不同plc间如何通讯

在工业自动化系统中，多个可编程逻辑控制器之间的高效通讯是实现复杂控制的关键环节。本文深入探讨了十二种主流的通讯实现方式，涵盖了从传统串行总线到工业以太网等多种技术路径。文章将详细解析每种通讯协议的工作原理、适用场景、配置步骤以及实践中的注意事项，旨在为工程师提供一套全面且实用的跨品牌设备集成解决方案。

       在现代化的工业控制领域，单一的可编程逻辑控制器往往难以满足复杂的生产需求，多个控制器协同工作已成为常态。这就引出了一个核心课题：如何让这些来自不同厂商、支持不同协议的控制大脑实现顺畅对话。本文将系统性地梳理不同可编程逻辑控制器之间实现通讯的主流技术方案，从基础概念到高级应用，为您提供一份详尽的实战指南。

一、理解通讯基础：物理层与协议层

       要实现不同设备间的通讯，首先需要理解两个基本概念：物理层和协议层。物理层决定了数据如何以电信号或光信号的形式在物理介质上传输，例如我们常见的电缆、光缆以及接口类型。协议层则好比是通信双方约定的语言和语法规则，它规定了数据包的格式、寻址方式、错误校验机制等，确保信息能够被准确解析。任何通讯方案的实现，都是这两者结合的结果。

二、传统串行通讯方式

       在工业通讯发展的早期阶段，串行通讯扮演了重要角色。其代表是标准串行通讯协议。这种方式通常采用简单的点对点连接，通过接收数据、发送数据、信号地三根线即可完成数据交换。虽然其通讯速率相对较低，传输距离也有限，但由于其硬件成本低、实现简单，在少量数据交换、非实时性要求高的场合仍有广泛应用。许多品牌的控制器都保留了此类接口，并提供了相应的配置指令库。

三、现场总线技术的应用

       随着控制系统的分散化和复杂化，现场总线技术应运而生。其中，过程现场总线作为一种典型的现场级通讯网络，采用主从式的令牌环传递机制，具有高可靠性和实时性。另一个广泛应用的例子是过程控制对象连接与嵌入统一架构，它支持多主站通讯，布线采用菊花链形式，配置灵活。这些总线标准在很大程度上解决了不同厂商设备在车间层面的互连问题。

四、工业以太网的崛起

       为了满足更高带宽和更远传输距离的需求，工业以太网技术迅速发展。它并非单一协议，而是一个协议家族，例如适用于运动控制的同步实时以太网、德国倡导的规范与诊断接口以及中国制定的工业自动化协议等。工业以太网基于标准的以太网硬件，但通过改进实时性、确定性和抗干扰能力，使其能够满足苛刻的工业环境要求，现已成为控制器间高速通讯的主流选择。

五、控制器层级的专用网络

       一些主流自动化厂商还推出了各自专属的高速控制网络。例如，罗克韦尔自动化旗下的控制层网络，以及西门子旗下的现场总线解决方案。这些网络通常为其自家产品线做了深度优化，在同一个品牌生态系统内能提供极高的性能和确定性。但当需要与第三方控制器通讯时，往往需要通过网关设备进行协议转换。

六、采用开放式通讯标准

       为了从根本上解决互操作性问题，业界推出了多种开放式通讯标准。开放式过程控制对象连接与嵌入统一架构是一个独立于平台的面向服务的架构，它定义了标准的数据模型和服务接口，使得不同供应商的设备能够以统一的方式进行数据访问和交换，是实现高层次信息集成的重要工具。

七、基于传输控制协议或用户数据报协议套接字的通讯

       对于支持以太网功能的可编程逻辑控制器，一种灵活的实现方式是使用传输控制协议或用户数据报协议套接字通讯。这种方式不依赖于特定的高层协议，而是由开发者自定义数据帧格式。控制器可以作为服务器端监听特定端口，也可以作为客户端主动连接其他设备。这种方式自由度极高，但需要工程师自行处理数据包的组帧、校验和超时重发等机制，对编程能力要求较高。

八、利用网关设备的协议转换

       当需要连接两种完全不同协议的网络时，通讯网关是一种非常有效的解决方案。网关相当于一个“翻译官”，它同时连接到两个网络中，接收来自一侧网络的数据，按照预定的映射关系进行协议转换，然后将数据发送到另一侧网络。市场上存在大量专业的协议转换网关，可以支持几乎所有主流工业协议之间的互转，大大降低了系统集成的复杂度。

