通信基础知识

6.1　PLC通信基础知识

1）概述

数据通信：无论是计算机与PLC，还是PLC与PLC设备，它们之间交换的信息是用“0”和“1”表示的数字信号。通常我们把具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号称作数据信息。数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台设备传送到另一台设备，实现信息交换和处理。

2）通信方式

（1）并行通信与串行通信

数字设备之间的信息交换称为通信。基本的通信方式有并行通信和串行通信两种，各有其特点。

①并行通信（Parallel Communication）：一条信息的各位数据被同时传送的通信方式称为并行通信。并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。并行通信的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，在长距离传输时，容易受电压衰减、信号相互干扰等因素的影响，使传输的数据发生错误，故只适用于近距离（相距数米）的通信。

一般用于计算机的打印口、PLC的内部数据传送，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（Serial Communication）：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信。串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，串行通信的特点是：数据位传送按位顺序进行，最少只需一根到两根传输线即可完成，在长距离通信时，通信线路简单且成本低，但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。近年来串行通信技术有了长足的发展，如USB、IEEE1394等串行接口总线，通信速度甚至可达到数百Mbp/s。

计算机和PLC一般备有通用的串行通信接口，在分布式控制系统中获得了广泛的应用，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相互之间的数据通信。

（2）单工通信、半双工通信与双工通信

根据信息的传送方向，串行通信可以进一步分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种。

①单工通信

数据传输只支持数据在一个方向上传输，即只能沿单一方向发送或接收数据，如图6-1（a）所示。其中A端只能作为发送端发送数据，B端只能作为接收端接收数据。

图6-1　数据通信方向示意图

②半双工通信

数据传输允许数据在两个方向上传输，信息可沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。但是在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信，像两台对讲机间的通话，如图6-1（b）所示。

③全双工通信

数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。例如两人通过电话机的通话，电话线就是二线全双工信道，如图6-1（c）所示。PLC通常采用半双工和全双工通信方式。

（3）异步通信和同步通信

在串行通信中，通信的速率与时钟频率有关，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，同步不好，轻者导致误码增加，重者使整个系统不能正常工作。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。

①异步通信

异步通信也称起止式通信，它是利用起止位来达到收发同步的目的的。在异步通信中，被传输的数据编码为一串脉冲，每一个传输的字符都有一个附加的起始位和多个停止位。字节传输由起始位“0”开始，然后是被编码的字节，通常规定低位在前，高位在后，接下来是校验位（可省略），最后是停止位“1”（可以是1位、1.5位或2位），用以表示字符的结束。

例如：传输一个ASCII码字符（7位），若选用2位停止位，1位校验位和1位起始位，那么传输这个7位ASCII码字符就需要11位，其格式如图6-2所示。

图6-2　异步通信的信息格式

在异步通信开始前，通信的双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。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积累误差而导致收发错位。

由于异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，通常用于低速通信。

②同步通信

同步传送：同步传送在数据开始处就用同步字符来指示。由定时信号（时钟）来实现收发端同步，一旦检测到与规定的同步字符相符合，接下去就连续按顺序传送数据。在这种传送方式中，由于数据以一组数据（数据块）为单位传送，数据块中每字节不需要起始位、停止位和奇偶校验位，只需要在数据块（往往很长）之前加1～2个同步字符，所以传输效率高，但是对硬件的要求较高，一般只用于近距离的高速通信。

③异步通信和同步通信的比较

（a）异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。同步通信较复杂，双方时钟允许误差较小；

（b）异步通信只适用于点对点，同步通信可用于点对多；

（c）通信效率：异步通信低，同步通信高。

PLC通常使用半双工或全双工的异步串行通信方式。

（4）数据传输速率

指单位时间内传送的数据量，数据量的单位可以是比特、字符等。数据传输速率，又称波特率，通常是指每秒传送的二进制位数，即bit/s（bps），它要求发送设备和接收设备都必须以相同的数据传送速率工作。

例如，数据传送的速率为每秒钟60个字符，而每个字符为11位，则波特率为：

60字符/s×11位/字符＝660bit/s

注意：波特率和有效数据的传送速率不同。如对于如图6-2所示的字符，尽管由11位构成，但这11位中有效数据位只有7位，因此有效数据传送速率为：

60字符/s×7位/字符＝420bit/s

常用的串行通信数据传输速率为300bit/s、600bit/s、1 200bit/s、2 400bit/s、4 800bit/s、9 600bit/s、19 200bit/s等。

3）常用通信介质

设备与设备之间互相通信，就要有一座桥梁把两者连接起来，那就是通信介质，其不但是网络联接设备间的中间介质，也是信号传输的媒体，传输介质可分为有线和无线传输介质两大类。

