當(dāng)任意兩臺(tái)設(shè)備之間有信息交換時(shí)，它們之間就產(chǎn)生了通信。plc通信是指plc與plc、plc與計(jì)算機(jī)、plc與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或遠(yuǎn)程i/o之間的信息交換。
plc通信的任務(wù)就是將地理位置不同的plc、計(jì)算機(jī)、各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等，通過(guò)通信介質(zhì)連接起來(lái)，按照規(guī)定的通信協(xié)議，以某種特定的通信方式高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理。本節(jié)就通信方式、通信介質(zhì)、通信協(xié)議及常用的通信接口等內(nèi)容加以介紹。
一、通信方式
1．并行通信與串行通信
數(shù)據(jù)通信主要有并行通信和串行通信兩種方式。
并行通信是以字節(jié)或字為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，除了8根或16根數(shù)據(jù)線、一根公共線外，還需要數(shù)據(jù)通信聯(lián)絡(luò)用的控制線。并行通信的傳送速度快，但是傳輸線的根數(shù)多，成本高，一般用于近距離的數(shù)據(jù)傳送。并行通信一般用于plc的內(nèi)部，如plc內(nèi)部元件之間、plc主機(jī)與擴(kuò)展模塊之間或近距離智能模塊之間的數(shù)據(jù)通信。
串行通信是以二進(jìn)制的位（bit）為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，每次只傳送一位，除了地線外，在一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向上只需要一根數(shù)據(jù)線，這根線既作為數(shù)據(jù)線又作為通信聯(lián)絡(luò)控制線，數(shù)據(jù)和聯(lián)絡(luò)信號(hào)在這根線上按位進(jìn)行傳送。串行通信需要的信號(hào)線少，最少的只需要兩三根線，適用于距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。計(jì)算機(jī)和plc都備有通用的串行通信接口，工業(yè)控制中一般使用串行通信。串行通信多用于plc與計(jì)算機(jī)之間、多臺(tái)plc之間的數(shù)據(jù)通信。
在串行通信中，傳輸速率常用比特率（每秒傳送的二進(jìn)制位數(shù)）來(lái)表示，其單位是比特/秒（bit/s）或bps。傳輸速率是評(píng)價(jià)通信速度的重要指標(biāo)。常用的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率有300、600、1200、2400、4800、9600和19200bps等。不同的串行通信的傳輸速率差別極大，有的只有數(shù)百bps，有的可達(dá)100mbps。
2．單工通信與雙工通信
串行通信按信息在設(shè)備間的傳送方向又分為單工、雙工兩種方式。
單工通信方式只能沿單一方向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。雙工通信方式的信息可沿兩個(gè)方向傳送，每一個(gè)站既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)。
雙工方式又分為全雙工和半雙工兩種方式。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由兩根或兩組不同的數(shù)據(jù)線傳送，通信的雙方都能在同一時(shí)刻接收和發(fā)送信息，這種傳送方式稱(chēng)為全雙工方式；用同一根線或同一組線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通信的雙方在同一時(shí)刻只能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)，這種傳送方式稱(chēng)為半雙工方式。在plc通信中常采用半雙工和全雙工通信。
3．異步通信與同步通信
在串行通信中，通信的速率與時(shí)鐘脈沖有關(guān)，接收方和發(fā)送方的傳送速率應(yīng)相同，但是實(shí)際的發(fā)送速率與接收速率之間總是有一些微小的差別，如果不采取一定的措施，在連續(xù)傳送大量的信息時(shí)，將會(huì)因積累誤差造成錯(cuò)位，使接收方收到錯(cuò)誤的信息。為了解決這一問(wèn)題，需要使發(fā)送和接收同步。按同步方式的不同，可將串行通信分為異步通信和同步通信。
