嵌入式~PLC-专辑3

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一、 PLC网络的几种常用通讯方式

1．周期I/O通信方式

　　周期I/O通信方式常用于PLC的远程I/O链路中。远程I/O链路按主从方式工作，PLC远程I/O主单元为主站，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，划分为几个分箱与每个从站—一对应，每个分箱再分为两格，一格管发送，一格管接收。主站中通信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给从站，从从站中读取数据放入与其对应的分箱的接收分格中。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PLC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。PLC的CPU单元对用户程序的周期性循环扫描，与PLC通信处理器对各远程I/O单元的周期性扫描是异步进行的。尽管PLC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，PLC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。这种通信方式简单、方便，但要占用PLC的I/O区，因此只适用于少量数据的通信。

2．全局I/O通信方式

　　全局I/O通信方式是一种串行共享存储区的通信方式，它主要用于带有链接区的PLC之间的通信。

全局I/O方式的通信原理如上图所示。在PLC网络的每台PLC的I/O区中各划出一块来作为链接区，每个链接区都采用邮箱结构。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。PLC1把1＃发送区的数据在PLC网络上广播，PLC2、PLC3收听到后把它接收下来存入各自的1＃接收区中。PLC2把2＃发送区数据在PLC网上广播，PLC1、PLC3把它接收下来存入各自的2＃接收区中。PLC3把3＃发送区数据在PLC网上广播，PLC1、PLC2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，PLC1、PLC2、PLC3的各链接区中数据是相同的，这个过程称为等值化过程。通过等值化通信使得PLC网络中的每台PLC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PLC送来的数据。由于每台PLC的链接区大小一样，占用的地址段相同，每台PLC只要访问自己的链接区，就等于访问了其它PLC的链接区，也就相当于与其它PLC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PLC交换数据的中介。

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PLC中用户程序无关，由各PLC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。

　　全局I/O通信方式中，PLC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PLC中对某地址的写操作在其它PLC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PLC的I/O区，因而只适用于少量数据的通信。

3．主从总线通信方式

主从总线通信方式又称为1：N通信方式，是指在总线结构的PLC子网上有N个站，其中只有1个主站，其它皆是从站。

1：N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。

对于实时性要求比较高的站，可以在轮殉表中让其从机号多出现几次，赋予该站较高的通信优先权。在有些1：N通信中把轮询表法与中断法结合使用，紧急任务可以打断正常的周期轮询，获得优先权。

1：N通信方式中当从站获得总线使用权后有两种数据传送方式。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之间的通信。

4．令牌总线通信方式

令牌总线通信方式又称为N：N通信方式是指在总线结构的PLC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个站都是主站。

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。

取得令牌的站有两种数据传送方式，即无应答数据传送方式和有应答数据传送方式。采用无应答数据传送方式时，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；而采用有应答数据传送方式时，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。后者比前者的响应时间明显增长，实时性下降。

5．浮动主站通信方式

浮动主站通信方式又称N：M通信方式，适用于总线结构的PLC网络，是指在总线上有M个站，其中N（N＜M＝个为主站，其余为从站。

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，可按轮询表上排列的其它主站号及从站号进行轮询。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通信，其中以无应答无连接方式速度最快。

6．CSMA/CD通信方式

CSMA/CD通信方式是一种随机通信方式，适用于总线结构的PLC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，即“先听后讲，边讲边听”。

CSMA/CD存取控制方式不能保证在一定时间周期内，PLC网络上每个站都可获得总线使用权，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PLC网络中CSMA/CD通信法适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，可按对通信速度及可靠性的要求进行选择。

以上是PLC网络中常用的通信方式，此外还有少量的PLC网络采用其它通信方式，如令牌环的通信方式等。另外，在一些PLC网络中，常常把多种通信方式集成配置在某一级子网上，这都是今后技术发展的趋势。

PLC的MODBUS通信实例

一)MODBUS简介

MODBUS是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。当现代的控制领域持续不断的产生和应用诸如现场总线和网状网络等先进概念的时候，MODBUS的简单性以及它的便于在许多通讯媒介上实施应用的特点一直使它受到最广泛的支持，并且成为全球应用最广泛的工业协议。通过此协议，控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信，此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC、DCS、变频器、智能仪表等都在使用MODBUS协议作为他们之间的通讯标准，它可应用于各种数据采集和过程监控。

PLC网络是由几级子网复合而成，各级子网的通信过程是由通信协议决定的，而通信方式是通信协议最核心的内容。通信方式包括存取控制方式和数据传送方式。所谓存取控制（也称访问控制）方式是指如何获得共享通信介质使用权的问题，而数据传送方式是指一个站取得了通信介质使用权后如何传送数据的问题。

