通信与网络概述

8．1　通信与网络概述

8．1．1　数据通信方式

在工业控制系统中，PLC与PLC、PLC与计算机或其他设备进行数据传送是通过网络通信完成的。不同的独立系统由传输线路互相交换数据即是通信，构成整个通信的线路称为网络。通信的独立系统可以是计算机、PLC或其他具有数据通信功能的数字终端设备，称为DTE（data terminal equipment）。传输线路的介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤或无线电波等。

无论是计算机还是PLC，都是数字设备，它们之间交换的信息是由“0”和“1”表示的数字信号。通常，把具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号称为数据信息。

数据通信就是将数据信息通过适当的传输线路从一台设备传送到另外一台设备的过程，其任务就是把地理位置不同的计算机、PLC和其他数字设备连接起来，高效率地完成数据传送、信息交换和通信处理。数据通信的实质是数字信号从源点通过通信媒体向目标点的传输。数据传输的基本方式有并行通信（parallel communication）方式和串行通信（serial communication）方式两种。

1）并行通信方式

数据在多个信道同时传输的方式称为并行通信方式。在并行通信方式中，数据传输以字节或字为单位，数据的各位同时传送，传递速度快。但由于一个并行数据有多少位就有多少二进制数，就需要多少根传输数据线，因而成本较高。该方式常用于近距离、高速度的数据传输场合。

2）串行通信方式

数据在一个信道上按照数据位顺序传输的方式称为串行通信方式。在串行通信方式中，数据传输以位为单位，数据一位接一位顺序传送，只需1～2根传输线。它的成本低，但传递速度慢，常用于低速、远距离的通信场合。

串行通信方式按信息传输格式，又可分为同步通信和异步通信两种传输方式。

（1）同步串行通信方式。

在同步串行通信方式中，信息格式中设置同步字符作为联络信号。接收方按约定从同步字符到来就开始接收数据，直到所有数据接收完毕，即完成一个信息帧的接收。它要求收发双方使用同一时钟频率以保持完全同步。同步串行通信具有传输效率高、硬件复杂的特点，常用于高速通信场合。

（2）异步串行通信方式。

在异步串行通信方式中，传输是按字符进行的，其数据帧格式如图8－1所示。通信信息一个字符接一个字符地传输，所发送的每一个字符均由起始位、数据位、校验位和停止位构成，接收方据此完成一个一个字符的接收。这样，相邻字符之间的停顿时间允许不同，收发双方时钟频率的偏差不会导致数据传送错误，所以异步串行通信的可靠性很高。但由于每个字符的传送都包含起始位、停止位等附加的非有效信息，因此它的传输效率低，常用于低速通信场合。PLC的通信普遍采用异步串行通信方式。

图8－1　异步串行通信数据帧格式

在串行通信中，用“波特率”来描述数据的传输速率。所谓波特率，即每秒钟传送的二进制数据的位数，其单位是b／s（bit per second，bps）。它是衡量串行通信数据传输快慢的重要指标。国标上规定了一个标准波特率系列：110b／s、300b／s、600b／s、1．2Kb／s、1．8Kb／s、2．4Kb／s、4．8Kb／s、9．6Kb／s、14．4Kb／s、19．2Kb／s、38．4 Kb／s、115．2Kb／s等。例如，最常用的波特率是9．6Kb／s，指每秒传送9600个二进制位，包含了图8－1所示的起始位、数据位、校验位和停止位。

异步串行通信方式还可以按照数据在传输线路上的传送方向和时序，分为单工、半双工和全双工三种传送方式。单工只有一根单向传输线，数据只按一个固定方向传送，通信双方的发送与接收关系不变，如图8－2（a）所示；半双工只有一根双向传输线，数据可进行双向分时发送，通信双方都具有发送和接收的切换功能，如图8－2（b）所示；全双工有两根不同的传输线，通信双方可同时进行发送和接收操作，如图8－2（c）所示。

图8－2　异步串行通信的线路通信方式

8．1．2　串行通信接口标准

用于设备之间数据传送的连接结构称为通信接口。在基于PLC的工业现场控制中普遍采用串行数据通信，下面介绍应用最广的RS－232C和RS－422／485串行通信接口。

1．RS－232C接口

RS－232C是美国电子工业协会于1969年公布的一种通信协议标准，它是为远程通信中数字终端设备DTE和数据通信设备（data communications equipment，DCE）的连接而制定的，如计算机与外设的连接。RS－232C标准中对串行接口的机械特性、信号功能、电气特性和过程特性都作了明确的规定。

RS－232C接口的标准接插件是25芯的D型电缆插头，凸形插头（俗称公头）安装在DTE上，凹形插头（俗称母头）安装在DCE上。25根信号线各有定义，其中常用的只有9根，其接口及其管脚定义如图8－3所示。

