最全的 PLC 常用通讯方式介绍
1 引言
在工业自动化中，PLC（可编程逻辑控制器）是关键的控制设备之一。PLC 与其他设备和系统之间的通讯是实现自动化系统集成的基础。本文将介绍几种最常见的 PLC 通讯方式，涵盖基于总线和以太网的协议，包括它们的优缺点、网络拓扑及应用场景。
2 基于总线的通讯协议
2.1 Modbus RTU
简介：Modbus RTU 是一种广泛使用的串行通讯协议，通常运行在 RS-485 物理层上。
优点：
简单易用
兼容性强
缺点：
速度较慢
距离有限
网络拓扑：总线型拓扑，支持多达 32 个节点。
应用场景：适用于简单的主从控制系统，如温度控制、数据采集等。
2.2 Profibus
简介：Profibus（Process Field Bus）是由西门子开发的工业现场总线标准，主要有 Profibus-DP 和 Profibus-PA 两种类型。
优点：
高速通讯
可靠性高
缺点：
实施成本高
复杂度高
网络拓扑：总线型拓扑，支持多达 126 个节点。
应用场景：适用于复杂的自动化系统，如工厂自动化、过程控制。
2.3 CANopen
简介：CANopen 是一种基于 CAN（Controller Area Network）总线的通讯协议，广泛应用于嵌入式系统。
优点：
实时性好
可靠性高
缺点：
数据传输率较低
网络拓扑：总线型拓扑，支持多达 127 个节点。
应用场景：适用于需要高实时性的场合，如汽车电子、伺服系统等。
2.4 DeviceNet
简介：DeviceNet 是一种基于 CAN 总线的工业网络协议，由 Allen-Bradley 开发。
优点：
实时性好
设备互操作性强
缺点：
通讯速率较低
距离有限
网络拓扑：总线型拓扑，支持多达 64 个节点。
应用场景：适用于设备级联网，如传感器和执行器网络。
2.5 PPI（Point to Point Interface）
简介：PPI 是西门子 S7-200 系列 PLC 使用的一种低速串行通讯协议。
优点：
简单易用
成本低
缺点：
通讯速率较低
适用范围有限
网络拓扑：总线型拓扑，典型应用为点对点连接。
应用场景：适用于小型自动化系统，如简单的工厂自动化。
2.6 MPI（Multi-Point Interface）
简介：MPI 是西门子 S7 系列 PLC 使用的一种多点通讯协议。
优点：
易于配置
支持多点通讯
缺点：
通讯速率有限
距离有限
网络拓扑：总线型拓扑，支持多达 32 个节点。
应用场景：适用于中小型自动化系统，如机器控制。
2.7 USS（Universal Serial Interface Protocol）
简介：USS 是一种用于变频器和 PLC 之间通讯的协议。
优点：
专用性强
通讯稳定
缺点：
适用范围有限
数据速率较低
网络拓扑：总线型拓扑，通常用于点对点连接。
应用场景：适用于变频器控制，如电机速度控制。
2.8 AS-Interface (AS-i)
简介：AS-Interface（Actuator-Sensor Interface）是一种用于连接传感器和执行器的工业通讯协议。AS-i 旨在提供一种简单、低成本的解决方案，用于连接现场设备。
优点：
安装和维护简单，布线成本低
支持电源和数据的同线传输，减少布线复杂度
设备连接和调试方便，支持即插即用
缺点：
数据传输速率较低（167 kbps）
网络规模有限，只能连接较少数量的设备（最大可达 62 个节点）
网络拓扑：通常采用总线型或星型拓扑，网络结构简单。AS-i 使用两芯扁平电缆进行数据和电源传输。
应用场景：适用于需要简单、低成本连接的场合，如传感器和执行器网络、分布式 I/O 系统、简单的机器控制。
3 基于以太网的通讯协议
3.1 Ethernet/IP
简介：Ethernet/IP（Ethernet Industrial Protocol）是基于标准以太网的工业网络协议，由 ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）开发。
优点：
高速通讯，适合大数据量传输
兼容标准以太网设备和基础设施
支持实时数据传输
缺点：
对实时性要求高的应用可能需要特殊配置
网络管理和配置复杂
网络拓扑：星型、树型或混合拓扑，通常使用以太网交换机进行连接。
应用场景：适用于复杂的工业自动化系统，如工厂自动化、过程控制、机器人控制。
3.2 Profinet
简介：Profinet 是由西门子和 Profibus & Profinet International (PI)组织开发的工业以太网标准。
优点：
高速通讯
支持实时和超实时通讯（RT 和 IRT）
易于集成与 Profibus 系统
缺点：
实施成本较高
配置和管理复杂
网络拓扑：星型、线型、树型及环型拓扑，通常使用以太网交换机和路由器。
应用场景：适用于高性能要求的工业自动化系统，如生产线自动化、运动控制、分布式 I/O 系统。
3.3 Modbus TCP/IP
简介：Modbus TCP/IP 是 Modbus 协议的以太网版本，基于 TCP/IP 协议栈。
优点：
简单易用
兼容性强，广泛支持
利用现有以太网基础设施
缺点：
实时性有限
安全性需要额外考虑
网络拓扑：星型、树型或混合拓扑，通常使用以太网交换机。
应用场景：适用于需要简单、低成本通讯的场合，如楼宇自动化、环境监测系统。
3.4 EtherCAT
简介：EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由 Beckhoff 公司开发的实时工业以太网协议。
优点：
极高的实时性和同步性
低延迟和抖动
高效的数据处理能力
缺点：
实施和配置复杂
需要专用的 EtherCAT 主站设备
网络拓扑：通常采用总线型拓扑、支持树型、星型和环型拓扑，甚至可以混合使用。
应用场景：适用于对实时性和同步性要求极高的场合，如运动控制系统、机器人控制、高性能的测试与测量设备。
3.5 S7 协议
简介：S7 协议是西门子 S7 系列 PLC 使用的专有通讯协议。
优点：
集成度高
支持复杂的控制任务
缺点：
依赖于特定厂商
实施成本高
网络拓扑：星型、树型或混合拓扑，通常使用以太网交换机。
应用场景：适用于大型自动化系统，如过程控制和制造业。
4 总结
PLC 的通讯方式多种多样，每种协议都有其独特的特点和适用场景。基于总线的协议如 Modbus RTU、Profibus、CANopen 等，通常用于相对简单或特定需求的系统；而基于以太网的协议如 Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT 等，则适用于要求更高的复杂自动化系统。
选择合适的通讯协议需要综合考虑系统的实时性要求、数据传输速率、安装和维护成本以及现有的基础设施。通过合理选择和配置通讯协议，可以有效提升自动化系统的性能和可靠性。
2024年09月
