网络通讯与分布式I_O配置：IEC61131-2标准下的完整指南


参考资源链接：[IEC 61131-2 PLC编程标准更新：软件架构与测试要求](https://wenku.csdn.net/doc/6412b705be7fbd1778d48cf2?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. IEC61131-2标准概述

工业自动化领域中，IEC 61131-2标准扮演着至关重要的角色。这一章节，旨在为读者提供一个对IEC61131-2标准的概览，包括它的历史背景、主要条款以及在现代工业控制中的应用情况。我们将开始于标准的基本定义，进而分析它如何为不同类型的工业编程语言提供统一的编程接口，以及这些语言如何在控制系统设计中得到应用。本章还会介绍IEC61131-2标准与工业4.0和智能制造之间日益增长的协同作用，为深入探讨其对工业自动化的影响奠定基础。

## 1.1 IEC61131-2标准定义
IEC 61131-2是一套由国际电工委员会（IEC）制定的工业控制编程语言标准。它涵盖了工业可编程逻辑控制器（PLC）的编程语言和结构方面的要求，旨在确保不同制造商的设备之间具有互操作性。

## 1.2 标准的主要内容
该标准定义了多种编程语言，包括梯形图（Ladder Diagram, LD）、功能块图（Function Block Diagram, FBD）、结构化文本（Structured Text, ST）和指令列表（Instruction List, IL）。每种语言都有其特定的用途和优势，旨在为工程师提供多样化的编程选项。

## 1.3 标准在现代工业的应用
IEC61131-2标准的应用包括但不限于自动化生产线、能源管理、物流系统等。其目的不仅在于提供编程接口的统一性，而且在于提高系统的可靠性、灵活性和效率，为工业自动化的发展奠定基础。

通过了解IEC61131-2标准的基本概念，读者将更容易把握后续章节中关于网络通讯、分布式I/O配置和高级通讯配置等更专业的话题。

# 2. 网络通讯基础

## 2.1 工业通讯协议概览

### 2.1.1 通讯协议的作用与分类

通讯协议是实现数据交换和通信的规则集合，它定义了如何在设备之间传输信息。在工业自动化领域，通讯协议的作用尤为重要，因为它们确保不同设备和系统之间能够无缝、可靠地交互数据。通讯协议的分类可以根据不同的标准进行：

- **按应用范围分类**：可以分为通用网络通讯协议和专用工业通讯协议。通用协议如TCP/IP广泛应用于各种网络环境中，而专用协议如Modbus和Profibus则专门为工业自动化领域设计。

- **按数据传输方式分类**：有同步和异步两种方式。同步通讯协议如Interbus要求发送和接收数据双方的时钟频率一致，而异步通讯协议如RS-485则不需要严格的时钟同步。

- **按网络结构分类**：可以分为点对点（Peer-to-Peer）和多点（Multi-drop）通讯。点对点通讯中每个设备直接相连，而多点通讯中多个设备通过一个共享的通道相连。

### 2.1.2 常见工业通讯协议对比分析

在工业环境中，选择合适的通讯协议至关重要。我们来看几个常见的工业通讯协议的对比：

- **Modbus**: 一个简单、开放的通讯协议，广泛用于PLC和其它工业设备之间的通讯。Modbus支持ASCII和RTU传输模式，以及TCP/IP网络上的Modbus/TCP。

- **Profibus**: 一个德国标准，广泛用于欧洲，主要支持主从架构。Profibus DP适用于过程控制，而Profibus PA适用于自动化测量系统。

- **EtherCAT**: 一个以太网工业自动化技术，以其高速和灵活性而闻名。EtherCAT可在几微秒内完成数据帧的处理。

- **OPC**: OPC（OLE for Process Control）是一种基于微软COM（Component Object Model）技术的接口标准。OPC简化了不同厂商产品之间的通信，并提供跨平台的数据访问能力。

以下是一个表格，对比了上述协议的几个关键特性：

| 协议特性 | Modbus | Profibus | EtherCAT |
|----------|--------|----------|----------|
| 协议类型 | 点对点/主从 | 主从 | 主从/多点 |
| 数据传输方式 | 异步/同步 | 异步 | 同步 |
| 网络拓扑 | 总线型/星型 | 总线型 | 环型/总线型 |
| 通讯速度 | 较慢 | 较快 | 极快 |
| 实现复杂度 | 简单 | 中等 | 高 |
| 开放性 | 开放 | 专有 | 开放 |

## 2.2 网络通讯的物理与数据链路层

### 2.2.1 以太网基础与IEEE 802.3标准

以太网是目前使用最广泛的局域网技术。根据IEEE 802.3标准，它使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议来控制网络上多个设备的通讯。10BASE-T, 100BASE-TX和1000BASE-T是几个常见的以太网标准，分别对应10Mbps, 100Mbps和1Gbps的数据速率。

以太网使用了特定的硬件设备如交换机和路由器，而以太网标准本身定义了物理层和数据链路层的一部分（特别是MAC子层）。物理层规定了传输媒介（如双绞线、同轴电缆、光纤）和传输速率。

以太网的一些重要参数包括：

- **CSMA/CD**: 多个站点共享一条通信信道的协议，用于控制对信道的访问。
- **MAC地址**: 用于设备识别的唯一地址，长度为48位。
- **帧**: 以太网数据传输的基本单位，包含目的MAC地址、源MAC地址、类型字段和数据字段。

### 2.2.2 工业以太网与实时以太网技术

工业以太网是为适应工业自动化要求而对传统以太网进行优化的网络技术。它的特点包括：

- **确定性**: 能够保证信息传输的时间可预测，这对于实时控制系统非常关键。
- **耐环境性**: 工业以太网设备通常设计用于恶劣的工业环境，如防尘、防潮、抗震。
- **高可靠性和冗余**: 对于要求高可靠性的应用，工业以太网支持网络冗余，以确保网络故障时仍能保持通信。

实时以太网技术如EtherCAT、Ethernet/IP和Profinet IRT提供了额外的实时特性：

- **EtherCAT**: 通过从站设备间的实时数据交换和硬件级别的优化，极大提高了通讯速度。
- **Ethernet/IP**: 采用CIP协议与以太网结合，针对自动化设备的数据交换进行了优化。
- **Profinet IRT**: 专为高性能和确定性时间关键应用设计，支持非常短的循环时间。

## 2.3 网络通讯的传输层与应用层

### 2.3.1 TCP/IP协议栈在网络通讯中的应用

TCP/IP协议栈是互联网的基础，它定义了数据在互联网上传输的方式。TCP/IP分为四层：网络接口层、网络层、传输层、应用层。其中传输层的TCP（传输控制协议）提供了可靠的、面向连接的通讯，而IP（互联网协议）则负责数据包的路由和寻址。

TCP/IP在网络通讯中主要应用有：

- **可靠性**: TCP确保了数据的无差错传输，通过序列号、确认应答、流量控制和拥塞控制机制来实现。
- **多路复用**: 通过端口号，多个应用可以同时使用一个IP地址进行通讯。
- **广泛的应用**: TCP/IP是目前互联网和内部网的通用协议栈。

### 2.3.2 OPC技术在IEC61131-2中的应用案例分析

OPC（OLE for Process Control）是用于工业自动化领域的一套标准，允许不同的工业设备和软件之间交换信息。IEC 6113