可编程序控制器通信与网络概述

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飘香发表于 2008/10/13 9:16:22 776 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]

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一、问题提出：

1 ．什么是可编程控制器的通信？

2 ．通信的方式有哪些？

3 ．什么是实时性？

4 ．可编程序控制器之间是如何连接的？

可编程序控制器的组网与通讯是近年来自动化领域颇受重视的新兴技术。在可编程控制器及其网络中存在两类通信：一类是并行通信，另一类是串行通信。

二、通信方法的含义

可编程控制器网络是由几级子网复合而成，每级子网中都配置不同的协议，其中大部分是公司的专用通信协议。

各级子网的通信过程是由通信协议决定的。从根本上讲，要搞清楚某级可编程控制器子网的通信就必须彻底剖析它所采用的通信协议，这个工作量很大，更何况大多数又都是各公司的专用协议。繁琐的协议规定常会掩盖问题的本质，通常会遇到这样的情况：两个公司的专用协议，从协议的规定，帧格式等表面现象看可能有明显的不同，然而它们关于如何实现通信的思路却极为相似，如出一辙。抓住它们的同一性，就会把表面上孤立无关的事情串联起来。正是基于这样一种思想，我们引入了“通信方法”这一概念。

可编程控制器网络的各级子网无论采用总线结构，还是环形结构，它的通信介质是共享资源。挂在共享介质上的各站要想通信，首先要解决共享通信介质使用权的分配问题，这就是常说的存取控制或访问控制。

一个站取得了通信介质使用权，并不等于完成了通信过程，还有怎样传送数据的问题，这就是常说的数据传送方式。比如说采用的数据传送方式是否要先建立一种逻辑连接，然后再传送？所采用的数据传送方式发给对方的数据是否要对方应答？发出去的数据是由一个站收，或者多个站收，还是全体接收？诸如此类就是所谓的数据传送方式。

这里所谓的通信方法 = 存取控制方式 + 数据传送方式。本来存取控制方式与数据传送方式都是通信协议有关层次的内容，这里专门把它们抽出来加以介绍，是因为用它们来描述一种通信过程与人们意念上有关通信的概念非常接近。对于局域网来说，存取控制方式与数据传送方式是其通信协议最核心的内容。

三、工业局域网实时性的含义

工业局域网对实时性是有要求的，各级子网对实时性的要求不同。通常愈靠底层的子网对实时性要求愈高，愈靠上层的子网对实时性的要求愈低。

实时性通常采用“响应时间”来定量描述。响应时间是指某一系统对输入做出响应所需的时间，以 ms, s, min, h 为计量单位。响应时间越短，就标志着系统的实时性越好。

可编程控制器网络中，各站通过通信子网互连在一起，当某站对子网请求通信时，它对响应时间是有要求的。不同站对实时性的要求可能不同，同一站中不同通信任务对实时性的要求也可能不同。一项通信任务的实时性得到满足是指其响应时间小于规定的时限；一个站的实时性合乎要求是指该站提出的所有通信任务在指定的时限内都能获得响应。整个通信子网的实时性符合要求是指分布在子网上每一个站的每项通信任务的实时性均得到保证。

要保证可编程控制器网络的实时性必须满足下列三个时间约束条件：

（ 1 ）必须限定每个站每次取得通信权的时间上限值，以防某一站长期霸占子网而导致其它各站实时性恶化。

（ 2 ）应当保证在某一固定的时间周期内，通信子网上的每个站都有机会取得通信权，这将为每个站提供基本实时性。

（ 3 ）对于重要的站可优先服务，对于某项紧急通信任务应当给予优先处理，应当可以用静态（固定）的方式赋予某些站以较高的优先权，应当可以用动态（临时）方式赋予某些紧急任务紧急以较高的优先权。

可编程控制器网络的实时性首先是由它所选用的存取控制方式来保证的。此外提高实时性还可以通过减少通信协议的层数来实现，一般靠底层的子网采用只包含 3 层通信协议的塌缩结构，这正是为了提高实时性，另外选择适当的数据传送方式对于提高实时性有明显的效果，发送数据要求对方应答，比无应答服务慢得多，要求连接又要应答的服务则更慢，而广播式通信最快。当然不能只考虑实时性，还要考虑可靠性。

四、可编程控制器控制网络与可编程控制器通信网络的概念

可编程控制器网络包括可编程控制器控制网络与可编程控制器通信网络两种，人们常常不加以区分，把这两种可编程控制器网络当成一回事，其实它们是不同的。

1 ．可编程控制器控制网络

（ 1 ）功能

可编程控制器控制网络是只传送 on/off 开关量，且一次传送的数据量较少的网络。例如可编程控制器的远程 I/O 链路，通过 Link 区交换数据的可编程控制器同位系统。

