電氣控制于PLC課件-第九章

第9章

可編程控制通信與網(wǎng)絡技術青島理工大學（機械工程學院）可編程序控制器（PLC）應用技術第9章

可編程控制器通信與網(wǎng)絡技術近年來，工廠自動化網(wǎng)絡得到了迅速的發(fā)展，相當多的企業(yè)已經(jīng)在大量地使用可編程設備，如PLC、工業(yè)控制計算機、變頻器、機器人、柔性制造系統(tǒng)等。將不同廠家生產(chǎn)的這些設備連在一個網(wǎng)絡上，相互之間進行數(shù)據(jù)通信，由企業(yè)集中管理，已經(jīng)是很多企業(yè)必須考慮的問題。本章主要介紹有關PLC的通信與工廠自動化通信網(wǎng)絡方面的初步知識。

9PLC通信與網(wǎng)絡技術

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PLC通信基礎概述通信：當任意兩臺設備之間有信息交換時，它們之間就產(chǎn)生了通信。PLC通信：是指PLC與PLC、PLC與計算機、PLC與現(xiàn)場設備或遠程I/O之間的信息交換。

PLC通信的任務：就是將地理位置不同的PLC、計算機、各種現(xiàn)場設備等，通過通信介質(zhì)連接起來，按照規(guī)定的通信協(xié)議，以某種特定的通信方式高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理。9.1

PLC通信基礎

9.1.1通信方式并行通信與串行通信并行通信：是以字節(jié)或字為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，除了8根或16根數(shù)據(jù)線、一根公共線外，還需要數(shù)據(jù)通信聯(lián)絡用的控制線。并行通信的傳送速度快，但是傳輸線的根數(shù)多，成本高，一般用于近距離的數(shù)據(jù)傳送。并行通信一般用于PLC的內(nèi)部，如PLC內(nèi)部元件之間、PLC主機與擴展模塊之間或近距離智能模塊之間的數(shù)據(jù)通信。

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9.1.1通信方式并行通信與串行通信串行通信：以二進制位（bit）為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，每次傳送一位，除了地線外，在一個數(shù)據(jù)傳輸方向上只需要一根數(shù)據(jù)線，這根線既作為數(shù)據(jù)線又作為通信聯(lián)絡控制線串行通信需要的信號線少，最少的只需要兩三根線，適用于距離較遠的場合。串行通信多用于PLC與計算機之間、多臺PLC之間的數(shù)據(jù)通信。傳輸速率是評價通信速度的重要指標。在串行通信中，傳輸速率常用比特率來表示，其單位是比特/秒（bit/s）或bps9.1

PLC通信基礎

9.1.1通信方式單工通信與雙工通信

單工通信方式：只能沿單一方向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。雙工通信方式：其信息可沿兩個方向傳送，每一個站既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)。全雙工方式：數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由兩根或兩組不同的數(shù)據(jù)線傳送，通信的雙方都能在同一時刻接收和發(fā)送信息半雙工方式：用同一根線或同一組線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通信的雙方在同一時刻只能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)在PLC通信中常采用半雙工和全雙工通信。

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9.1.1通信方式異步通信與同步通信

按同步方式的不同，串行通信分為異步通信和同步通信異步通信：通信雙方需要對所采用的信息格式和數(shù)據(jù)的傳輸速率作相同的約定。異步通信傳送附加的非有效信息較多，它的傳輸效率較低，一般用于低速通信，PLC一般使用異步通信。9.1

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9.1.1通信方式異步通信與同步通信同步通信：以字節(jié)為單位。每次傳送l~2個同步字符、若干個數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗字符。同步字符起聯(lián)絡作用，用它來通知接收方開始接收數(shù)據(jù)。在同步通信中，發(fā)送方和接收方要保持完全的同步。在近距離通信時，可以在傳輸線中設置一根時鐘信號線。在遠距離通信時，可以在數(shù)據(jù)流中提取出同步信號，使接收方得到與發(fā)送方完全相同的接收時鐘信號。同步通信方式傳輸效率高，但是對硬件的要求較高，一般用于高速通信。

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9.1.1通信方式基帶傳輸與頻帶傳輸基帶傳輸：按照數(shù)字信號原有的波形（以脈沖形式）在信道上直接傳輸，它要求信道具有較寬的通頻帶?；鶐鬏敃r，通常對數(shù)字信號進行一定的編碼，常用數(shù)據(jù)編碼方法有非歸零碼NRZ、曼徹斯特編碼和差動曼徹斯特編碼等。9.1

