送端和接收端之間的嚴格同步，這種傳送方式所需要的軟件和硬件的價格昂貴，所以通常只在數據傳輸速率要求較高的時候才使用。異步通信：將被傳送的數據編碼成一串脈沖，按照約定好的固定格式，發送設備一幀一幀地發送，接收設備一幀一幀地接收。在發送數據的同時發出字符的開始和結束標志，用于控制字符發送的開始與結束。各部件之間進行通信時沒有統一的時間標準，可以有各自的時鐘。示意圖如下：11010000101111空閑位開始位字符編碼奇偶校驗位停止位空閑位圖9-5異步串行通信示意圖異步串行通信中的設備間有兩項規定：(1)傳送字符的數據格式：上圖是一個7位字符數據傳送格式。(2)發送設備與接收設備有一致的數據傳送速率。波特率：單位時間內傳送二進制數的位數。例如，數據的傳送速率為每秒480字符，每個字符為10位，則數據傳送的波特率為：10X480=4800位/秒=4800bps傳送每一位的時間Td=1/波特率=1/4800=0.208ms異步通信方式的硬件結構簡單，但傳送每一個字節都要加開始位、校驗位和停止位，所以傳送效率較低，主要用于中低速數據通信。S7-200PLC采用異步串行通信方式，傳送字符數據格式有10位數據和11位數據兩種。10位字符數據：1個起始位、8個數據位、1個停止位，傳送速率為9600bps。11位字符數據：1個起始位、8個數據位、1個偶校驗位、1個停止位，傳送速率為9600bps或19200bps。PLC通信一般使用半雙工或全雙工異步串行通信方式。9.1.3通信介質

通信介質是信息傳輸的物理通道，是PLC、計算機及外部設備之間相互連接的橋梁。

PLC中常用的通信介質：帶屏蔽的同軸電纜、雙絞線、光纖等。

PLC對通信介質的基本要求：通信介質必須具有傳輸速率高、能量損耗小、抗干擾能力強、性能價格比高等到特性。在各種通信介質中，由于雙絞線和同軸電纜的成本低、安裝簡單，性能價格比比較高，廣泛應用PLC的通信之中。隨著通信技術和計算機技術的發展，PLC的通信介質已有向紅外線、無線電、微波、衛星通信等無線介質的方向發展的趨勢。

圖9-6常用的有線介質外形圖：(a)無屏蔽雙絞線UTP(d)同軸電纜(b)光纖(c)屏蔽雙絞線STP表9-1幾種常用通信介質的性能表性能通信介質雙絞線同軸電纜光纜傳送速率9.6Kbps~2Mbps1~450Mbps10~500Mbps連接方法點對點連接，可多點連接，1.5km內不用中繼站點對點連接，可多點連接，寬帶時10km內不用中繼站，基帶時1~3km內不用中繼站點對點連接，50km內不用中繼站傳送信號數字信號、模擬信號、調制信號調制信號、數字信號、聲音圖像信號調制信號、數字信號、聲音圖像信號支持網絡星型網、環型網、小型交換機總線型網、環型網總線型網、環型網抗干擾能力一般好極好抗惡劣環境能力好好，但必須將電纜與腐蝕物隔開極好，耐高溫和其它惡劣環境9.1.4PLC常用的通信接口

1．RS232C通信接口它規定通信設備之間信息交換的方式與功能。它采用按位串行通信的方式傳送數據，波特率規定為300、600、1200、4800、9600、19200bps等幾種。機械性能上，RS232C接口是標準25針的D型連接器。實際使用時并未將25個引腳全部用完，最簡單的通信只需用3根線，最多用22根。當PLC與計算機通信時，使用的連接器有25針的也有9針的。表9-2PLC與計算機連接時RS232C的引腳使用情況表引腳信號說明2TXD發送數據3RXD接收數據4RTS請求發送5CTS允許發送6DSR數據裝置準備好7信號地信號地8DCD載波檢測20DTR數據終端準備好22振鈴指示響鈴信號

2.S422A通信接口S422A通信速率、通信距離、抗共模干擾等方面較RS232C接口有較大的提高。使用RS422A接口最大數據傳輸速率可達10Mbps（對應距離為12m），最大通信距離為1200m（對應的通信速率為10Kbps）。3．RS485通信接口RS485的抗干擾能力極強，傳輸距離可達1200m,傳輸速率可達10Mbps。9.1.5通信協議通信協議：通信雙方交換信息時所必須遵守的各種規則。目前國際上公認的標準化組織及其通信協議主要有如下四個。

