3. PLC基础与通信协议

在工业视觉AI联动PLC的系统中，PLC（可编程逻辑控制器）是执行机构的核心控制单元，而通信协议则是视觉系统与PLC之间信息交换的“语言”。视觉检测结果（OK/NG）、缺陷坐标、剔除触发信号以及节拍同步信号，都需要通过特定的协议在PLC与视觉控制器之间高效、可靠地传输。本章将深入解析PLC的扫描工作原理、主流品牌的技术特点，并重点剖析Modbus、Profinet、EtherNet/IP三种工业以太网协议在视觉联动场景中的选型与应用要点。

3.1 PLC工作原理与扫描周期

PLC的本质是一台专用于工业控制的实时计算机。其核心工作模式为循环扫描，即CPU按照固定顺序反复执行“读取输入→执行程序→刷新输出”三个步骤。理解扫描周期是进行视觉联动时序设计的基础，因为视觉检测结果必须在PLC扫描周期的合适窗口内被读取，否则可能导致信号丢失或误触发。

一个完整的扫描周期（Scan Cycle）包含以下阶段：

1. 输入采样阶段：PLC将物理输入端子（如传感器、视觉IO信号）的状态批量读入输入映像寄存器（Input Image Register）。此阶段输入信号的变化不会立即影响程序执行，直到下一个扫描周期。
2. 程序执行阶段：CPU逐条执行用户程序（梯形图、结构化文本等），从输入映像区读取数据，进行逻辑运算，并将结果写入输出映像寄存器（Output Image Register）。程序执行期间，输出端子的物理状态保持不变。
3. 输出刷新阶段：CPU将输出映像寄存器的状态一次性传送到物理输出端子，驱动外部负载（如继电器、电磁阀、伺服驱动器）。

扫描周期的典型时长为1ms~20ms，取决于程序大小和CPU性能。对于视觉联动系统，扫描周期决定了PLC对视觉结果的最快响应时间。例如，若PLC扫描周期为10ms，视觉系统在某一时刻输出NG信号，PLC最迟需等待一个完整扫描周期才能捕获该信号。

3.2 主流PLC品牌与选型对比

工业现场常见的PLC品牌包括西门子（Siemens）、三菱（Mitsubishi）、欧姆龙（Omron）、罗克韦尔（Rockwell/AB）等。不同品牌的PLC在编程软件、通信协议支持、指令系统上存在显著差异，直接影响视觉系统的对接方式。

选型建议：若视觉系统与PLC均为同一品牌生态（如西门子视觉+西门子PLC），优先使用原生协议（Profinet）以获得最佳实时性和诊断功能。若为第三方视觉系统（如基恩士、海康、自主开发AI视觉），则需评估PLC对通用协议（Modbus TCP、EtherNet/IP）的支持程度。对于改造项目，Modbus TCP因其极高的兼容性成为最稳妥的选择。

3.3 核心通信协议深度解析

在视觉联动PLC的工程实践中，三种协议占据主导地位：Modbus TCP、Profinet、EtherNet/IP。理解它们的数据模型、传输机制和实时性差异，是进行通信配置和故障排查的前提。

3.3.1 Modbus TCP：通用性与简单性

Modbus TCP是Modbus协议在以太网上的延伸，基于TCP/IP协议栈，端口502。其数据模型基于寄存器（Holding Register）和线圈（Coil），视觉系统通常将检测结果写入PLC的保持寄存器或线圈区域。

• 主从架构：PLC作为Modbus主站（Master），视觉控制器作为从站（Slave），或反之。视觉系统主动向PLC写入结果数据。
• 功能码：常用功能码包括FC01（读线圈）、FC03（读保持寄存器）、FC05（写单个线圈）、FC06（写单个寄存器）、FC15（写多个线圈）、FC16（写多个寄存器）。
• 数据映射：例如，将视觉检测的OK/NG状态映射到PLC的M0.0（内部继电器），将缺陷码映射到D100~D105（数据寄存器）。

// 视觉系统向PLC写入检测结果示例（Modbus TCP）
// 功能码：FC16（写多个寄存器）
// 起始地址：40001（保持寄存器地址偏移0）
// 数据内容：[0x0001=OK, 0x0002=NG, 0x0003=缺陷码]

请求报文: 00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 02 04 00 01 00 02
响应报文: 00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 02

实时性分析：Modbus TCP的响应时间通常在1~10ms量级，取决于网络负载和PLC扫描周期。对于节拍在500ms以上的产线，Modbus TCP完全满足要求；但对于高速飞拍（节拍<200ms）场景，需谨慎评估。

3.3.2 Profinet：西门子生态的实时骨干

Profinet是西门子力推的工业以太网标准，支持三种实时等级：NRT（非实时）、RT（实时）、IRT（等时实时）。在视觉联动中，IRT模式可实现精确的时钟同步（精度达1μs以下），确保视觉触发信号与PLC输出动作的严格同步。