（ 2 ）特点

可编程控制器控制网络尽管要传送的开关量远离可编程控制器，但可编程控制器对它们的操作，就像直接对自己的 I/O 区操作这样简单、方便迅速。

2 ．可编程控制器通信网络

（ 1 ）功能

可编程控制器通信网络又称高速数据公路，这类网络既可传送开关量又可传送数字量，一次通信传送的数据量较大。这类网络的工作过程类似于普通局域网。

（ 2 ）特点

随着通信技术的发展，可编程控制器控制网络既传送开关量又能传送数字量，其实开关量与数字量没有界限，多位开关量并在一起就是数字量。

3 ．可编程控制器控制网络与可编程控制器通信网络区别

两种可编程控制器网络的本质区别在于：可编程控制器控制网络工作过程就像可编程控制器对自己 I/O 区操作一样，可编程控制器通信网络类似于普通局域网工作过程。

还需要说明一点的是：人们常把应用系统中的可编程控制器网络控制系统称为可编程控制器控制网络，这是针对应用而言，与通信无关，一般不会造成混淆。

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Posted: 2005-10-19 11:38 |

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可编程控制器网络中常用的通信方式

一、可编程控制器控制网络的“周期 I/O 方式”通信

可编程控制器的远程 I/O 链路就是一种可编程控制器控制网络，在远程 I/O 链路中采用“周期 I/O 方式”交换数据。远程 I/O 链路按主从方式工作，可编程控制器带的远程 I/O 主单元在远程 I/O 链路中担任主站，其它远程 I/O 单元皆为从站。在主站中设立一个“远程 I/O 缓冲区”，采用信箱结构，划分为 n 个分信箱与每个从站一一对应，每个分信箱再分为两格，一格管发送，一格管接收。主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式，按顺序与各从站交换数据，把与其对应的分箱中发送分格的数据送从站，从从站中读取数据放入与其对应的分信箱的接收分格中。这样周而复始，使主站中的“远程 I/O 缓冲区”得到周期性的刷新。

在主站中可编程控制器的 CPU 单元负责用户程序的扫描，它按照循环扫描方式进行处理，每个周期都有一段时间集中进行 I/O 处理，这时它对本地 I/O 单元及远程 I/O 缓冲区进行读写操作。可编程控制器的 CPU 单元对用户程序的周期性循环扫描，与可编程控制器负责通信的处理器对各远程 I/O 单元的周期性扫描是异步进行的。

尽管可编程控制器的 CPU 单元没有直接对远程 I/O 单元进行操作，但是由于远程 I/O 缓冲区获得周期性刷新，可编程控制器的 CPU 单元对远程 I/O 缓冲区的读写操作，就相当于直接访问了远程 I/O 单元。

主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式与各从站交换数据，使主站中“远程 I/O 缓冲区”得到周期性刷新，这样一种通信方式既涉及到周期又涉及到 I/O ，因而被称为“周期 I/O 方式”。这种通信方式要占用可编程控制器的 I/O 区，因此只适用于少量数据的通信。从表面看来远程 I/O 链路的通信就好像是可编程控制器直接对远程 I/O 单元进行读写操作，因此简单、方便。

二、可编程控制器控制网络的“全局 I/O 方式”通信

“全局 I/O 方式”是一种串行共享存储区通信方式，它主要用于带有链接区的可编程控制器之间的通信。

全局 I/O 方式的通信原理如图所示。在可编程控制器网络的每台可编程控制器的 I/O 区中划出一个块来作为链接区，每个链接区都采用图中所表示的邮箱结构。相同编号的发送区与接收区大小相同，占用相同的地址段，一个为发送区，其它皆为接收区。采用广播方式通信。可编程控制器把 1 ＃发送区的数据在可编程控制器网络上广播，可编程控制器 2 、可编程控制器 3 收听到后把它接收下来存入各自的 1 ＃接收区中。可编程控制器 2 把 2 ＃发送区数据在可编程控制器网上广播，可编程控制器 1 、可编程控制器 3 把它接收下来存入各自的 2 ＃接收区中。可编程控制器 3 把 3 ＃发送区数据在可编程控制器网上广播，可编程控制器 1 、可编程控制器 2 把它接收下来存入各自的 3 ＃接收区中。显然通过上述广播通信过程，可编程控制器 1 、可编程控制器 2 、可编程控制器 3 的各链接区中数据是相同的，这个过程称为等值化过程。通过等值化的通信使得可编程控制器网络中的每台可编程控制器的链接区中的数据保持一致。它既包含着自己送出去的数据，也包含着其它可编程控制器送来的数据。由于每台可编程控制器的链接区大小一样，占用的地址段相同，每台可编程控制器只要访问自己的链接区，就等于访问其它可编程控制器的链接区，也就相当于与其它可编程控制器交换了数据。这样链接区就变成了名符其实的共享存储区，共享区成为各可编程控制器交换数据的中介。