(1)國際標準化組織ISO（InternationalStandardsOrganization）:ISO在通信方面的主要貢獻是建立了開放式系統互聯通信協議OSI（OpenSystemInterconnection）。

(2)國際電子電器工程師協會IEEE(theInstituteofElectricalandElectronicEngineer):它對通信的主要貢獻是建立了IEEE802通信協議。

(3)美國高級研究院ARPA(AdvancedResearchProjectsAgency):成功地開發了著名的TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）與FTP

(FileTransferProtocol)通信協議。這個協議已成為當今國際互聯網（Internet網）的通信標準。

(4)美國通用汽車公司GM(GeneralMotor)：建立了制造自動化協議MAP(ManufactureAutomationProtocol).MAP協議的產生，能使來自不同的廠家的PLC、計算機、自動化儀表等設備和控制系統連成一個整體。幾種通信協議模型的比較:應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層邏輯鏈接控制LLC介質存取控制MAC物理層應用層主要通信層TCP網際層IP網絡界面層(a)OSI模型(b)IEEE802(c)TCP/IPMAP協議的模型與ISO的OSI協議基本相同，只是內容和功能有所增強。

圖9-7幾種通信協議模型的比較9.1.6網絡結構概述1．簡單網絡一個主設備和多個從設備通過傳輸線相連，可以實現多個設備間的通信，這就形成了一種簡單的網絡結構。

……主設備從設備3從設備2從設備1從設備n圖9-8簡單網絡示意圖2．多級網絡一般現代大型工業企業，常常采用多級網絡結構。PLC廠家常用生產金字塔結構描述其產品可實現的功能。國際標準化組織（ISO）對企業自動化系統確立了初步的6級金字塔結構模型，如圖9-9所示。西門子公司S7系列的生產金字塔由4級構成，從上到下依次為：公司管理級、工廠與過程管理級、過程監控級、過程測量與控制級。管理控制車間在線管理作業企業短期生產計劃及業務經營企業長期生產經營決策規劃過程控制與監督

設備控制

參數檢測與執行器驅動

圖9-9ISO企業自動化系統模型9.1.7PLC與計算機通信的基本功能PLC與計算機之間的通信又叫上位通信，與PLC通信的計算機常稱之為上位計算機。上位計算機可以是個人電腦，也可以是大、中型計算機。把PLC與計算機連接起來，實現數據通信可以更有效地發揮各自的優勢，互補應用上的不足，擴大PLC的應用范圍。

PLC與計算機通信的基本功能：(1)可以直接在計算機上編寫、調試應用程序。(2)可用圖形、圖像、圖表的形式在計算機上對整個生產過程進行運行狀態的監視。

(3)可對PLC進行全面地系統管理，包括數據處理、生成報表、參數修改、數據查詢等。(4)可對PLC實施直接控制。(5)可以實現對生產過程的模擬仿真。(6)可以打印用戶程序和各種管理信息資料。(7)可以利用各種可視化編程語言在計算機上編制多種組態軟件。(8)通過計算機可以隨時隨地獲得網上有用的信息和其他PLC廠家、用戶的PLC控制信息，也可以將本地的PLC控制信息發送上網，實現控制系統的資源共享。9.2S7-200PLC的通信與網絡

9.2.1網絡通信協議及類型

9.2.2網絡通信硬件9.2.1網絡通信協議及類型1．通信協議西門子公司S7系列的生產金字塔中的通信協議分兩大類：通用協議和公司專用協議。通用協議采用工業以太網（Ethernet）協議，用于管理級的信息交換。公司專用協議是基于OSI的7層通信結構模型，協議定義了主站和從站兩類通信設備。主站可以對網絡上另一個設備發出初始化要求，從站只是響應來自主站的信息。S7-200PLC的網絡系統中主站、從站間的專用通信協議有3個標準協議和1個自由口協議。(1)PPI協議：點對點接口PPI(Point-to-PointInterface)協議是一種主/從協議。主站設備向從站設備發送要求，從站設備響應。從站不主動發信息，只是等待主站發送的要求并作出相應的響應。網絡上所有S7-200CPU都默認為從站。如果在用戶程序中允許PPI主站模式，一些S7-200CPU在RUN模式下可以作為主站。一旦允許PPI主站模式，就可以利用網絡的有關通信指令來讀寫其它CPU，并且還可以作為從站響應來自其它主站的申請和查詢。任何一個從站可以與多個主站通信，但是在網絡中最多只能有32個主站。