• 设备模型：PLC作为IO控制器（IO Controller），视觉系统作为IO设备（IO Device）。通过GSDML文件描述设备属性。
• 数据交换：循环IO数据（Cyclic IO Data）在PLC与视觉系统之间周期性交换，典型周期为1ms~8ms。诊断数据通过非循环通道传输。
• 等时同步：IRT模式下，所有设备共享同一个同步时钟，PLC的输出刷新与视觉的触发信号可在同一时间基准上对齐。

3.3.3 EtherNet/IP：罗克韦尔与欧姆龙的通用选择

EtherNet/IP基于CIP（Common Industrial Protocol），采用生产者/消费者（Producer/Consumer）模型，支持隐式报文（I/O数据实时交换）和显式报文（参数配置、诊断）。其特色在于同一网络上可同时传输实时I/O和标准TCP/IP数据。

• 数据对象：CIP对象模型包括Assembly对象（用于I/O数据聚合）、Connection对象（管理连接）、Message Router（路由显式报文）。
• RPI（Requested Packet Interval）：决定数据刷新速率，典型值为10ms~50ms。RPI设置过小会增加网络负载，过大则影响实时性。
• 兼容性：欧姆龙NJ/NX、罗克韦尔CompactLogix均原生支持EtherNet/IP，视觉系统（如康耐视In-Sight）也广泛支持该协议。

三种协议的选型对比可归纳如下：

3.4 实战案例：视觉检测结果通过Modbus TCP联动三菱FX5U剔除

以下案例展示了一个典型的视觉AI缺陷检测联动PLC剔除的完整实施过程，重点体现通信协议配置与调试方法。

项目背景：某电子元器件组装线，产线节拍为2秒/件。视觉系统（海康AI相机）检测产品表面划痕和污渍，检测结果需发送至三菱FX5U PLC，由PLC控制气缸将NG品剔除至废料箱。原方案采用硬接线IO，但存在接线复杂、信号易受干扰、无法传输缺陷码等问题，现改为Modbus TCP通信。

初始参数：

• 视觉检测周期：约300ms（含AI推理）
• PLC扫描周期：约5ms（程序较小）
• 通信方式：视觉系统作为Modbus TCP客户端，PLC作为服务器（从站）
• 数据映射：D100=检测结果（0=OK, 1=NG, 2=超时）；D101=缺陷类型编码（1=划痕, 2=污渍, 3=其他）

实施步骤：

1. PLC侧配置：在GX Works3中启用FX5U内置以太网口的Modbus TCP服务器功能，设置端口502，允许来自视觉系统IP地址的连接。配置保持寄存器区域D100~D101为可写。
2. 视觉侧配置：在视觉软件中新建Modbus TCP客户端连接，设置PLC的IP地址（192.168.1.10）和端口（502）。编写脚本：检测完成后，将结果写入D100和D101。
3. PLC程序编写：在梯形图中添加通信接收完成标志位（如M100），当M100为ON时，读取D100的值。若D100=1，则置位剔除气缸输出Y0，延时200ms后复位；若D100=2（超时），则触发报警输出Y1并停机。
4. 联调测试：使用Wireshark抓包分析Modbus TCP报文，确认请求/响应帧格式正确。测试三种场景：OK品放行、NG品剔除、通信中断（拔掉网线）时PLC报警。

结果与复盘：通信延迟实测为2~3ms，远小于节拍余量。但调试中发现一个问题：当视觉系统连续快速发送写入请求时，PLC的Modbus服务器缓冲区偶尔溢出，导致通信超时。解决方案是在视觉脚本中增加写入间隔（至少10ms），并在PLC程序中增加通信超时计数，连续3次超时则触发安全停机。

3.5 常见误区与总结

在PLC与视觉系统的通信实施中，工程师常陷入以下误区：

• 误区一：认为通信协议越高级越好。实际上，对于简单的OK/NG信号，Modbus TCP的线圈读写比Profinet IRT更简单可靠，且调试成本更低。
• 误区二：忽略PLC扫描周期对通信数据的影响。即使通信协议本身延迟很低，PLC程序也需等到下一个扫描周期才能处理收到的数据。因此，通信数据应尽量在程序开头读取，减少等待时间。
• 误区三：未考虑字节序（Byte Order）问题。不同品牌PLC对多字节数据的存储方式不同（大端/小端），视觉系统写入的16位或32位数据在PLC中可能被错误解析。建议在通信测试阶段先写入固定值（如0x1234）验证字节序。
• 误区四：忽视通信周期与视觉检测周期的匹配。若视觉检测周期为300ms，而PLC的通信刷新周期为10ms，则PLC会频繁读取到相同的旧数据。应在视觉端增加“数据有效标志”，PLC仅在标志变化时处理新数据。

总结：PLC与视觉系统的通信设计是工业视觉AI项目落地的关键环节。工程师应首先明确节拍要求和实时性需求，据此选择合适的协议；其次，深入理解PLC扫描周期与通信异步性，设计合理的握手信号和数据映射；最后，务必进行通信故障的模拟测试，确保系统的安全性和鲁棒性。掌握Modbus TCP的通用性、Profinet的实时性和EtherNet/IP的兼容性，能够应对绝大多数工业现场的联动需求。