異步通信的信息格式如圖1所示，發(fā)送的數(shù)據(jù)字符由一個(gè)起始位、7~8個(gè)數(shù)據(jù)位、l個(gè)奇偶校驗(yàn)位（可以沒(méi)有）和停止位（1位、1.5或2位）組成。通信雙方需要對(duì)所采用的信息格式和數(shù)據(jù)的傳輸速率作相同的約定。接收方檢測(cè)到停止位和起始位之間的下降沿后，將它作為接收的起始點(diǎn)，在每一位的中點(diǎn)接收信息。由于一個(gè)字符中包含的位數(shù)不多，即使發(fā)送方和接收方的收發(fā)頻率略有不同，也不會(huì)因兩臺(tái)機(jī)器之間的時(shí)鐘周期的誤差積累而導(dǎo)致錯(cuò)位。異步通信傳送附加的非有效信息較多，它的傳輸效率較低，一般用于低速通信，plc一般使用異步通信。
圖1 異步通信的信息格式
同步通信以字節(jié)為單位（一個(gè)字節(jié)由8位二進(jìn)制數(shù)組成），每次傳送l~2個(gè)同步字符、若干個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗(yàn)字符。同步字符起聯(lián)絡(luò)作用，用它來(lái)通知接收方開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。在同步通信中，發(fā)送方和接收方要保持完全的同步，這意味著發(fā)送方和接收方應(yīng)使用同一時(shí)鐘脈沖。在近距離通信時(shí)，可以在傳輸線中設(shè)置一根時(shí)鐘信號(hào)線。在遠(yuǎn)距離通信時(shí)，可以在數(shù)據(jù)流中提取出同步信號(hào)，使接收方得到與發(fā)送方完全相同的接收時(shí)鐘信號(hào)。由于同步通信方式不需要在每個(gè)數(shù)據(jù)字符中加起始位、停止位和奇偶校驗(yàn)位，只需要在數(shù)據(jù)塊（往往很長(zhǎng)）之前加一兩個(gè)同步字符，所以傳輸效率高，但是對(duì)硬件的要求較高，一般用于高速通信。
4. 基帶傳輸與頻帶傳輸
基帶傳輸是按照數(shù)字信號(hào)原有的波形（以脈沖形式）在信道上直接傳輸，它要求信道具有較寬的通頻帶?；鶐鬏敳恍枰{(diào)制解調(diào)，設(shè)備花費(fèi)少，適用于較小范圍的數(shù)據(jù)傳輸。基帶傳輸時(shí)，通常對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一定的編碼，常用數(shù)據(jù)編碼方法有非歸零碼nrz、曼徹斯特編碼和差動(dòng)曼徹斯特編碼等。后兩種編碼不含直流分量、包含時(shí)鐘脈沖、便于雙方自同步，所以應(yīng)用廣泛。
頻帶傳輸是一種采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)的傳輸形式。發(fā)送端采用調(diào)制手段，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種變換，將代表數(shù)據(jù)的二進(jìn)制“1”和“0”，變換成具有一定頻帶范圍的模擬信號(hào)，以適應(yīng)在模擬信道上傳輸；接收端通過(guò)解調(diào)手段進(jìn)行相反變換，把模擬的調(diào)制信號(hào)復(fù)原為“1”或“0”。常用的調(diào)制方法有頻率調(diào)制、振幅調(diào)制和相位調(diào)制。具有調(diào)制、解調(diào)功能的裝置稱(chēng)為調(diào)制解調(diào)器，即modem。頻帶傳輸較復(fù)雜，傳送距離較遠(yuǎn)，若通過(guò)市話系統(tǒng)配備modem，則傳送距離可不受限制。
plc通信中，基帶傳輸和頻帶傳輸兩種傳輸形式都有采用，但多采用基帶傳輸。
二、通信介質(zhì)
通信介質(zhì)就是在通信系統(tǒng)中位于發(fā)送端與接收端之間的物理通路。通信介質(zhì)一般可分為導(dǎo)向性和非導(dǎo)向性介質(zhì)兩種。導(dǎo)向性介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜和光纖等，這種介質(zhì)將引導(dǎo)信號(hào)的傳播方向；非導(dǎo)向性介質(zhì)一般通過(guò)空氣傳播信號(hào)，它不為信號(hào)引導(dǎo)傳播方向，如短波、微波和紅外線通信等。
以下僅簡(jiǎn)單介紹幾種常用的導(dǎo)向性通信介質(zhì)。
1．雙絞線
雙絞線是一種廉價(jià)而又廣為使用的通信介質(zhì)，它由兩根彼此絕緣的導(dǎo)線按照一定規(guī)則以螺旋狀絞合在一起的，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)能在一定程度上減弱來(lái)自外部的電磁干擾及相鄰雙絞線引起的串音干擾。但在傳輸距離、帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率等方面雙絞線仍有其一定的局限性。
圖2 雙絞線示意圖