当然这里的共享存储区与并行总线的共享存储区在结构上有些差别，它把物理上分布在各站的链接区，通过等值化通信使其好像重叠在一起，在逻辑上变成一个存储区，大小与一个链接区一样。这种共享存储区称为串行共享存储区。

链接区可以采用异步方式刷新（等值化），也可以采用同步方式刷新。异步方式刷新与可编程控制器中用户程序无关，由各可编程控制器所带的通信处理器按顺序进行广播通信，周而复始，使其所有链接区保持等值化。同步方式刷新是由用户程序中对链接区的发送指令启动一次刷新。这种方式只有当链接区的发送区数据变化时才刷新（等值化），这样事半功倍。

全局 I/O 方式中的链接区是从可编程控制器的 I/O 区划分出来的，经过等值化通信变成所有可编程控制器共享（全局共享），因此称为“全局 I/O 方式”。这种方式下可编程控制器直接用读写指令对链接区进行读写操作，简单、方便、快速，但应注意在一台可编程控制器中对某地址的写操作在其它可编程控制器中对同一地址只能进行读操作。与周期 I/O 方式一样，全局 I/O 方式也要占用可编程控制器的 I/O 区，因而只适用于少量数据的通信。

三、主从总线 1:N 通信方式（可编程控制器通信网络）

主从总线通信方式又称为 1:N 通信方式，这是在可编程控制器通信网络上采用的一种通信方式。在总线结构的可编程控制器子网上有 N 个站，其中只有一个主站，其它皆是从站，也就是因为这个原因主从总线通信方式又称为 1:N 通信方式。

主从总线通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮询表法。所谓轮询表法是一张从机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照轮询表的排列顺序对从站进行询问，看它是否要使用总线，从而达到分配总线使用权的目的。

为了保证实时性，要求轮询表包含每个从站号不能少于一次，这样在周期轮询时，每个从站在一个周期中至少有一次机会取得总线使用权，从而保证了每个站的基本实时性。对于实时性要求比较高的站，可以在轮询表中让其从机号多出现几次，这样就用静态的方式，赋予该站较高的通信优先权。在有些主从总线中把轮询表法与中断法结合使用，让紧急任务可以打断正常的周期轮询而插入，获得优先服务，这就是用动态方式赋予某项紧急任务以较高优先权。

存取控制只解决了谁使用总线的问题，获得总线的从站还有如何使用总线的问题，即采用什么样的数据传送方式。主从总线通信方式中有两种基本的数据传送方式。一种是只允许主从通信，不允许从从通信，从站与从站要交换数据，必须经主站中转。另一种是既允许主从通信也允许从从通信，从站获得总线使用权后先安排主从通信，再安排自己与其它从站（即从从）之间的通信。

四、令牌总线 N : N 通信方式（可编程控制器通信网络）

令牌总线通信方式又称为 N : N 通信方式。在总线结构上的可编程控制器子网上有 N 个站，它们地位平等没有主站与从站之分，也可以说 N 个站都可以是主站，所以称之为 N ： N 通信方式。

N : N 通信方式采用令牌总线存取控制技术。在物理总线上组成一个逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按一定方向依次流动，获得令牌的站就取得了总线使用权。令牌总线存取控制方式限定每个站的令牌持有时间，保证在令牌循环一周时每个站都有机会获得总线使用权，并提供优先级服务，因此令牌总线存取控制方式具有较好的实时性。

取得令牌的站采用什么样的数据传送方式对实时性影响非常明显。如果采用无应答数据传送方式，取得令牌的站可以立即向目的站发送数据，发送结束，通信过程也就完成了。如果采用有应答数据传送方式，取得令牌的站向目的站发送完数据后并不算通信完成，必须等目的站获得令牌并把应答帧发给发送站后，整个通信过程才结束。这样一来响应时间明显增长，而使实时性下降。

