不同plc如何通信

在工业自动化系统中，可编程逻辑控制器（PLC）的互联互通是实现复杂控制与高效生产的关键。本文将深入探讨不同品牌与型号的可编程逻辑控制器之间实现数据交换的多种通信方式，涵盖从传统的有线串行通信到现代的工业以太网协议，分析其工作原理、适用场景以及实施要点，为工程师和技术人员提供一份全面且实用的通信技术指南。

       在现代化工厂的车间里，各种机器设备高效协同，背后是一套精密复杂的控制系统在指挥。作为这个系统的“大脑”，可编程逻辑控制器（PLC）发挥着核心作用。然而，单一的可编程逻辑控制器能力有限，面对复杂的生产流程，往往需要多个、甚至是不同品牌的可编程逻辑控制器协同工作。这就引出了一个至关重要的问题：这些来自不同厂商、遵循不同技术标准的“大脑”之间，如何才能顺畅地“对话”，实现数据的无缝交换与指令的精准同步？这正是工业自动化领域一个经典且不断演进的技术课题。

       一、理解通信的基本前提：协议与物理介质

       要让不同的设备通信，首先需要建立共同的“语言”和“道路”。在可编程逻辑控制器通信中，“语言”即通信协议，它规定了数据打包、传输、寻址和校验的规则；“道路”则是物理介质，如双绞线、同轴电缆或光纤。不同厂商的可编程逻辑控制器往往内置或支持不同的通信协议，这是实现互联的首要挑战。常见的协议家族包括基于串行通信的协议、现场总线协议以及基于以太网的工业协议等。

       二、传统串行通信：简单直接的起点

       在工业通信发展的早期，串行通信是连接设备最主要的方式。其特点是数据按位顺序传输，结构简单，成本较低。其中，自由口通信是一种非常灵活的方式，用户可以在可编程逻辑控制器中自定义数据帧格式，通过串口（如RS-232或RS-485）发送和接收字节数据。这种方式不依赖于特定协议，理论上可以连接任何支持串口通信的设备，但需要通信双方预先约定好所有数据格式细节，编程工作量较大，且缺乏标准的错误处理机制。

       比自由口通信更进一步的，是一些标准的串行通信协议，例如莫迪康公司的莫迪康协议（Modbus）。它定义了一套主从结构的消息框架，支持多种物理接口，因其开源、简单、易于实施而成为工业领域的事实标准之一。许多不同品牌的可编程逻辑控制器都提供对莫迪康协议的支持，无论是作为主站读取数据，还是作为从站提供数据，都可以通过配置或编程实现互联。

       三、现场总线技术：专为工业控制而生

       随着控制系统的分散化和复杂化，现场总线应运而生。它是一种专门用于现场设备（如传感器、执行器、可编程逻辑控制器）之间数字式、多点通信的网络系统。与串行通信相比，现场总线具有更高的可靠性、实时性和抗干扰能力，支持多主站或对等通信。常见的现场总线包括过程现场总线（Profibus）、控制器区域网络（CAN）、基金会现场总线（Foundation Fieldbus）等。

       例如，过程现场总线由西门子公司主导，分为用于工厂自动化的过程现场总线分散外围设备（Profibus-DP）和用于过程自动化的过程现场总线过程自动化（Profibus-PA）。许多欧洲厂商的可编程逻辑控制器都集成了过程现场总线接口。不同品牌的可编程逻辑控制器若要通过过程现场总线通信，通常需要确保它们支持相同的子协议和行规，并配置正确的站点地址和数据交换区。

       四、工业以太网的崛起：高速与融合

       当信息技术网络与工业控制网络走向融合，工业以太网成为了主流选择。它采用标准的以太网硬件（如网线、交换机），但运行着为满足工业实时性、确定性要求而优化的通信协议。这使得工厂的信息层与管理层可以更容易地与控制层、设备层集成。基于以太网的协议种类繁多，其中一些已成为国际标准。