雙絞線常用于建筑物內(nèi)局域網(wǎng)數(shù)字信號(hào)傳輸。這種局域網(wǎng)所能實(shí)現(xiàn)的帶寬取決于所用導(dǎo)線的質(zhì)量、長(zhǎng)度及傳輸技術(shù)。只要選擇、安裝得當(dāng)，在有限距離內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到10mbps。當(dāng)距離很短且采用特殊的電子傳輸技術(shù)時(shí)，傳輸率可達(dá)100mbps。
在實(shí)際應(yīng)用中，通常將許多對(duì)雙絞線捆扎在一起，用起保護(hù)作用的塑料外皮將其包裹起來(lái)制成電纜。采用上述方法制成的電纜就是非屏蔽雙絞線電纜，如圖3所示。為了便于識(shí)別導(dǎo)線和導(dǎo)線間的配對(duì)關(guān)系，雙絞線電纜中每根導(dǎo)線使用不同顏色的絕緣層。為了減少雙絞線間的相互串?dāng)_，電纜中相鄰雙絞線一般采用不同的絞合長(zhǎng)度。非屏蔽雙絞線電纜價(jià)格便宜、直徑小節(jié)省空間、使用方便靈活、易于安裝，是目前最常用的通信介質(zhì)。
圖3 雙絞線電纜
美國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)（eia）規(guī)定了六種質(zhì)量級(jí)別的雙絞線電纜，其中1類(lèi)線檔次最低，只適于傳輸語(yǔ)音；6類(lèi)線檔次最高，傳輸頻率可達(dá)到250mhz。網(wǎng)絡(luò)綜合布線一般使用3、4、5類(lèi)線。3類(lèi)線傳輸頻率為16mhz，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10mbps；4類(lèi)線傳輸頻率為20 mhz，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)16mbps；5類(lèi)線傳輸頻率為l00mhz，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)100mbps。
非屏蔽雙絞線易受干擾，缺乏安全性。因此，往往采用金屬包皮或金屬網(wǎng)包裹以進(jìn)行屏蔽，這種雙絞線就是屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線抗干擾能力強(qiáng)，有較高的傳輸速率，100m內(nèi)可達(dá)到155mbps。但其價(jià)格相對(duì)較貴，需要配置相應(yīng)的連接器，使用時(shí)不是很方便。
2．同軸電纜
如圖4所示，同軸電纜由內(nèi)、外層兩層導(dǎo)體組成。內(nèi)層導(dǎo)體是由一層絕緣體包裹的單股實(shí)心線或絞合線（通常是銅制的），位于外層導(dǎo)體的中軸上；外層導(dǎo)體是由絕緣層包裹的金屬包皮或金屬網(wǎng)。同軸電纜的最外層是能夠起保護(hù)作用的塑料外皮。同軸電纜的外層導(dǎo)體不僅能夠充當(dāng)導(dǎo)體的一部分，而且還起到屏蔽作用。這種屏蔽一方面能防止外部環(huán)境造成的干擾，另一方面能阻止內(nèi)層導(dǎo)體的輻射能量干擾其它導(dǎo)線。
與雙絞線相比，同軸電線抗干擾能力強(qiáng)，能夠應(yīng)用于頻率更高、數(shù)據(jù)傳輸速率更快的情況。對(duì)其性能造成影響的主要因素來(lái)自衰損和熱噪聲，采用頻分復(fù)用技術(shù)時(shí)還會(huì)受到交調(diào)噪聲的影響。雖然目前同軸電纜大量被光纖取代，但它仍廣泛應(yīng)用于有線電視和某些局域網(wǎng)中。
圖4 同軸電纜
目前得到廣泛應(yīng)用的同軸電纜主要有50ω電纜和75ω電纜這兩類(lèi)。50ω電纜用于基帶數(shù)字信號(hào)傳輸，又稱(chēng)基帶同軸電纜。電纜中只有一個(gè)信道，數(shù)據(jù)信號(hào)采用曼徹斯特編碼方式，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10mbps，這種電纜主要用于局域以太網(wǎng)。75ω電纜是catv系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)，它既可用于傳輸寬帶模擬信號(hào)，也可用于傳輸數(shù)字信號(hào)。對(duì)于模擬信號(hào)而言，其工作頻率可達(dá)400mhz。若在這種電纜上使用頻分復(fù)用技術(shù)，則可以使其同時(shí)具有大量的信道，每個(gè)信道都能傳輸模擬信號(hào)。
3．光纖
光纖是一種傳輸光信號(hào)的傳輸媒介。光纖的結(jié)構(gòu)如圖5所示，處于光纖最內(nèi)層的纖芯是一種橫截面積很小、質(zhì)地脆、易斷裂的光導(dǎo)纖維，制造這種纖維的材料可以是玻璃也可以是塑料。纖芯的外層裹有一個(gè)包層，它由折射率比纖芯小的材料制成。正是由于在纖芯與包層之間存在著折射率的差異，光信號(hào)才得以通過(guò)全反射在纖芯中不斷向前傳播。在光纖的最外層則是起保護(hù)作用的外套。通常都是將多根光纖扎成束并裹以保護(hù)層制成多芯光纜。
圖5 光纖的結(jié)構(gòu)
從不同的角度考慮，光纖有多種分類(lèi)方式。根據(jù)制作材料的