（2）MPI協議：多點接口MPI(Multi-PointInterface)協議是主/主協議或主/從協議，協議如何操作依賴于設備類型。如果是S7-300CPU，就建立主/主連接，因為所有S7-300都是網絡主站。如果是S7-200CPU，就建立主/從連接，因為S7-200CPU是從站。（3）Profibus協議：Profibus(過程現場總線)協議用于分布式I/O設備（遠程I/O）的高速通信。

（4）自由口協議（用戶定義協議）自由口協議是指通過用戶程序控制S7-200CPU通信口的操作模式來進行通信。利用自由口模式，可以實現用戶定義的通信協議連接多種智能設備。在自由口模式下，通信協議完全由用戶程序控制，用戶可以通過使用有關指令編寫程序控制通信口的操作。當CPU處于RUN模式，通過SMB30（口0）允許自由口模式。當CPU處于STOP模式時，自由口通信停止，通信口轉為正常的PPI協議操作。2．通信類型單主站：一個主站與一個或多個從站連接的網絡。如圖9-10是一個單主站網絡結構示意圖。圖中一臺計算機作為主站，4臺S7-200CPU作為從站。多主站：一個主站與最少一個從站及一個主站連接的網絡。圖9-11是一個多主站網絡結構示意圖。圖中一臺計算機作為主站，一臺TD200中文文本顯示器也是主站，另外4臺S7-200CPU作為從站。主站計算機S7-200CPUS7-200CPUS7-200CPUS7-200CPUPC/PPI電纜從站從站從站從站圖9-10單主站網絡結構示意圖S7-200CPUS7-200CPUS7-200CPUS7-200CPU主站主站從站從站從站從站CP卡MPI電纜計算機TD200圖9-11多主站網絡結構示意圖9.2.2網絡通信硬件1．通信口

S7-200CPU上的通信口是符合歐洲標準EN50170中Profibus標準的RS-485兼容9針D型連接器。其引腳分配如圖。在進行調試時，將S7-200接入網絡時，該端口一般是作為端口1出現的，端口0為所連接的調試設備的端口。引針5引針9引針6引針1圖9-12S7-200CPU通信口引腳分配引針號Profibus名稱端口0/端口11屏蔽邏輯地224V返回邏輯地3RS-485信號BRS-485信號B4發送申請RTS（TTL）55V返回邏輯地6+5V+5V，100Ω串聯電阻7+24V+24V8RS-485信號ARS-485信號A9不用10位協議選擇（輸入）端口外殼屏蔽機殼接地表9-3RS-485接口2．網絡連接器利用西門子公司提供的兩種網絡連接器可以將多個設備很方便地連接到網絡中。其中一種連接器僅提供連接到CPU的接口，另一種連接器增加了一個編程接口。帶有編程接口的連接器可以將SIMATIC編程器或操作面板增加到網絡中而不需改變現有的網絡連接。

3．通信電纜主要有Profibus網絡電纜和PC/PPI電纜。Profibus網絡電纜總的規范見表9-4

表9-4Profibus網絡電纜的總規范通用特性規范類型屏蔽雙絞線導體截面積24AWG（0.22mm2）或更粗電纜電容<60pF/m阻抗100Ω~102Ωprofibus網絡的電纜最大長度取決于對波特率的要求和所用電纜類型。要求的傳送速率越高，則網絡段的最大電纜長度越短，如傳送速率為3M~12M波特則最大電纜長度為100米。圖9-13PC/PPI電纜外形：