       工业以太网控制自动化技术（EtherCAT）是一种高性能的实时以太网技术，它采用“飞读飞写”的主从机制，数据帧在经过每个从站时被实时处理，通信效率极高。支持工业以太网控制自动化技术的各品牌可编程逻辑控制器可以接入同一网络，由主站控制器进行精确的同步控制。

       过程现场网络（Profinet）是过程现场总线在以太网上的延伸，由国际组织过程现场网络国际组织（PROFIBUS & PROFINET International）维护。它定义了三种不同的实时等级，以满足从简单输入输出数据交换到运动控制的不同性能需求。不同厂商的可编程逻辑控制器只要通过了过程现场网络的一致性认证，就能实现基本的互操作。

       以太网工业协议（EtherNet/IP）由国际组织开放设备网络供应商协会（ODVA）管理，它将在工业控制中广泛使用的通用工业协议（CIP）封装在标准的传输控制协议和互联网协议（TCP/IP）数据包中。这使得基于以太网工业协议的网络既能传输实时控制数据，也能传输网页、邮件等普通信息。支持该协议的设备可以通过“电子数据表”明确定义其提供的服务与数据，便于集成。

       五、专用网关与协议转换器：搭建沟通的桥梁

       当需要通信的两个可编程逻辑控制器直接支持的协议不兼容时，协议转换器或通信网关就成为了必不可少的“翻译官”。这是一种硬件设备，它同时支持两种或多种通信协议，能够将从一种协议接收到的数据，按照规则解析、映射，再以另一种协议发送出去。例如，一个网关可以一端连接支持莫迪康协议的可编程逻辑控制器，另一端连接支持过程现场总线的可编程逻辑控制器，实现数据的双向转发。选择网关时，需要精确匹配两端可编程逻辑控制器的物理接口类型、协议类型和具体配置参数。

       六、采用标准化的中间件与软件接口

       在软件层面，也可以通过一些标准化的数据交换接口来实现异构系统的集成。对象链接与嵌入过程控制（OPC）技术是其中的典范，尤其是其新一代标准开放平台通信统一架构（OPC UA）。开放平台通信统一架构独立于硬件平台和操作系统，提供安全、可靠且语义丰富的数据建模与传输机制。不同品牌的可编程逻辑控制器可以各自配备或通过网关连接一个开放平台通信统一架构服务器，将内部数据以统一的信息模型发布出来。上位的监控系统、制造执行系统或其他可编程逻辑控制器则可以通过开放平台通信统一架构客户端访问这些数据，从而在更高层次上实现跨平台的互联互通。

       七、基于工业个人计算机与软可编程逻辑控制器的解决方案

       随着计算技术的发展，基于工业个人计算机（IPC）的软可编程逻辑控制器（SoftPLC）越来越普及。这类系统运行在通用的计算机硬件和操作系统上，其优势在于强大的网络能力和灵活性。软可编程逻辑控制器软件通常可以安装多种通信协议栈，通过插入不同的通信板卡或使用以太网口，能够同时与多种不同协议的可编程逻辑控制器或设备通信，在工业个人计算机内部完成数据的汇集、处理和转发，充当一个功能强大的通信枢纽。

       八、无线通信技术的应用

       对于布线困难或移动设备的场景，无线通信提供了另一种可能。工业无线局域网（WLAN）、蓝牙、紫蜂协议（Zigbee）乃至私有或公用的蜂窝网络（如4G/5G）都可以用于可编程逻辑控制器之间的数据传输。通常，可编程逻辑控制器通过串口或以太网口连接无线路由器或工业无线终端，将有线协议的数据包转换为无线信号进行传输。需要注意的是，工业环境下的无线通信必须充分考虑信号的稳定性、抗干扰能力、安全性和实时性要求。

       九、通信网络的拓扑结构与规划

       无论采用何种协议，通信网络的物理布局和逻辑结构都至关重要。常见的拓扑结构包括总线型、星型、环型等。例如，过程现场总线通常采用总线型拓扑，而工业以太网则多采用星型拓扑配合工业交换机。环型拓扑（如以太网环网）能提供链路冗余，提高网络可靠性。在规划时，需要考虑站点数量、通信距离、数据流量、实时性要求以及未来的扩展性，合理选择网络设备和布线方案。