RS－232C接口采用负逻辑，利用传输信号线与地线之间的电压差表示逻辑电平，用－15～－5V表示逻辑1，用＋5～＋15V表示逻辑0，由于距离较近，不需应答信号，只需连三根线。RS－232C使用单端发送、单端接收的电路。由于共模干扰信号的原因，RS－232C的最大通信距离为15m，最高传输速率为20Kb／s，并且只能一对一的通信。

2．RS－422／485接口

为了提高传输速率和增加通信距离，美国电子工业协会于1977年推出新的串行通信标准RS－499，它增加了10种电路功能，特别是对RS－232C接口的电气特性作了改进。目前，工业环境中广泛应用的RS－422／485标准就是此标准的子集。RS－422／485采用平衡驱动、差分接收电路，消除了信号共地，如图8－3所示。平衡驱动器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，则接收器只接收差分信号电压，从而大大提高了抗共模干扰的能力，并能在较长的距离内明显提高传输速率。其传输距离可达1200m（传输速率为10Kb／s时），传输速率可达10Mb／s（传输距离为12m时），分别是RS－232C的100倍和500倍。

RS－422接口采用平衡驱动、差分接收电路，从根本上取消了信号地线。利用两条信号线之间的电压差表示逻辑电平，（VA－VB）＞＋0．2V表示逻辑1；（VA－VB）＜－0．2V表示逻辑0。由于共模干扰信号可以互相抵消，所以RS－422接口抗干扰能力强，有较高的通信速率，适合远距离传输。例如，1．2km时，传输速率可达100Kb／s；而在较短距离内（如12m），传输速率可达10Mb／s以上。

图8－3　三种串行通信接口比较图

RS－485是RS－422的变型，两者的区别是，RS－422为全双工型，RS－485为半双工型。在使用RS－485互联时，某一时刻只有一个站点可以发送数据，其他站点只能接收。RS－485只有一对平衡差分信号线，用最少的信号连线（双绞线）即可实现通信任务。许多工业计算机、PLC和智能仪表均配有RS－485接口，可以方便地组成串行通信网，系统中最多可以有32个站，新的接口器件已允许连接128个站。

8．1．3　网络拓扑结构

集散式控制系统可获得明显优于集中控制系统的适用性、可扩展性和抗单点故障等性质，工业局部网络则为实现集散式控制系统提供了互连和通信手段。

1．网络拓扑结构

在网络中通过传输线路互连的站点称为节点。节点间的物理连接结构称为拓扑结构。常见的多点互连的网络拓扑结构如图8－4所示。

图8－4　网络通信拓扑结构示意图

1）树形结构

这是主从型结构。在系统中提供了一个集中控制点，上级节点控制下一级节点的数据通信，同级节点的数据传输通过上一级节点的转接而实现，如图8－4（a）所示。其特点是，当某一节点发生故障时，它的下级节点的通信会瘫痪，而它的上级节点及同级节点的通信仍能进行，只是不能与该节点通信。树形结构常用于分级递阶、横向联系少的通信网络。

2）总线形结构

这种结构的所有节点共享一个公共通信总线，所有节点都能接收总线上的信息，节点间的通信通过总线以令牌传送方式实现，如图8－4（b）所示。其特点是，某节点发生的故障对整个系统影响较小，并且节点的增删十分方便。总线形结构是工业局部网络的主流结构，已得到普遍应用。

3）星形结构

这是中央控制型结构，一切通信都经中央节点控制和转接，如图8－4（c）所示。其特点是，结构简单、控制容易，单个节点的故障对整体影响较小，常用于系统的直接控制级。

4）环形结构

这是相邻节点顺序连接成环路的结构，信息在环上以固定的一个方向顺序传输。每个节点接收上一节点发来的信息，需要时再发送到下一节点，如图8－4（d）所示。其特点是，各节点间可采用不同的传输介质（电缆）和不同的传输速率（波特率）。在随机通信频繁时，传输效率较高，但某个节点的故障会使信息通路阻塞，系统可靠性不高。

2．PLC网络类型

PLC网络类型按照复杂程度可分为简单网络和复杂网络等两类。

1）简单网络

简单网络指以个人计算机为主站，一台或多台同型号的PLC为从站，组成简易集散控制系统。在这种系统中，个人计算机充当操作站，实现通信管理、显示、报警、监控、编程及操作等功能，而多台PLC负责控制任务；PLC也可以作为主站，其他多台同型号PLC作为从站，构成主从型网络。

2）复杂网络

指由多个简单网络构成的网络。现代大型工业企业PLC控制系统，一般采用多级网络的形式。不同PLC厂家的自动化系统网络结构的层数及各层的功能分布有所差异。