九、通过上位机进行数据中转

       在某些场景下，如果两个控制器之间没有直接的通讯链路，可以考虑通过上位计算机作为数据中转站。例如，组态软件或监控与数据采集系统可以同时与多个控制器建立通讯连接，从控制器甲读取数据，经过处理后，再写入控制器乙。这种方式虽然会引入一定的延迟，并且依赖于上位机的稳定运行，但在数据交换量不大、实时性要求不极端的场合，是一种成本较低的实现方式。

十、使用可编程逻辑控制器内置的通讯功能块

       现代中高端可编程逻辑控制器通常都内置了丰富的通讯功能块，这些功能块经过了厂商的严格测试，能够大大简化工程师的编程工作。例如，对于以太网通讯，通常会有标准化的发送数据块和接收数据块，用户只需配置好伙伴控制器的网络地址、端口号以及需要交换的数据区，即可建立连接。充分利用这些现成的功能模块，是提高开发效率和系统可靠性的关键。

十一、考虑通讯的实时性与确定性

       在选择通讯方案时，必须评估应用场景对实时性和确定性的要求。实时性指的是系统响应外部事件的速度，而确定性则指响应时间的变化范围是否可预测。例如，运动控制应用通常要求毫秒级甚至微秒级的确定性延时，而一般的状态数据采集可能允许秒级的延迟。工业以太网协议通常在这方面有严格的设计，而标准的传输控制协议或用户数据报协议通讯则不具备严格的确定性。

十二、确保通讯网络的可靠性

       工业环境的电磁干扰、振动、温湿度变化等因素都对通讯网络的可靠性构成挑战。为提高可靠性，常采用一系列措施。在物理层，选用屏蔽良好的工业级电缆或光缆，并实施规范的布线。在网络拓扑上，采用环形冗余网络，当线路某点出现故障时，网络能迅速重构，保证通讯不中断。此外，协议本身的纠错机制、心跳包检测、连接超时重连等功能也至关重要。

十三、网络安全防护策略

       随着工业网络与信息网络的融合，网络安全成为一个不可忽视的维度。控制器间的通讯网络若防护不当，可能成为恶意攻击的入口。基本的安全策略包括：网络逻辑分段，将控制网络与企业办公网络隔离；访问控制，仅允许授权的设备地址进行通讯；数据加密，对敏感的控制指令和工艺参数进行加密传输；以及定期进行安全审计和漏洞扫描。

十四、详细的规划与配置流程

       成功的通讯实施始于周密的规划。首先，应明确通讯需求：数据量大小、刷新周期、实时性要求。然后，根据现有设备条件和网络架构选择合适的通讯方案。在配置阶段，务必确保通讯双方的参数完全匹配，包括波特率、数据位、停止位、校验方式等。完成硬件连接和软件配置后，必须进行充分的测试，从最简单的点对点通讯开始，逐步扩展到整个网络，验证其稳定性和正确性。

十五、常见的故障诊断与排查方法

       通讯故障是现场调试中的常见问题。一套系统的排查方法非常有用。首先检查物理连接，确认线缆是否完好、接头是否紧固。然后利用控制器和网络设备上的状态指示灯进行初步判断。接着，使用网络分析仪或软件工具捕获通讯数据包，分析数据交互过程，查看是否存在错误的指令、超时或校验错误。逐层排查，从物理层到应用层，是定位和解决问题的有效途径。

十六、未来发展趋势展望

       工业通讯技术仍在不断演进。时间敏感网络技术正将标准以太网扩展到具备确定性和低延迟的能力，有望成为未来统一的基础网络设施。此外，伴随工业互联网平台的发展，基于云平台的远程数据访问和设备管理也将更加普遍，这对控制器与云端的安全、高效通讯提出了新的要求。开放式统一架构等标准将继续深化其在垂直行业的信息模型定义，促进更高层次的互操作性。

       总结而言，实现不同可编程逻辑控制器之间的通讯是一个涉及多层次技术的系统工程。工程师需要根据具体的项目需求、现有设备条件、性能指标和成本预算，权衡各种方案的利弊，选择最合适的通讯路径。掌握从传统总线到工业以太网，从专用协议到开放标准的各类技术，并深刻理解其背后的原理与最佳实践，是成功构建稳定、高效工业自动化系统的基石。