       十、数据映射与地址配置

       通信建立后，核心任务是实现具体数据的交换。这需要在通信双方进行精确的数据映射和地址配置。例如，在莫迪康协议中，需要明确主站读取从站的哪个保持寄存器地址；在过程现场总线分散外围设备中，需要配置输入输出数据的字节长度和对应关系；在以太网工业协议中，则需要配置标签名和数据结构。这是一个细致的工作，必须确保发送方输出的数据格式和含义与接收方预期的完全一致，否则会导致控制逻辑错误。

       十一、通信的实时性与确定性考量

       工业控制对通信的实时性和确定性有严格要求。实时性指系统对外部事件做出响应的速度，确定性指响应时间是可预测的。不同的通信协议和网络负载会影响这些性能。对于运动控制、高速流水线等场景，可能需要选择工业以太网控制自动化技术、同步以太网（IEEE 1588）等具备高实时性能的协议，并优化网络结构，限制非实时数据的流量，以确保控制周期稳定可靠。

       十二、网络安全与数据完整性

       当可编程逻辑控制器接入更开放的网络，网络安全就成为不可忽视的一环。通信数据可能被窃听、篡改或伪造，网络设备可能遭受攻击。保障通信安全需要多层措施：在物理层，使用屏蔽线缆并良好接地；在协议层，选择支持加密和认证的协议（如开放平台通信统一架构内置了完善的安全机制）；在网络层，部署工业防火墙，划分安全区域，进行访问控制；同时，定期对设备进行安全更新和漏洞扫描。

       十三、诊断与维护工具的使用

       复杂的通信网络一旦出现故障，快速定位问题点至关重要。熟练使用各种诊断工具是工程师的必备技能。这包括可编程逻辑控制器自带的通信状态指示灯和诊断缓冲区、协议分析软件（如过程现场总线过程现场网络、以太网工业协议都有专用的配置和诊断工具）、网络抓包工具（如使用网络封包分析软件Wireshark分析以太网数据包）等。通过解读错误代码、观察通信报文，可以高效地判断是硬件连接问题、参数配置错误还是程序逻辑缺陷。

       十四、标准化与行业组织的角色

       推动不同设备互联互通，离不开国际标准化组织和行业联盟的努力。国际电工委员会（IEC）制定了现场总线和工业网络的相关国际标准，如国际电工委员会61158系列。而像国际组织过程现场网络国际组织、开放设备网络供应商协会、国际组织工业以太网控制自动化技术技术集团（ETG）等，则负责具体技术的推广、一致性测试认证和标准完善。选择支持主流标准并通过认证的产品，能大大降低系统集成的难度和风险。

       十五、面向未来的发展趋势

       工业通信技术仍在快速发展。时间敏感网络（TSN）作为以太网技术的扩展，旨在为标准以太网提供确定性的低延迟传输能力，有望成为下一代工业网络的统一基础。此外，伴随工业互联网和边缘计算的兴起，可编程逻辑控制器与云平台、大数据分析的直接通信需求日益增长，基于消息队列遥测传输（MQTT）等物联网协议的直接集成将成为新的常见场景。这些趋势要求工程师不断更新知识库，以适应更开放、更智能的工业通信架构。

       综上所述，实现不同可编程逻辑控制器之间的通信是一项涉及硬件、软件、协议和系统规划的系统工程。没有一种方法可以适用所有场景，关键在于根据具体的控制需求、现有设备状况、性能要求和成本预算，选择最合适的技术路径。从简单的串行连接，到高效的工业以太网，再到灵活的软件网关和开放平台通信统一架构，技术的工具箱已经非常丰富。作为工程师，理解这些通信方式的原理、优劣和实现细节，就如同掌握了让各种“工业大脑”协同思考的语言，是构建高效、灵活、可靠自动化系统的基石。在实际项目中，充分的预先规划、严谨的参数配置、细致的测试验证，是确保通信成功的关键步骤。