PLC通訊簡(jiǎn)介

 二、通信方法的含義

網(wǎng)絡(luò)是由幾級(jí)子網(wǎng)復(fù)合而成，每級(jí)子網(wǎng)中都配置不同的協(xié)議，其中大部分是各公司的專用通信協(xié)議。

各級(jí)子網(wǎng)的通信過(guò)程是由通信協(xié)議決定的，從根本上講，要搞清楚某級(jí)子網(wǎng)的通信就必須徹底剖析它采用的通信協(xié)議，這個(gè)工作量很大，更何況大多數(shù)又都是各個(gè)公司的專用協(xié)議，繁瑣的協(xié)議規(guī)定常會(huì)掩蓋問(wèn)題的本質(zhì)，通常會(huì)遇到這樣的情況：兩個(gè)公司的兩種專用協(xié)議，從協(xié)議的規(guī)定、幀格式等表面現(xiàn)象看可能有明

網(wǎng)絡(luò)的各級(jí)子網(wǎng)無(wú)論采用總線結(jié)構(gòu)、還是環(huán)形結(jié)構(gòu)，他的通信介質(zhì)是共享資源。掛在共享介質(zhì)上的各站要想通信，首先要解決共享通信介質(zhì)使用權(quán)的分配問(wèn)題，這就是常說(shuō)的存取控制或稱訪問(wèn)控制。

一個(gè)站取得了通信介質(zhì)使用權(quán)，并不等用完成了通信過(guò)程，還有怎樣傳送數(shù)據(jù)的問(wèn)題，這就是常說(shuō)的數(shù)據(jù)傳送方式，比如說(shuō)采用的數(shù)據(jù)傳送方式是否先建立一種邏輯連接，然后再傳送？所采用的數(shù)據(jù)傳送方式發(fā)給對(duì)方的數(shù)據(jù)是否要對(duì)方應(yīng)答？發(fā)出去的數(shù)據(jù)是由一個(gè)站收，或者多個(gè)站收，還是全體接收？諸如此類就是所謂的數(shù)據(jù)傳送方式。

這里所謂的通信方法就是存取控制方式＋數(shù)據(jù)傳送方式。本來(lái)存取控制方式與數(shù)據(jù)傳送方式都是通信協(xié)議有關(guān)層次的內(nèi)容，這里專門把他們抽出來(lái)加以介紹。是因?yàn)橛盟鼈儊?lái)描述一種通信過(guò)程與人們意念上有關(guān)的概念非常接近。對(duì)于局域網(wǎng)來(lái)說(shuō)，存取控制方式與數(shù)據(jù)傳送方式是其通信協(xié)議最核心的內(nèi)容。

三、工業(yè)局域網(wǎng)實(shí)時(shí)性的含義

工業(yè)局域網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性是有要求的，各級(jí)子網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的的要求不同，通常越靠底層的子網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求越高，越靠近上層的子網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越低。

實(shí)時(shí)性通常采用響應(yīng)時(shí)間來(lái)定量描述。響應(yīng)時(shí)間是指某一系統(tǒng)對(duì)輸入作出響應(yīng)所需的時(shí)間，以ms、s、min，h為計(jì)量單位。響應(yīng)時(shí)間很短，就標(biāo)志著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性越好。

PLC網(wǎng)絡(luò)中，各站通過(guò)通信子網(wǎng)互聯(lián)在一起，當(dāng)某站對(duì)子網(wǎng)請(qǐng)求通信時(shí)，他對(duì)響應(yīng)是時(shí)間是有要求的，不同站對(duì)實(shí)時(shí)性的要求可能不同，同一站不同通信任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也可能不同。一項(xiàng)通信任務(wù)的實(shí)時(shí)性得到滿足是指其響應(yīng)時(shí)間小于規(guī)定的時(shí)限；一個(gè)站的實(shí)時(shí)性合乎要求是指該站提出的所有通信任務(wù)在指定的時(shí)限內(nèi)都能獲得響應(yīng)。整個(gè)通信子網(wǎng)的實(shí)時(shí)性符合要求是指分布在子網(wǎng)上每一個(gè)站的每項(xiàng)通信任務(wù)的實(shí)時(shí)性均得到保證。

要保證PLC網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性必須滿足下列三個(gè)時(shí)間約束條件：