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9.1.1通信方式基帶傳輸與頻帶傳輸頻帶傳輸：是一種采用調(diào)制解調(diào)技術的傳輸形式。發(fā)送端采用調(diào)制手段，對數(shù)字信號進行某種變換，將代表數(shù)據(jù)的二進制“1”和“0”，變換成具有一定頻帶范圍的模擬信號，以適應在模擬信道上傳輸；接收端通過解調(diào)手段進行相反變換，把模擬的調(diào)制信號復原為“1”或“0”。常用的調(diào)制方法有頻率調(diào)制、振幅調(diào)制和相位調(diào)制。具有調(diào)制、解調(diào)功能的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器，即Modem。PLC通信中，基帶傳輸和頻帶傳輸兩種傳輸形式都有采用，但多采用基帶傳輸。

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9.1.2通信介質(zhì)通信介質(zhì)：是在通信系統(tǒng)中位于發(fā)送端與接收端之間的物理通路。通信介質(zhì)一般可分為：導向性介質(zhì)、非導向性介質(zhì)導向性介質(zhì)：這種介質(zhì)將引導信號的傳播方向，如：雙絞線、同軸電纜和光纖等；非導向性介質(zhì)：一般通過空氣傳播信號，它不為信號引導傳播方向，如短波、微波和紅外線通信等。

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9.1.2通信介質(zhì)雙絞線雙絞線是由兩根彼此絕緣的導線按照一定規(guī)則以螺旋狀絞合在一起。這種結(jié)構能在一定程度上減弱來自外部的電磁干擾及相鄰雙絞線引起的串音干擾。但在傳輸距離、帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率等方面仍有其一定的局限性。

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9.1.2通信介質(zhì)非屏蔽雙絞線電纜：價格便宜、直徑小節(jié)省空間、使用方便靈活、易于安裝美國電器工業(yè)協(xié)會（EIA）規(guī)定了六種質(zhì)量級別的雙絞線電纜，其中1類線檔次最低，只適于傳輸語音；6類線檔次最高，傳輸頻率可達到250MHz。3類線數(shù)據(jù)傳輸率可達10Mbps；4類線數(shù)據(jù)傳輸率可達16Mbps；5類線數(shù)據(jù)傳輸可達100Mbps。屏蔽雙絞線電纜：抗干擾能力強，有較高的傳輸速率，100m內(nèi)可達到155Mbps。但其價格相對較貴，需要配置相應的連接器，使用時不是很方便。

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9.1.2通信介質(zhì)同軸電纜與雙絞線相比，同軸電線抗干擾能力強，能夠應用于頻率更高、數(shù)據(jù)傳輸速率更快的情況。對其性能造成影響的主要因素來自衰損和熱噪聲，采用頻分復用技術時還會受到交調(diào)噪聲的影響。雖然目前同軸電纜大量被光纖取代，但它仍廣泛應用于有線電視和某些局域網(wǎng)中。

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9.1.2通信介質(zhì)同軸電纜同軸電纜主要有：50Ω電纜和75Ω電纜。50Ω電纜：用于基帶數(shù)字信號傳輸，又稱基帶同軸電纜。電纜中只有一個信道，數(shù)據(jù)信號采用曼徹斯特編碼方式，數(shù)據(jù)傳輸速率可達10Mbps，這種電纜主要用于局域網(wǎng)。75Ω電纜：是CATV系統(tǒng)使用的標準，它既可用于傳輸寬帶模擬信號，也可用于傳輸數(shù)字信號。對于模擬信號而言，其工作頻率可達400MHZ。若在這種電纜上使用頻分復用技術，則可以使其同時具有大量的信道，每個信道都能傳輸模擬信號。9.1

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9.1.2通信介質(zhì)光纖光纖是一種傳輸光信號的傳輸媒介光纖的結(jié)構：處于光纖最內(nèi)層的纖芯是一種橫截面積很小、質(zhì)地脆、易斷裂的光導纖維，制造這種纖維的材料可以是玻璃也可以是塑料。纖芯的外層裹有一個包層，它由折射率比纖芯小的材料制成。由于在纖芯與包層之間存在著折射率的差異，光信號才得以通過全反射在纖芯中不斷向前傳播。在光纖的最外層則是起保護作用的外套。通常都是將多根光纖扎成束并裹以保護層制成多芯光纜。

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9.1.2通信介質(zhì)光纖根據(jù)制作材料的不同，光纖可分為：石英光纖、塑料光纖、玻璃光纖等；根據(jù)傳輸模式不同，光纖可分為：多模光纖和單模光纖；根據(jù)纖芯折射率的分布不同，光纖可以分為：突變型光纖和漸變型光纖；根據(jù)工作波長的不同，光纖可分為：短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。9.1

