PLC通信基础

    1．通信系统    一个通信系统由硬件（发送设备、接收设备、控制设备和通信介质等）及软件（通信协议和通信软件）组成。通信系统的组成示意图如图7-1所示。
    图7-1    通信系统的组成示意图    发送设备在发送数据的同时也可接收来自其他设备的信息。同样地，接收设备在接收数据的同时，也可发送反馈信息。    控制设备按照通信协议和通信软件的要求，对发送和接收之间进行同步的协调，确保信息发送和接收的正确性和一致性。    通信介质是数据传输的信道。通信协议的作用主要是规定各种数据的传输规则，更有效率地利用通信资源，保持通信的顺畅。收发双方都必须严格遵守通信协议的各项规定。    通信软件则是人与通信系统之间的一个接口，使用者可以通过通信软件了解整个通信系统的运作情况，进而对通信系统进行各种控制和管理。本章主要介绍有关PLC的通信与工厂自动化通信网络方面的初步知识。    2．通信方式    (1)并行通信与串行通信    数据通信主要有并行通信和串行通信两种方式。    1)并行通信特点：将多个数据位同时进行传输，传输的数据有多少位，就相应地有多少根传输线。并行通信传输示意图如图7-2所示。
    图7-2    8位数据并行通信传输示意图    并行通信是以字节或字为单位的数据传输方式，除了8根或16根数据线、1根公共线外，还需要数据通信联络用的控制线。并行通信的传送速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的数据传送。并行通信一般用于PLC的内部，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)串行通信特点：多位数据在一根数据线上顺序进行传送，其速度比并行通信要慢。电路简单，适合多数位、长距离通信。串行通信传输示意图如图7-3所示。
    图7-3    8位数据串行通信传输示意图    串行通信是以二进制的位(bit)为单位的数据传输方式，每次只传送一位，除了地线外，在一个数据传输方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作为通信联络控制线，数据和联络信号在这根线上按位进行传送。串行通信需要的信号线少，最少的只需要两三根线，适用于距离较远的场合。计算机和PLC都备有通用的串行通信接口，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之间的数据通信。    在串行通信中，传输速率常用比特率（每秒传送的二进制位数）来表示，其单位是比特／秒( bit/s)或bps。传输速率是评价通信速度的重要指标。常用的标准传输速率有300bit/s、600bit/s、1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s和19200bit/s等。不同的串行通信的传输速率差别极大，有的只有数百bit/s，有的可达100Mbit/s。    (2)单工通信与双工通信    串行通信按传输方向，可分为单工、半双工和全双工三种，如图7-4所示。
    图7-4    串行传输示意图   a)单工b）半双工c）全双工    单工通信方式只能沿单一方向发送或接收数据。双工通信方式的信息可沿两个方向传送，一个站既发送数据，也接收数据。    双工方式又分为全双工和半双工两种方式。数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传送，通信的双方都能在同一时刻接收和发送信息，这种传送方式称为全双工方式；用同一根线或同一组线接收和发送数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，这种传送方式称为半双工方式。在PLC通信中常采用半双工和全双工通信。    (3)异步通信与同步通信   串行通信中发送设备与接收设备间要同步，否则会导致通信失败。它可分为同步和异步两种。    在串行通信中，通信的速率与时钟脉冲有关，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，如果不采取一定的措施，在连续传送大量的信息时，将会因积累误差造成错位，使接收方收到错误的信息。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。    异步通信的信息格式如图7-5所示，发送的数据字符由一个起始位、7-8个数据位、1个奇偶校验位（可以没有）和停止位（1位、1.5位或2位）组成。通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率做相同的约定。接收方检测至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误差积累而导致错位。异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，一般用于低速通信，PLC一般使用异步通信。
    图7-5    异步通信的信息格式    同步通信以字节为单位（一个字节由8位二进制数组成），每次传送一两个同步字符、若干个数据字节和校验字符。同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。在同步通信中，发送方和接收方要保持完全的同步，这意味着发送方和接收方应使用同一时钟脉冲。在近距离通信时，可以在传输线中设置一根时钟信号线。在远距离通信时，可以在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方完全相同的接收时钟信号。由于同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、停止位和奇偶校验位，只需要在数据块（往往很长）之前加一两个同步字符，所以传输效率高，但是对硬件的要求较高，一般用于高速通信。    (4)基带传输与频带传输    基带传输是按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。基带传输不需要调制解调，设备花费少，适用于较小范围的数据传输。基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，常用数据编码方法有非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码等。后两种编码因具有不含直流分量、包含时钟脉冲、便于双方自同步的特点，所以应用广泛。    频带传输是一种采用调制解调技术的传输形式。发送端通过调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制1和0变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为1或0。常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即Modem。频带传输较复杂，传送距离较远，若通过市话系统配备Modem，则传送距离可不受限制。    PLC通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。