1、必須限定每個(gè)站每次取得通信權(quán)的時(shí)間上限制，以防止某一站長(zhǎng)時(shí)間霸占子網(wǎng)而導(dǎo)致其他各站實(shí)時(shí)性惡化。

2、應(yīng)當(dāng)保證在某一固定的時(shí)間周期內(nèi)，通信子網(wǎng)上的每個(gè)站都有機(jī)會(huì)取得通信權(quán)，這將為每個(gè)站提供基本實(shí)時(shí)性。

3、對(duì)于重要的站可優(yōu)先服務(wù)，對(duì)某項(xiàng)緊急通信任務(wù)應(yīng)當(dāng)給予優(yōu)先處理，應(yīng)當(dāng)可以用靜態(tài)（固定）的方式賦予某站以較高的優(yōu)先權(quán)，應(yīng)當(dāng)可以用動(dòng)態(tài)（臨時(shí)）方式賦予某些緊急任務(wù)以較高的優(yōu)先權(quán)。

PLC網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性首先是由它所選用的存取控制方式來(lái)保證的。此外提高實(shí)時(shí)性還可以通過(guò)減少通信協(xié)議的層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般靠近底層的子網(wǎng)采用只包含3層通信協(xié)議的他塌縮結(jié)構(gòu)。這正是為了提高實(shí)時(shí)性。另外選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳送方式對(duì)于提高實(shí)時(shí)性有明顯的效果，發(fā)送數(shù)據(jù)要求對(duì)方答應(yīng)，比無(wú)應(yīng)答服務(wù)慢的多，要求連接又要有應(yīng)答的服務(wù)則更慢，而廣播式通信最快。當(dāng)然不能只考慮實(shí)時(shí)性，還要考慮可靠性。

四、周期I/O方式

可編程控制器的遠(yuǎn)程I/O鏈路就是一種PLC控制網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)程I/O鏈路中采用“周期I/O方式”交換數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程I/O鏈路按主從方式工作，可編程控制器帶的遠(yuǎn)程I/O主單元在遠(yuǎn)程I/O鏈路中擔(dān)任主站，其他遠(yuǎn)程I/O單元皆為從站。在主站中設(shè)立一個(gè)“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”，采用信箱結(jié)構(gòu)，劃分為n個(gè)分箱與每一個(gè)從站一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)分箱再分為兩格，一格管發(fā)送，一個(gè)管接收。主站中負(fù)責(zé)通信的處理器采用周期掃描方式，按順序與各從站交換數(shù)據(jù)，把與其對(duì)應(yīng)的分箱中發(fā)送分格的數(shù)據(jù)送給從站，從從站中讀取數(shù)據(jù)存入與其對(duì)應(yīng)的分箱的接收分格中，這樣周而復(fù)始，是主站中的“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”得到周期性的刷新。 在主站中PLC的CPU單元負(fù)責(zé)用戶程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進(jìn)行掃描處理，每個(gè)周期都有一段集中進(jìn)行I/O處理，這時(shí)它對(duì)本地I/O單元及遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。PLC的CPU單元對(duì)用戶程序的周期性循環(huán)掃描，與PLC負(fù)責(zé)通信的處理器對(duì)各遠(yuǎn)程I/O單元的周期性掃描是異步進(jìn)行的。

盡管PLC的CPU單元沒(méi)有直接對(duì)遠(yuǎn)程I/O單元進(jìn)行操作，但是由于遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)獲得周期性刷新，PLC的CPU單元對(duì)遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)的讀寫(xiě)操作，就相當(dāng)于直接訪問(wèn)了遠(yuǎn)程I/O單元。

主站中負(fù)責(zé)通信的處理器采用周期掃描方式與各從站交換數(shù)據(jù)，使主站中“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”得到周期性刷新，這樣一種通信方式既涉及到周期又涉及到I/O，因而被稱為“周期I/O方式”，這種通信方式要占用PLC的I/O區(qū)，因
此只適用于少量