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9.1.2通信介質(zhì)光纖在實際光纖傳輸系統(tǒng)中，還應配置與光纖配套的光源發(fā)生器件和光檢測器件。最常見的光源發(fā)生器件是發(fā)光二極管（LED）和注入激光二極管（ILD）。光檢測器件是在接收端能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)化成電信號的器件，目前使用的光檢測器件有光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD），光電二極管的價格較便宜，然而雪崩光電二極管卻具有較高的靈敏度。

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9.1.2通信介質(zhì)光纖光纖的優(yōu)點：1）光纖支持很寬的帶寬（1014～1015

HZ），覆蓋了紅外線和可見光的頻譜。2）具有很快的傳輸速率，當前傳輸速率制約因素是信號生成技術。3）光纖抗電磁干擾能力強，且光束本身又不向外輻射，適用于長距離的信息傳輸及安全性要求較高的場合。4）光纖衰減較小，中繼器的間距較大。光纖的缺點：系統(tǒng)成本較高、不易安裝與維護、質(zhì)地脆易斷裂等。

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9.1.3PLC常用通信接口

PLC通信主要采用串行異步通信，其常用的串行通信接口標準有RS-232C、RS-422A和RS-485等。

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9.1.3PLC常用通信接口RS-232CRS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1969年公布的通信協(xié)議。RS-232C接口標準是目前計算機和PLC中最常用的一種串行通信接口。RS-232C采用負邏輯，用-5～-15V表示邏輯“l(fā)”，用+5～+15V表示邏輯“0”。噪聲容限為2V，即接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯“0”，高到-3V的信號作為邏輯“1”

。RS-232C只能進行一對一的通信，RS-232C可使用9針或25針的D型連接器，PLC一般使用9針的連接器RS-232機械尺寸9.1

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9.1.3PLC常用通信接口RS-232C9.1

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9.1.3PLC常用通信接口RS-232CRS-232-C的電氣接口采用單端驅(qū)動、單端接收的電路，容易受到公共地線上的電位差和外部引入的干擾信號的影響，同時還存在以下不足之處：1）

傳輸速率較低，最高傳輸速度速率為20kbps。2）

傳輸距離短，最大通信距離為15m3）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，與TTL電平不兼容9.1

PLC通信基礎

9.1.3PLC常用通信接口RS-422A

針對RS-232C的不足，EIA于1977年推出了串行通信標準RS-499，對RS-232C的電氣特性作了改進，RS-422A是RS-499的子集。

RS-422A采用平衡驅(qū)動、差分接收電路，從根本上取消了信號地線，大大減少了地電平所帶來的共模干擾。

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9.1.3PLC常用通信接口RS-422ARS-422在最大傳輸速率10Mbps時，允許的最大通信距離為12m。傳輸速率為100kbps時，最大通信距離為1200m。一臺驅(qū)動器可以連接10臺接收器。

RS-422A是全雙工，兩對平衡差分信號線分別用于發(fā)送和接收，所以采用RS422接口通信時最少需要4根線。9.1

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9.1.3PLC常用通信接口RS-485RS-485是RS-422的變形，為半雙工，只有一對平衡差分信號線，不能同時發(fā)送和接收，最少只需二根連線。

RS-485的邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2~6）V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2~6）V表示。電平與TTL電平兼容，可方便與TTL

電路連接。

RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性、高傳輸速率（10Mbps）、長的傳輸距離（1200m）和多站能力（最多128站）等優(yōu)點，所以在工業(yè)控制中廣泛應用。9.1

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9.1.3PLC常用通信接口RS-4859.1

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放式互連協(xié)議（OSI）為了實現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的智能設備之間的通信，國際標準化組織ISO提出了開放系統(tǒng)互連模型OSI(OpenSystemInterconnection)，作為通信網(wǎng)絡國際標準化的參考模型。詳細描述了軟件功能的7個層次。每一層都盡可能自成體系，均有明確的功能。9.1

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）物理層（PhysicalLayer）物理層是為建立、保持和斷開在物理實體之間的物理連接，提供機械的、電氣的、功能性的和規(guī)程的特性。物理層是建立在傳輸介質(zhì)之上，負責提供傳送數(shù)據(jù)比特位“0”和“1”碼的物理條件。同時，定義了傳輸介質(zhì)與網(wǎng)絡接口卡的連接方式以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方式。接口標準RS-232C、RS-422和RS-485等就屬于物理層。