利用PC/PPI電纜和自由口通信功能可以把S7-200CPU與許多配置有RS-232標準接口的設備（如計算機、編程器、調制解調器）相連接。通信PC/PPI電纜的一端是RS-485端口，用來連接PLC主機，另一端是RS-232端口，用于連接計算機等其它設備。PC/PPI電纜分兩種型號：一種為帶有RS232口的隔離型PC/PPI電纜，用5個DIP開關設置波特率和其它配置項；另一種為帶有RS-232口的非隔離型PC/PPI電纜，用4個DIP開關設置波特率。PC/PPI電纜上的DIP開關選擇的波特率(見下表)應與編程軟件中設置的波特率一致。初學者可選通信速率的默認值9600bps。4號開關為1，選擇10位模式，4號開關為0，選擇11位模式；5號開關為0，選擇RS-232口設置為數據通信設備（DCE）模式，5號開關為1，選擇RS-232口設置為數據終端設備（DTE）模式。未用調制解調器時4號開關和5號開關均應設為0。表9-5開關設置與波特率的關系開關1、2、3傳輸速率（b/s）轉換時間(ms)000384000.5001192001010960020114800410024007101120014110600284．網絡中繼器網絡中繼器連接到Profibus網絡段可以延長網絡距離、給網絡加入設備，并且提供一個隔離不同網絡段的方法。每個中繼器允許給網絡增加32個設備，可以將網絡延長1200米，同時為網絡段提供偏置和終端匹配。網絡中最多可使用9個網絡中繼器。5．調制解調器

調制解調器（Moden）的功能是將數字信號轉化為模擬信號，以便能在電話線路上使用，實現計算機或編程器與PLC主機之間的遠程通信。9.3S7-200PLC通信和網絡功能的實現

9.3.1選擇通信組態

9.3.2PPI網絡通信

9.3.3MPI網絡通信

9.3.4PROFIBUS網絡通信

9.3.5自由口通信

9.3.6工業以太網9.3.1選擇通信組態

選擇通信組態:根據實際的需要選擇網絡通信的類型，選擇所需的通信硬件，并利用編程軟件進行相應設置。表9-6列出了編程軟件STEP7-Micro/WIN32支持的可能的硬件組態和波特率。在STEP7-Micro/WIN32中有一個設置通信的對話框，在其中可以配置有關的通信設置。選擇菜單命令View>Communications，可以找到這個對話框進行設置。支持的硬件型號支持的波特率(bps)支持的協議PC/PPI電纜到PC通信口的電纜連接器9600,19200PPICP5511(通信處理器)II型，PCMCIA-卡960019200187500PPIMPIProfibusCP5611(通信處理器)PCI卡MPI(多機接口卡)PG中集成的PCISA-卡表9-6STEP7-Micro/WIN32支持的硬件組態

9.3.2PPI網絡通信1．PPI網絡通信點對點接口PPI（Point-to-PointInterface）協議是西門子公司為S7-200系統開發的一種主/從通信協議。PPI網絡中可以有多個主站，如圖9-15，網絡中使用了CP5611等通信卡。圖9-15PPI多主站網絡舉例當用戶編程設置主站通信端口的工作模式后，就可以用網絡讀寫指令（NetR/NetW）讀寫從站的數據。NETR/NETW格式如下：NETRTBL，PORTNETWTBL，PORTTBL：緩沖區首址，操作數為字節。PROT：操作端口，CPU226為0或1，其他只能為0。網絡讀NETR指令是通過端口（PROT）接收遠程設備的數據并保存在表（TBL）中。可從遠方站點最多讀取16字節的信息。網絡寫NETW指令是通過端口（PROT）向遠程設備寫入在表（TBL）中的數據。可向遠方站點最多寫入16字節的信息。2．PC/PPI電纜通信設置在STEP7--Micro/WIN32的菜單中選擇“查看→通信”選項，在出現通信設置對話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標，在出現的PC/PG接口屬性的對話框中單擊“屬性（Properties）”按鈕，出現PC/PPI電纜屬性對話框。初學者可以使用默認的通信參數。（1）計算機和可編程序控制器在線連接的建立（2）可編程序控制器通信參數的修改（3）可編程序控制器信息的讀取9.3.3MPI網絡通信多點接口MPI協議允許主／主和主／從兩種通信方式。選擇何種方式依賴于設備類型。如果設備是S7-300CPU，由于所有的S7-300CPU都必須是網絡主站，所以進行主／主通信方式。如果設備是S7-200CPU，那么就進行主／從通信方式，因為S7-200CPU是從站。S7-200可以通過內置接口，連接到MPI網絡上，波特率為19.2k/187.5kbit/s。它可與S7-300CPU或者是S7-400CPU進行通訊。S7-200CPU在MPI網絡中作為從站，它們彼此間不能通信。MPI協議總是在兩個相互通信的設備之間建立邏輯連接。一個連接可能是兩個設備之間的非公用連接。另一個主站不能干涉兩個設備之間已經建立的連接。主站為了應用可以短時間建立一個連接，或無限地保持連接斷開。9.3.4PROFIBUS網絡通信PROFIBUS是世界上第一個開放式現場總線標準，于1995年成為歐洲工業標準(EN50170),1999年成為國際標準（1EC61158-3）。在S7-200系列PLC的CPU中，CPU22X都可以通過增加EM277PROFIBUS-DP擴展模塊的方法支持PROFIBUSDP（PROFIBUS表示過程現場總線；DP表示分布式外圍設備，即遠程I/O）網絡協議。最高傳輸速率可達12Mbit/s。采用PROFIBUS的系統，對于不同廠家所生產的設備不需要對接口進行特別的處理和轉換，就可以通信。PROFIBUS連接的系統由主站和從站組成，主站能夠控制總線，當主站獲得總線控制權后，可以主動發送信息。從站通常為傳感器、執行器、驅動器和變送器。它們可以接收信號并給予響應，但沒有控制總線的權力。當主站發出請求時，從站回送給主站相應的信息。PRORFIBUS除了支持主／從模式，還支持多主／多從的模式。9.3.5自由口通信