有线传输介质：同轴电缆、双绞线电缆、光缆等；

无线传输介质：微波、卫星、红外线等。

下面介绍几种常用的通信介质。

（1）同轴电缆

由内部导体、环绕绝缘层、绝缘层外的金属屏蔽网和最外层的护套组成，内导线和屏蔽网及外界之间用绝缘材料隔开，如图6-3所示。金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号。

图6-3　同轴电缆

根据传输频带的不同，同轴电缆可分为50Ω基带同轴电缆（用于传输基带数字信号）和宽带同轴电缆（用于传输宽带模拟信号及数字信号）两种类型。按直径的不同，同轴电缆可分为粗缆和细缆两种。

（2）双绞线电缆（简称双绞线）

是将一对或一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质，是目前局域网最常用到的一种布线材料。为了降低信号的干扰程度（使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小），电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，每根线加绝缘层并用色标来标记，双绞线也因此而得名。双绞线按其电气特性而进行分级或分类，一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两大类，分别如图6-4（a）和（b）所示，非屏蔽双绞线分为3类、4类、5类和超5类四种，屏蔽双绞线分为3类和5类两种。目前常用到的双绞线一般都是非屏蔽的5类4对（即8根导线）电缆线。这些双绞线电缆的传输速率都能达到100Mbit/s。

图6-4　双绞线

（3）光缆

光纤的结构如图6-5所示。光纤具有很大的带宽，与电导体构成的传输媒体最基本的差别是，它的传输信息是光束，而非电气信号。因此，光纤传输的信号不受电磁的干扰。与传统电缆相比，光纤具有损耗小、传输距离长的优点。

图6-5　光纤

光纤具有抗干扰性好、保密性强、使用安全等特点。光纤是非金属介质材料，具有很强的抗电磁干扰能力，这是传统的电通信所无法比拟的。光信号束缚在光纤芯子中传输，在芯子外很快衰减，这样不会产生光纤间的串光现象，所以其保密性好且能保证同一光缆中不同光纤间光信号的传输质量。光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。当然光纤系统成本较高。

常用通信介质性能比较如表6-1所示。

表6-1　常用通信介质性能比较

4）PLC常用通信接口

计算机与计算机或计算机与终端之间（PLC等）的数据传送可以采用串行通信和并行通信两种方式。由于串行通信方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。目前常用串行通信接口标准有RS-232C、RS-422和RS-485等。

（1）RS-232C

RS-232C接口（又称EIA RS-232C）是目前最常用的一种串行通信接口。它是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。它既是一种协议标准，又是一种电气标准，它规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。

该标准规定采用一个25个引脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替它的是DB9的接口，DB9所用到的引脚比DB25有所变化，具体引脚定义和功能如表6-2。

RS-232C接口标准是目前计算机和PLC中最常用的一种串行通信接口。PLC一般使用9针的连接器。当通信距离较近时（＜15m），可以用电缆线直接连接标准RS232端口，此时只需3根连接线。典型接线如图6-6所示。

表6-2　RS-232C接口引脚信号定义及功能

图6-6　RS-232C接口的连接

RS-232C的不足：

①传输速率和通信距离有限，在异步传输时，波特率一般不超过20Kbit/s，最大传输距离在50m左右；

②没有规定连接器，因而产生不同的设计方案，这些方案有时不兼容；

③抗干扰能力弱，接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，是单端驱动单端接收的电路，如图6-7所示，这种共地传输容易产生共模干扰。

图6-7　单端驱动单端接收电路

图6-8　平衡驱动差分接收电路

（2）RS-422

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的电气特性作了改进，RS-422是RS-499的子集。

RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准，即双端发送和双端接收，根据两条传输线之间的电位差值来决定逻辑状态。由于RS-422采用平衡驱动差分接收电路，如图6-8所示，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，两根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的最大传输距离为1 200m，最大传输速率为10MB/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100KB/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100m长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1MB/s。

FX_2N系列PLC的编程接口采用RS-422标准，而计算机的串行口采用RS-232标准。因此，为实现PLC与计算机通信，必须将RS-422标准转换成RS-232标准。

（3）RS-485

在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。例如，都采用平衡传输方式，都需要在传输线上接终端电阻等。

图6-9　RS-485总线网络

RS-485与RS-422的区别在于RS-485为半双工通信方式，RS-422为全双工通信方式；RS-422用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只用一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收，最少只需2根连线，如图6-9所示。使用RS-485通信接口和双绞线（总线）可组成串行通信网络，构成分布式系统，系统允许最多并联32个站，新的接口器件可允许连接128个站。

由于RS-485接口具有较高的传输速率（10MB/s以上）、较好的抗干扰能力、较长的传输距离（1 200m）和多站能力（最多128站），同时硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，所以在工厂自动化、工业控制等领域广泛应用。

RS-422/RS-485接口一般采用使用9针的D型（DB9）连接器。普通个人计算机一般不配备RS-422和RS-485接口，但工业控制计算机基本上都有配置，也可以使用RS-232转RS-422/RS-485的转换适配器来连接。