五、全局I/O方式

全局I/O方式是一種串行共享存儲(chǔ)區(qū)通信方式主要用于帶有鏈接區(qū)的PLC之間的通信。

全局I/O方式的通信原理如圖1所示。在PLC網(wǎng)絡(luò)的每臺(tái)PLC的I/O區(qū)中各劃出一塊來(lái)作為鏈接區(qū)，每一個(gè)鏈接區(qū)采用如圖1所示的郵箱結(jié)構(gòu)。相同編號(hào)的發(fā)送區(qū)與接收區(qū)大小相同，占用相同的地址段，一個(gè)為發(fā)送區(qū)，其它皆為接收區(qū)。采用廣播方式通信。PLC1把1發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)絡(luò)上廣播，PLC2,PLC3接收到后把它接收下來(lái)存入各自的1接收區(qū)中，PLC2把2#發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)絡(luò)上廣播，PLC1,PLC3接收到后把它接收下來(lái)存入各自的2#接收區(qū)中， PLC3把3#發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)上廣播，PLC1,PLC2把它接收下來(lái)存入各自的3#接收區(qū)中。顯然通過(guò)上述廣播通信過(guò)程， PLC1， PLC2， PLC3的各鏈接區(qū)中數(shù)據(jù)是相同的，這個(gè)過(guò)程稱為等值變化過(guò)程，通過(guò)等值化通信使得PLC網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)PLC鏈接區(qū)中的數(shù)據(jù)保持一致。它既包含著自己送出去的數(shù)據(jù)，也包含著其它PLC送來(lái)的數(shù)據(jù)。由于每臺(tái)PLC鏈接區(qū)大小一樣，占用的地址段相同，每臺(tái)PLC只要訪問(wèn)自己的鏈接區(qū)，就等于訪問(wèn)了其它PLC的鏈接區(qū)，也就相當(dāng)與其他PLC交換了數(shù)據(jù)。這樣鏈接區(qū)就變成了名副其實(shí)的共享存儲(chǔ)，共享區(qū)成為各PLC交換數(shù)據(jù)的中介。
 
當(dāng)然這里的共享存儲(chǔ)區(qū)與并行總線的共享存儲(chǔ)區(qū)在結(jié)構(gòu)上有些差別，它把物理上分布在各站的鏈接區(qū)，通過(guò)等值化通信使其好像重疊在一起，在邏輯上變成一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，大小與一個(gè)鏈接區(qū)一樣，這種共享存儲(chǔ)區(qū)稱為串行共享存儲(chǔ)區(qū)。

鏈接區(qū)可以采用異步方式刷新（等值化），也可以采用同步方式刷新。異步方式刷新與PLC中用戶程序無(wú)關(guān)，由各PLC所帶的通信處理器按順序進(jìn)行廣播通信，周而復(fù)始，使其所有鏈接區(qū)保持等值化，同步方式刷新是由用戶程序中對(duì)鏈接區(qū)的發(fā)送指令啟動(dòng)一次刷新，這種方式只有當(dāng)鏈接區(qū)的發(fā)送數(shù)據(jù)變化時(shí)才刷新（等值化），這樣事半功倍。

全局I/O方式中的鏈接區(qū)是從PLC的I/O區(qū)劃分出來(lái)的，經(jīng)過(guò)等值化通信變成所有PLC共享（全局共享）,因此稱為 “全局I/O方式”。這種方式下PLC直接用讀寫(xiě)指令對(duì)鏈接區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，簡(jiǎn)單、方便、快速，但應(yīng)注意在一臺(tái)PLC中對(duì)某地址的寫(xiě)操作在其他PLC中對(duì)同一地址只能進(jìn)行讀操作。與周期I/O方式一樣，全局I/O方式也要占用PLC的I/O區(qū)，因而這適用于少量數(shù)據(jù)的通信。

六、主從總線1:N通信方式

主從總線通信方式又稱為1:N通信方式，這是在PLC通信網(wǎng)絡(luò)上采用的一種通信方式。在總線結(jié)構(gòu)的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，其中只有一個(gè)主站，其他皆是從站，也就是因?yàn)檫@個(gè)原因主從總線通信方式又稱為1:N通信方式。

主從總線通信方式采用集中式存取控制技術(shù)分配總線使用權(quán)，通常采用輪詢表法，所謂輪詢表是一張從機(jī)號(hào)排列順序表，該表配置在主站中，主站按照輪詢表的排列順序?qū)恼具M(jìn)行詢問(wèn)，看它是否使用總線，從而達(dá)到分配總線使用權(quán)的目的。