二)MODBUS协议库

1、使用MOBUS协议的部分要求

A、初始化MODBUS从站协议占用Port0 作为MODBUS从站协议通信，MODBUS从站协议只支持端口0通信，所以选择奥越信的双通信的CPU，可以把Port1作为编程通信口，以便于调试；如果只有单通信口的话，可把CPU打到STOP模式在编程。

B、MODBUS从站协议指令的变量要求799字节的V区域，该区域的起始地址由用户指定，保留给MODBUS使用，程序中不可以使用库存储区占用的地址。

C、可参照S7-200编程手册中了解MODBUS指令的设置与编写。

2、MODBUS协议允许在各种网络体系结构内进行简单通信。如图所示：

A、每种设备（PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用MODBUS协议来启动远程操作。

B、在基于串行链路和以太网络的MODBUS上可以进行相同通信。

C、一些网关允许在几种使用MODBUS协议的总线或网络之间进行通信。

三)MODBUS编程实例

1、要求：2个CPU进行通信连接，主站每秒QW0输出加1，主站通过MODBUS通信方式将其输出点的数值与从站同步。

2、硬件根据要求，选取了奥越信的CPU224C与CPU224D，两款都带有双通信口，功能也强大，编程测试时比较方便。

3、程序中先对两个CPU的通讯口做了定义及设置，成功通信之后两个CPU的输出点通过MODBUS将会同步输出主从站程序如下图所示：

四)通信实例总结

根据上述实例我们在做MODBUS通信时，首先要清楚主从站及对应的设备进行设置，保证地址、波特率等等要按要求设置好，选型时尽量考虑多通信口的CPU，这样对编程及调试使用会方便一点，如上诉例子中奥越信的214系列的CPU都是双通讯口的。硬件选好之后，要想好思路，一步一步的写，最终完成MODBUS的通信。

二、西门子1200与300 的九大区别

S7-1200作为新推出的紧凑型控制器，其产品定位在原有的SIMATIC S7-200和S7-300之间，它与S7-300的区别主要体现在硬件、通信、工程、存储器、功能块、计数器、定时器、工艺功能等方面。

一)、硬件的区别

在硬件扩展方面，S7-300的主机架多支持八个扩展模块，而S7-1200支持扩展多八个信号模块和多三个通信模块。以S7-300 CPU313C和S7-1200 CPU1214C为例，S7-1200的CPU支持通过信号板来增加IO点数，而S7-300CPU的IO点数是固定的。在硬件组态方面，S7-300和S7-1200的地址都可以由用户手动进行重新分配。

▲硬件的区别

二)、通信方面的区别

串行通信方面，S7-300和S7-1200都支持通过RS232和RS485实现点对点通信，支持ASCII、USS和MODBUS等通信协议。S7-300需要选用带PTP接口的CPU或者CP模块，实现RS232的串口通信。而S7-1200则是通过RS232通讯模块来实现串口通信。S7-1200本机集成了PROFINET接口，支持与编程设备、HMI以及其他CPU之间的通信。

▲通信的区别

三)、工程方面

S7-1200的编程软件STEP7 Basic提供了一个易用集成的工程框架，可用于SIMATIC S7-1200和精减HMI面板的组态。

▲工程框架

四)、存储方面的区别

S7-300和S7-1200的程序存储器和数据存储器的大小都是浮动的。S7-1200 CPU的符号表和注释可以保存在CPU中，可在线获取。在S7-1200中利用符号化存取，可以zui优化分配数据块所占的存储区。在保持存储区方面，S7-1200多可以设置2048个字节的保持区，可以对数据块中的离散变量设置保持性。而S7-300是以字节为单位进行保持性设置的。在存储容量方面，S7-1200的存储卡大可到24兆字节，对于S7-1200存储卡是可选项，而S7-300的存储卡是必选的。S7-300的存储卡无法存放配方和数据记录等。另外S7-1200的存储卡还将用来实现存储区扩展，程序分配及固件升级等功能。

▲存储的区别

五)、程序结构的不同

S7-1200和S7-300一样，有OB块、FB块、FC块及数据块等，程序结构高度模块化，并且可以重复利用，大嵌套深度为16。S7-1200和S7-300类似，都是通过组织块来分配事件的。

六)、数据类型的不同

S7-1200中的新数据类型使应用更加灵活。例如用于日期和时间时，S7-300通过调用系统功能块SFC读取日期时间数据，而S7-1200可以通过符号名访问DTL结构的所有组成部分。