自由端口模式:CPU的串行通信口由用戶程序來控制的操作模式。當選擇了自由端口模式，梯形圖程序可以使用接收中斷、發送中斷、發送指令（XMT）和接收指令（RCV）來控制通信操作。在自由端口模式下，通信協議完全由梯形圖程序來控制。當CPU處于RUN模式，通過SMB30（用于端口0）和SMB130（如果CPU有兩個端口，則用于端口1）。當CPU處于STOP模式時，自由口通信停止，通信口轉為正常的PPI協議操作。

1.自由端口的初始化自由口模式控制字節MSBLSB端口0端口1說明SMB30格式SMB130格式

自由口模式控制字節

MSBLSB

SM30.6和SM30.7SM130.6和SM130.7pp:奇偶選擇00:無奇偶校驗01:偶校驗10:無奇偶校驗11:奇校驗SM30.5SM130.5d:每個字符的數據位0:每個字符8位1:每個字符7位SM30.2到SM30.4SM130.2到SM130.4bbb:自由口波特率000:38,400波特001:19,200波特10:9,600波特011:4,800波特100:2,400波特101:1,200波特110:600波特111:300波特SM30.0和SM30.1SM130.0和SM130.1mm:協議選擇00:點到點接口協議(PPI/從站模式)01:自由口協議10:PPI/主站模式11:保留(缺省設置為PPI/從站模式)注:每種配置都有一個停止位。ppdbbbmm表9-8自由口控制寄存器SMB30和SMB1302.自由口的發送指令(XMT)和接收指令(RCV)

發送指令格式：XMTTBL，PORT可以用XMT指令方便地發送數據。發送指令（XMT）激活發送數據緩沖區（TBL）中的數據，數據緩沖區的第一個數據指明了要發送的字節數，PORT指定了用于發送的端口。XMT指令發送一個或多個字符，最多有225個字符的緩沖區。接收指令格式：RCVTBL，PORT可以用RCV指令方便地接收數據。接收指令（RCV）激活初始化或結束接收信息的服務，通過指定端口（PORT）接收的信息存儲于數據緩沖區（TBL），數據緩沖區的第一個數據指明了接收的字節數。RCV指令可以接收一個或多個字符，最多有225個字符，這些字符存儲在緩沖區中。9.3.6工業以太網S7-200CPU加裝CP243-1擴展模塊可以支持工業以太網通信。CP243-1模塊提供了一個標準的RJ45網絡接口，完全支持TCP/IP協議，支持標準的網絡設備。人們對工業局域網的開放性、互聯性、帶寬等方面提出了更高的要求，應用傳統的現場總線的工業控制網已無法實現企業管理自動化與工業控制自動化的無縫接合，技術上早已成熟的管理網——以太網正在闖入人們的視線。工業以太網已成為工業控制系統的一種新的工業通信網。工業以太網有以下優點：①以太網可以滿足控制系統各個層次的要求，使企業信息網與控制網得以統一。②可使設備的成本下降。③有利于企業工程人員的學習和管理，以太網維護容易，工作人員無需再專門