有些令牌总线型可编程控制器网络的数据传送方式固定为一种，有些则可由用户选择。

五、浮动主站 N: M 通信方式（可编程控制器通信网络）

浮动主站通信方式又称 N : M 通信方式，它适用于总线结构的可编程控制器网络。设在总线上有 M 个站，其中 N 个为主站，其余为从站（ N<M ） , 故称之为 N : M 通信方式。

N : M 通信方式采用令牌总线与主从总线相结合的存取控制技术。首先把 N 个主站组成逻辑环，通过令牌在逻辑环中依次流动，在 N 个主站之间分配总线使用权，这就是浮动主站的含义。获得总线使用权的主站再按照主从方式来确定在自己的令牌持有时间内与哪些站通信。一般在主站中配置有一张轮询表，可按照轮询表上排列的其它主站号及从站号进行轮询循。获得令牌的主站对于用户随机提出的通信任务可按优先级安排在轮询之前或之后进行。

获得总线使用权的主站可以采用多种数据传送方式与目的站的通信，其中以无应答无连接方式速度最快。

六、令牌环通信方式（可编程控制器通信网络）

有少量的可编程控制器网络采用环形拓扑结构，其存取控制采用令牌法，具有较好的实时性。如图所示，其表示了令牌环工作过程及其帧结构。在图中，令牌在物理环中按箭头指向，一站接一站地传送，获得令牌的站才有权发送数据。设 B 站要向 D 站发送数据。当令牌传送到 B 站时， B 站把令牌变为暂定证，然后把等待发送数据按图中表示的格式加在暂停证后面从 B 站发送出去，最后再加上令牌一起发往 C 站。此帧信息经 C 站中转后到达 D 站， D 站把自己的本站地址与帧格式中目的地址相比较，发现两者相同，表明此帧信息是发给 D 站的，然后对此帧信息做差错校验，并把校验结果以肯定应答或否定应答填在 ACK 段中。同时把此帧信息复制下来，再把带有应答的帧继续向下传送，经 A 站中转到达 B 。 B 站用自己的本站地址与帧中源地址相比较，发现两者相同，表明此帧是自己发出的，再检查 ACK 。若为否定应答，要组织重发；若为肯定应答，则把此帧从环上吸收掉，只剩下令牌在环中继续流动。

在图中的帧格式的最后为一令牌，因而当某站获得此令牌后也同样可发送数据，把此令牌变为暂停证，后面带上发送的帧，最后再加上令牌，这时的帧格式就变成两个暂停证、两帧，再加令牌，其传送过程与一帧相似，这里不再重复。从上述传送过程可见，令牌环通信方式采用的是有应答数据传送方式。

七、 CSMA/CD (carrier-sense multiple access with collision detection) 通信方式

这是一种随机通信方式，适用于总线结构的可编程控制器网络，总线上各站地位平等，没有主从之分。采用 CSMA/CD 存取控制方式，此控制方式用通俗的语言描述为“先听后讲，边讲边听”。所谓先听后讲是指要求使用总线的各站，在发送数据之前必须先监听，看看总线是否空闲，确认总线空闲后再向总线发送数据。“先听后讲”并不能完全避免冲突，如果仍发生了冲突，则不能等到差错校验时再发现，这样对通信资源浪费太严重，而要采用“边讲边听”。发送数据的站，一边发送，一边监听，若发现冲突，立即停止发送，并发出阻塞音，通知网上其它站发生了冲突，然后冲突双方采用取随机数代入指数函数的退避算法来决定重新上网时间，解决冲突。

CSMA/CD 存取控制方式不能保证在一定时间周期内，可编程控制器网上每个站都可获得总线使用权，也不能用静态方式赋予某些站以较高优先权，不能用动态方式赋予某些紧急通信任务以较高优先权，因此这是一种不能保证实时性的存取控制方式。但是它采用随机方式，方法本身简单，而且见缝插针，只要总线空闲就抢着上网，通信资源利用率高，因而在可编程控制器网络中 CSMA/CD 通信法适合用于上层生产管理子网。

CSMA/CD 通信方式的数据传送方式可以选用有连接、无连接、有应答、无应答及广播通信中的每一种，这可按对通信速度及可靠性的要求取舍。

八、多种通信方式的集成

在新近推出的一些现场总线中，常常把多种通信方式集成配置在某一级子网上。从通信方法上看，都是一些原来常用的，但如何自动地从一种通信方式切换到另一种，如何按优先级调度，则成为多种通信方式集成的关键。

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i3i3i3   发表于 2008/10/13 9:16:22

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