▲数据类型的区别

七)、计数器指令的区别

S7-300中的计数器在计数值大于零时，计数器输出置位，而S7-1200中的计数器，在计数值大于等于设定值时，输出置位。S7-300 S5计数器的计数范围是0到999，而S7-1200的计数范围是可调的。

▲计数器指令的区别

八、定时器指令的区别

S7-300中的定时器在计时值大于设定值时，定时器输出置位，而S7-1200的定时器在计时值大于等于设定值时输出置位。另外S7-1200的定时时间可以像S7-300一样直接输入。

▲定时器指令的区别

九、工艺功能

S7-1200和S7-300类似，都是通过调用相应的块来实现不同的工艺功能。

▲工艺功能

三、西门子PLCModbusRTU通讯和轮询

Modbus是PLC应用中常用的通讯手段，轮询是在进行一个控制器连接多个从站的通讯时常用的编程手段，由于ST语言在数据处理上的优势，此方法变得更为简单。下面以西门子S7 1214C PLC的ModbusRTU通讯为例，展现ST语言下的modbus通讯和轮询。

硬件连接

要准备的硬件和软件：

1.西门子PLC 1214C；

2.通讯板CB1241；

3.USB转RS485转换器；

4.Modscan2/Modsim32电脑模拟软件模拟主/从站，

5.SPU(serial port Utility)，监视通讯报文。

PLC作为主站，使用软件Modsim32模拟从站，使用两芯线（最好是带屏蔽双绞线）进行连接：

将通讯板的AB两端与转换器的AB两端进行连接，要注意AB两端区分正负极，反接不会烧坏设备，但是无法正常通讯。

编写程序

1.设备组态

在博图软件中配置西门子PLC和通讯板。modbus通讯需要设置波特率、数据位、停止位和校验位等通讯参数，在博图中的设备组态中设置此参数，主从站设置一致即可通讯。

通讯参数

设置波特率9600,数据位8位，停止位1位，无校验，在PLC离线模式下下载硬件组态。

下载组态信息

2.调用modbus功能块

西门子的通讯一般都需要调用系统功能块，在“指令”-“通信”-“通信处理器”下可以找到modbus通讯功能块：

通讯功能块

可以看到这里提供两套modbus通讯模块，这两套都可以使用（暂不清楚具体的区别），本文选用的是下面的版本较低的模块。

新建程序段，将配置模块MB_COMM_LOAD和主站模块MB_MASTER拖入程序中：

调用功能块

功能块调用后要对必要的引脚进行赋值，各个引脚的功能可以按F1查看，建立一个DB数据块，声明一些变量连接功能块的引脚：

声明变量

上面声明了两个容量为5的字数组，用于数据的发送和接受，这个容量可以根据需求任意设置。然后将这写变量写入模块引脚：

模块赋值

配置模块MB_COMM_LOAD的触发REQ只需要在连接时触发一次啊，因此直接将系统内置的变量“firstscan”写入即可，上电后执行一次。

由于通讯的读和写都由主站模块MB_MASTER完成，因此我们对这个模块进行两次赋值，第一次实现读的功能，由modbus地址40100开始，读5个数据，写入"ModbusData".Read_Data中；第二次实现写的功能，将"ModbusData".Sent_Data中的数据写入由modbus地址40110开始的5个数据中。

程序写到这里已经可以进行通讯了，如果想要在线实验一下，可以将变量写入监控表，手动触发读写触发引脚变量，观察模块的输出状态，这里就不演示了。

3.编写轮询程序

所谓轮询就是依次询问，假设我们有3个设备作为modbus从站，从站地址（站号）依次为1,2,3，使用case语句依次对这3个设备进行读写操作，而读出和写入的数据分别存入3套不同的变量当中。建立设备变量

使用一个结构体来描述一个设备的所有信息，包括5个状态字（states:Array[0..4] of Word）和5个控制字（ctrl:Array[0..4] of Word），将结构体声明为数量为3的数组，存放3个设备的数据。

在整个循环开始前，设定起始设备地址，然后按照“读操作触发，读数据，读设备地址+1，延时，写数据，写操作触发，写设备地址+1，延时”的顺序持续循环，按照设备地址号选择上面的结构体变量：

读操作

iStep=0时，关闭读写触发，设定读写设备地址为1；

iStep=10时，读操作触发，模块发出读数据命令，模块置位busy信号；

iStep=11时，等待读操作完成，模块读到设备数据后会置位done信号，复位busy信号，根据信号状态将读到的数据（Read_Data）写入设备数据结构体（DeviceData.states)，如果设备地址=1，则写入DeviceData[1].states，设备地址变化，写入的结构体也会相应的变化，保证不同设备的数据不会互相干涉。这里加一个判断，一段时间读不到数据返回10步骤重新进行读操作。

iStep=12时，用计数的方式做一个简单的延时功能，避免因读写频率太快导致设备反应不过来。

写操作

向设备写入信息，在写入操作触发前要先将相应设备结构体中的数据（DeviceData.ctrl）写入发送数据缓存区（Sent_Data），然后再进行写操作，与读操作类似，写入完成后设备地址+1，跳转下一步骤。

