📚 课程目录第3章 PLC与工业通信基础

3. PLC与工业通信基础

在把 Basler 相机接入生产线之前，必须先弄清“谁来指挥相机、通过什么通道传数据、信号以什么形式落地”。这一节围绕三个问题展开：主流 PLC 的型号与定位、I/O 类型与信号形态、以及工业以太网与现场总线的分工。理解这三层，才能在后续选型、组态和联调时做出正确判断。

一、三大品牌 PLC 的常用型号与定位

西门子在中大型产线中占据主导。S7-1200 属于紧凑型控制器，CPU 1214C/1215C 自带数字量 I/O 和 PROFINET 接口，适合单机或小型工位；S7-1500 面向中大型系统，CPU 1511/1516 处理能力强、支持更多通信资源，常用于多相机、多工位的整线控制。两者都原生支持 PROFINET，是 Basler 相机通过 PLC 触发和取图的常见平台。

三菱以 FX 与 iQ-R/iQ-F 系列为主。FX3U、FX5U 在小型设备中应用广泛，FX5U 内置以太网口，可直接做 Modbus TCP 或 SLMP 通信；iQ-R 系列面向中大型系统，模块化程度高。三菱生态中 CC-Link IE 是常见现场总线，与以太网并存。

欧姆龙以 CJ/CP 与 NX/NJ 系列为代表。CP1H、CJ2M 常见于中小型设备；NJ/NX 系列是机器自动化控制器，内置 EtherCAT 主站，适合运动控制与视觉协同。欧姆龙同时支持 EtherNet/IP，与欧美设备互联方便。

选型时先看三件事：相机触发方式（硬触发还是软触发）、通信协议是否原生支持、以及 I/O 点数与响应时间是否满足节拍。品牌本身不是第一约束，协议与实时性才是。

二、I/O 类型：数字量、模拟量与特殊模块

数字量输入（DI）用于接收按钮、限位、光电开关等开关信号，典型为 24V DC 漏型/源型；数字量输出（DO）用于驱动继电器、指示灯、电磁阀，分晶体管输出（高速、适合脉冲）和继电器输出（大电流、寿命有限）。Basler 相机的触发信号通常由 PLC 的晶体管 DO 发出，因为需要微秒级响应。

模拟量输入（AI）用于采集压力、温度、位移等连续量，常见 0–10V、4–20mA；模拟量输出（AO）用于控制比例阀、变频器给定。相机曝光与光源亮度若需连续调节，可能通过 AO 或通信参数下发实现。

特殊模块包括高速计数、脉冲输出、通信模块等。高速计数用于编码器位置反馈，脉冲输出用于步进/伺服定位。在视觉工位中，编码器信号常同时送入 PLC 高速计数模块和相机触发链路，用于位置同步。

三、工业以太网与现场总线概览

工业以太网基于标准以太网物理层，但增加了实时性与确定性机制。PROFINET 是西门子主推的工业以太网标准，支持 RT（实时）与 IRT（等时实时），IRT 抖动可控制在微秒级，适合运动控制与视觉触发同步。EtherNet/IP 由罗克韦尔主推，基于 CIP 协议，在欧美汽车与包装线中常见。Modbus TCP 结构简单、开放免费，适合数据采集与低速控制，但实时性弱于前两者。

现场总线方面，PROFIBUS DP 是较早期的 RS-485 总线，速率 9.6k–12Mbps，仍大量存在于存量设备；CC-Link IE 是三菱的千兆工业以太网；EtherCAT 由倍福推出，采用“飞读飞写”机制，周期可低至 100μs 以下，欧姆龙 NJ/NX 内置该主站。选择协议时，核心是看 PLC 原生支持哪种、相机或视觉控制器支持哪种，以及节拍要求。

四、面向 Basler 相机的通信选型要点

Basler 相机本身走 GigE Vision 或 USB3 Vision，与 PLC 之间通常不直接“对话”，而是通过三种方式协同：一是 PLC 发硬触发信号给相机 I/O，相机曝光后把图像传给视觉控制器或 PC；二是 PLC 与视觉控制器通过 PROFINET/EtherNet/IP 交换结果与状态字；三是相机通过 TCP/IP 或 Modbus TCP 接收参数、回传简单结果。

因此选型时，PLC 侧要确认：是否具备足够的晶体管 DO 用于触发、是否支持目标协议、以及通信周期是否小于工位节拍。例如节拍 200ms 的工位，用 Modbus TCP 交换结果通常够用；若要求相机与伺服位置严格同步，则应选 PROFINET IRT 或 EtherCAT 方案。

不要把“能通信”等同于“能同步”。Modbus TCP 可以传结果，但无法保证微秒级触发对齐；需要位置同步时，必须使用带实时机制的协议或独立硬触发链路。

五、一个可参考的通信配置示例

假设一条包装线使用西门子 S7-1500 控制，Basler acA2500-14gm 相机安装在检测工位，视觉控制器运行 pylon 与图像处理程序。配置思路如下：

PLC 侧：
  CPU 1511-1 PN，PROFINET 接口连接交换机
  组态视觉控制器为 PROFINET IO 设备，分配输入/输出各 16 字节
  输出字节 0：触发脉冲（Q0.0 上升沿）
  输入字节 0：检测结果（0=NG，1=OK）
  输入字节 1：相机就绪状态

视觉控制器侧：
  接收 PROFINET 触发信号，调用 pylon 取图
  执行检测算法，将结果写入输入映射区
  周期：PROFINET RT，约 4ms

相机侧：
  硬触发线接 PLC 晶体管 DO（24V）
  曝光时间 200μs，增益 6dB
  图像经 GigE 传至视觉控制器

调试时先确认 PLC 能收到“相机就绪”状态，再发触发脉冲，观察视觉控制器是否取到图；最后检查结果字是否随工件变化正确翻转。若触发无响应，优先查触发线极性、DO 类型（源型/漏型）和相机触发模式设置，而不是先怀疑协议配置。