為了保證實(shí)時(shí)性，要求輪詢表包含每個(gè)從站號(hào)不能少于一次，這樣在周期輪詢時(shí)，每個(gè)從站在一個(gè)周期中至少有一次機(jī)會(huì)取得總線使用權(quán)，從而保證了每個(gè)站的基本實(shí)時(shí)性，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的站，可以在輪詢表中讓其從機(jī)號(hào)多現(xiàn)幾次，這樣就用靜態(tài)的方式，賦予該站較高的通信優(yōu)先權(quán)。在有些主從總線中輪詢表法與中斷法結(jié)合使用，讓緊急任務(wù)可以打斷正常的周期輪詢而插入，獲得優(yōu)先服務(wù)，這就是用動(dòng)態(tài)賦予某項(xiàng)緊急任務(wù)以較高優(yōu)先權(quán)。 存取控制只解決了誰(shuí)使用總線的問(wèn)題，獲得總線的從站還有如何使用總線的問(wèn)題，即采用什么樣的數(shù)據(jù)傳送方式。主從總線通信方式中有兩種基本的數(shù)據(jù)傳送方式，一種是只允許主從通信，不允許從從通信，從站與從站要交換數(shù)據(jù)，必須經(jīng)主站中轉(zhuǎn)。另一種是既允許主從通信也允許從從通信，從站獲得總線使用權(quán)后安排主從通信，再安排自己與其他從站（即從從）之間的通信。

六、令牌總線N:N通信方式

令牌總線通信方式又稱為N:N通信方式。在總線結(jié)構(gòu)上的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，它們地位平等沒(méi)有主站與從站之分，也可以說(shuō)N個(gè)站都是主站，所以稱之為N:N通信方式。

N:N通信方式采用令牌總線存取控制技術(shù)。在物理總線上組成一個(gè)邏輯環(huán)，讓一個(gè)令牌在邏輯環(huán)中按一定方向依次流動(dòng)，獲得令牌的站就取得了總線使用權(quán)，令牌總線存取控制方式限定每個(gè)站的令牌有時(shí)間，保證在令牌循環(huán)一周時(shí)每個(gè)站都有機(jī)會(huì)獲得總線使用權(quán)，并提供優(yōu)先級(jí)服務(wù)，因此令牌總線存取控制方式具有較好的實(shí)時(shí)性。

取得令牌的站采用什么樣的數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)方式對(duì)實(shí)時(shí)性影響非常明顯。如果采用無(wú)?應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式，取得令牌的站可以立即向目的站發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束，通信過(guò)程也就完成了。如果采用有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式，取得令牌的站向目的站發(fā)送完數(shù)據(jù)后并不算通信完成，必須等目的站獲得令牌并把答應(yīng)幀發(fā)給發(fā)送站后，整個(gè)通信過(guò)程結(jié)束。這樣一來(lái)響應(yīng)明顯增長(zhǎng)，而使實(shí)時(shí)性下降。有些令牌總線型PLC網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送方式固定為一種，有些則可由用戶選擇。

七、浮動(dòng)主站N:M通信方式

浮動(dòng)主動(dòng)通信方式又稱N：M通信方式，它適用與總線結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)。設(shè)在總線上有M個(gè)站，其中N個(gè)為主站，其余為從站（N<M），故稱之為N：M通信方式。

N：M通信方式采用令牌總線與主從總線相結(jié)合的存取控制技術(shù)。首先把N個(gè)主站組成邏輯環(huán)，通過(guò)令牌在邏輯環(huán)中依次流動(dòng)，在N 個(gè)主站之間分配總線使用權(quán)，這就是浮動(dòng)主站的含義。獲得總線使用權(quán)的主站再按照主從方式來(lái)確定再自己的令牌持有時(shí)間內(nèi)與哪些站通信。一般在主站中配置有一張輪詢表，可按輪詢表上排列的其它主站號(hào)及從站號(hào)進(jìn)行輪詢，獲得令牌的主站對(duì)于用戶隨機(jī)提出的通信任務(wù)可按優(yōu)先級(jí)安排在輪詢之前或之后進(jìn)行。