运行程序

将程序编译写入后重启PLC，可以看到通讯板的指示灯已经开始闪烁，而轮询步骤iStep始终在10,11两步，证明读数据命令已经发出，但是没有接受到设备的反馈，始终在进行第一个设备的读操作。

虽然能够看到通讯灯在闪，但我们仍然不能直观的看到这个网络中的状态，这是就需要前面提到的SPU软件，监视串口网络中的报文。

监视报文

设定端口号，选择Hex数据格式，点击开始，可以看到当前网络中所有报文，根据modbus协议的规格（可以自行百度），可以判断这些报文就是plc发出的读命令。

想要读到数据必须要有从站，我们使用modsim软件模拟出3个从站：

modsim

将3个模拟从站地址分别设为1,2,3，起始modbus地址与程序设为一致：40100，长度设为20，这样读写地址都能看到。点击connection设定通讯参数（波特率，数据位，停止位，校验位与程序中设为一致）。点击确定后能后看到通讯板和转换器的接受发送指示灯开始闪烁，程序中的设备地址也在1-3中循环变化：

通讯指示灯

由于动图的帧率选的较低，会漏掉几个灯的状态。。。

变化的设备地址

监看程序中设备地址，能够看到地址在1-3之间循环变化。可惜的是modsim与SPU不能共用一个串口，看不到modsim反馈的报文了。

接下来我们在modsim中改变几个地址的值，看看PLC的设备数据结构体中能否进行相应的变化，将设备1的数据设定为：

40100设置为110，

40101设置为111，

40102设置为112，

40103设置为113，

40104设置为114，

设定数据

数据设定后在PLC的DB块中监视DeviceData的值：

读取数据

可以看到DeviceData[1].states的值已经变化（16进制），而DeviceData[2]和DeviceData[3]并没有变化。

下面进行写数据的验证，在程序中将DeviceData[2].ctrl任意赋值，然后再modsim中查看：

写入数据赋值

写入成功

可以看到modsim 3中相应地址的数据也已经变化，而其他模拟设备中并没有改变。

其他

在实际的项目中，例如变频器控制，通讯参数和数据地址一般都是设备(从站)规定好的，我们需要查阅设备手册，在程序中做相应的设置即可，通过通讯获取的数据可以有触摸屏显示出来，方便操作人员监控设备状态，也可以做一写判断，用于设备的报警等处理。

四、三菱PLC采用RS485控制变频器

需要的硬件：三菱FX3G型PLC，485通讯模块(FX3G-485BD), 变频器一台英威腾，触摸屏(MT6071IP)。

需要了解内容：PLC通信协议，发送指令，变频器通信参数设置。

接线

接线较为简单，将FX3G-485-BD模块插在PLC上，将SDB和RDB短接，SDA和RDA短接，在变频器上485+端子引出导线接到模块的SDA和RDA上，在变频器上485-端子引出导线接到模块的SDB和RDB上，采用RS485接口工作半双工,它的意思就是信号的读取和写入不能同时发送，发送的时候不能读取。

接线图

变频器参数设置

将变频器的运行指令和频率指令都改成MODBUS通信设定，在P00组上P00.01运行指令通道改为2：通讯运行指令通道(缺省值0)，P00.07B频率指令选择8：MODBUS通讯设定(缺省2)，P00.09设定源组合方式1:B,当前频率设定为B频率指令。

通讯参数的设置，在P14组，P14.00将变频器的站号设为1，P14.01波特率设为9600，P14.02数据位校验设为无校验(N, 7, 2)for ASCII。

PLC通讯参数的设定

PLC参数的设定有两种方法

1.在软件(GX-Works2)里设置:点击导航中的参数→PLC参数→PLC的系统设置

PLC系统参数设置

2.采用程序设定

梯形图参数设置

M8161=1,为8位运算，意思就是忽略高8位只传送数据的低8位，为什么这么做后面会说到。MOV HOC88 D8210是指定通讯格式，它是怎么算出来的，我们看下D8120内容：

D8120内容

D8210是一个16位的数据，根据设定的参数来算计算，比如上述程序的H0C88是怎么来的，看下通讯方式是，波特率9600，7位数据长度，无奇偶校验，停止位是2，控制线是无协议的调制解调器模式(RS485接口)：

通讯参数计算