獲得總線使用的主站可以采用多種數(shù)據(jù)傳送方式與目的站通信，其中以無(wú)應(yīng)答無(wú)連接方式速度最快。

八、CSMA/CD

CSMA/CD（carrier－sense multiple access with collision detection）通信方式是一種隨機(jī)通信方式，適用于總線結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)，總線上各站地位平等，沒(méi)有主從之分。采用CSMA/CD存取控制方式，該控制方式用通俗的語(yǔ)言描述為“先聽(tīng)后講，邊講邊聽(tīng)”。所謂先聽(tīng)后講是指要求使用總線的各站，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須先監(jiān)聽(tīng)，看看總線是否空閑，認(rèn)總線空閑后再向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。“先聽(tīng)后講”并不能完全避免沖突，如果仍發(fā)生了沖突，則不能等到差錯(cuò)校驗(yàn)時(shí)再發(fā)現(xiàn)，這樣對(duì)通信資源浪費(fèi)太嚴(yán)重，而要采用“邊講邊聽(tīng)”。發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一邊發(fā)送，一邊監(jiān)聽(tīng)，若發(fā)現(xiàn)沖突，立即停止發(fā)送，并發(fā)出阻塞音，通知網(wǎng)上的其它站發(fā)生了沖突，然后沖突雙方采用取隨機(jī)數(shù)代入指數(shù)函數(shù)的退避算法來(lái)決定重新上網(wǎng)時(shí)間，解決沖突。

CSMA/CD存取控制方式不能保證在一定時(shí)間周期內(nèi)，PLC網(wǎng)上每個(gè)站都可獲得總線使用權(quán)，也不能用靜態(tài)方式賦予某些站以較高優(yōu)先權(quán)，不能用動(dòng)態(tài)方式賦予某些緊急通信任務(wù)以較高優(yōu)先權(quán)，因此這是一種不能保證實(shí)時(shí)性的存取控制方式，但是它采用隨機(jī)方式，方法本身簡(jiǎn)單，而且見(jiàn)縫插針，只要總線空閑就搶著上網(wǎng)，通信資源利用率高，因而在PLC網(wǎng)絡(luò)中CSMA/CD通信法適合用于上層生產(chǎn)管理子網(wǎng)。

CSMA/CD通信方式的數(shù)據(jù)傳送方式可以選用有連接、無(wú)連接、有應(yīng)答、無(wú)應(yīng)答及廣播通信中的每一種，這可按對(duì)通信速度及可靠性的要求取舍。

九、令牌環(huán)通信方式

有少量的PLC網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其存取控制采用令牌法，具有較好的實(shí)時(shí)性。圖1表示了令牌工作過(guò)程及其幀結(jié)構(gòu)。
 

                                  （a）令牌環(huán)
 

　　　　　　　　　　　?。╞）幀結(jié)構(gòu)
圖1 令牌環(huán)通信方式在圖1（a）中，令牌在物理環(huán)中按箭頭指向，一站接一站的傳送，獲得令牌的站才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)B站要向D站發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)令牌傳送到B站時(shí),B站把令
牌變?yōu)闀和ＷC，然后把待發(fā)送數(shù)據(jù)按圖1（b）表示的格式加在暫停證后面從B站發(fā)送出去，最后再加上令牌一起發(fā)往C站。此幀信息經(jīng)C站中轉(zhuǎn)后到達(dá)D站，D站把自己的本站地址與幀格式中目的地址相比較，發(fā)現(xiàn)兩者相同，表明此幀信息事發(fā)給D站的，然后對(duì)此幀信息作差錯(cuò)校驗(yàn)，并把校驗(yàn)結(jié)果以肯定應(yīng)答或否定應(yīng)答填在ACK段中。同時(shí)把此幀信息復(fù)制下來(lái)，再把帶有應(yīng)答的幀繼續(xù)向下傳送，經(jīng)A

在圖1（b）的幀格式的最后為一令牌，因而當(dāng)某站獲得此令牌后也同樣可以發(fā)送數(shù)據(jù)，把此令牌變?yōu)闀和ＷC，后面帶上發(fā)送的幀最后再加上令牌，這時(shí)的幀格式就變成兩個(gè)暫停證、兩幀，再加令牌，其傳送過(guò)程與一幀相似，這里不再重復(fù)，從上述過(guò)程可見(jiàn)，令牌環(huán)通信方式采用的是有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式。