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）數(shù)據(jù)鏈路層（DatalinkLayer）數(shù)據(jù)鍵路層通過物理層提供的物理連接，實現(xiàn)建立、保持和斷開數(shù)據(jù)鏈路的邏輯連接，完成數(shù)據(jù)的無差錯傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的主要控制功能是差錯控制和流量控制，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在數(shù)據(jù)鏈路上，數(shù)據(jù)以幀格式傳輸，幀是包含多個數(shù)據(jù)比特位的邏輯數(shù)據(jù)單元，通常由控制信息和傳輸數(shù)據(jù)兩部分組成。常用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是面向比特的串行同步通信協(xié)議----同步數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議/高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（SDLC/HDLC）。

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）網(wǎng)絡層（NetworkLayer）網(wǎng)絡層完成站點間邏輯連接的建立和維護，負責傳輸數(shù)據(jù)的尋址，提供網(wǎng)絡各站點間進行數(shù)據(jù)交換的方法，完成傳輸數(shù)據(jù)的路由選擇和信息交換的有關操作。網(wǎng)絡層的主要功能是報文包的分段、報文包阻塞的處理和通信子網(wǎng)內(nèi)路徑的選擇。常用的網(wǎng)絡層協(xié)議有X.25分組協(xié)議和IP協(xié)議。

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）傳輸層（TransportLayer）傳輸層是向會話層提供一個可靠的端到端（end-to-end）的數(shù)據(jù)傳送服務。傳輸層的信號傳送單位是報文（Message），它的主要功能是流量控制、差錯控制、連接支持。典型的傳輸層協(xié)議是因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議中的TCP協(xié)議。

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）會話層（SessionLayer）兩個表示層用戶之間的連接稱為會話，對應會話層的任務就是提供一種有效的方法，組織和協(xié)調(diào)兩個層次之間的會話，并管理和控制它們之間的數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡下載中的斷點續(xù)傳就是會話層的功能。9.1

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）表示層（PresentationLayer）表示層用于應用層信息內(nèi)容的形式變換，如數(shù)據(jù)加密/解密、信息壓縮／解壓和數(shù)據(jù)兼容，把應用層提供的信息變成能夠共同理解的形式。

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）應用層（ApplicationLayer）應用層作為參考模型的最高層，為用戶的應用服務提供信息交換，為應用接口提供操作標準。七層模型中所有其它層的目的都是為了支持應用層，它直接面向用戶，為用戶提供網(wǎng)絡服務。常用的應用層服務有電子郵件(E-mail)、文件傳輸(FTP)和Web服務等。

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9.1.4計算機通信協(xié)議

開放系統(tǒng)互連模型（OSI）OSI7層模型中，除了物理層和物理層之間可直接傳送信息外，其它各層之間實現(xiàn)的都是間接的傳送。OSI7層參考模型只是要求對等層遵守共同的通信協(xié)議，并沒有給出協(xié)議本身。OSI7層協(xié)議中，高4層提供用戶功能，低3層提供網(wǎng)絡通信功能。

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9.1.4計算機通信協(xié)議

IEEE802通信標準IEEE802通信標準是IEEE（國際電工與電子工程師學會）的802分委員會從1981年至今頒布的一系列計算機局域網(wǎng)分層通信協(xié)議標準草案的總稱。它把OSI參考模型的底部兩層分解為邏輯鏈路控制子層（LLC）、媒體訪問子層（MAC）和物理層。前兩層對應于OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層是一條鏈路（Link）兩端的兩臺設備進行通信時所共同遵守的規(guī)則和約定。IEEE802的媒體訪問控制子層對應于多種標準，其中最常用的為三種，即帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）協(xié)議、令牌總線（TokenBus）和令牌環(huán)（TokenRing）

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9.1.4計算機通信協(xié)議TCP/IP與FTP協(xié)議成為當今國際互聯(lián)網(wǎng)的通信標準。MAP制造自動化協(xié)議9.2PLC網(wǎng)絡簡介PLC網(wǎng)絡結(jié)構9.2PLC網(wǎng)絡簡介（1）星形結(jié)構只有一個中心節(jié)點，網(wǎng)絡上其他各節(jié)點都分別與中心節(jié)點相連，通信功能由中心節(jié)點進行管理，并通過中心節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。（2）總線結(jié)構這種結(jié)構的所有節(jié)點都通過相應硬件連接到一條無源公共總線上，任何一個節(jié)點發(fā)出的信息都可沿著總線傳輸，并被總線上其他任意節(jié)點接收。它的傳輸方向是從發(fā)送節(jié)點向兩端擴散傳送。（3）環(huán)形結(jié)構環(huán)形結(jié)構中的各節(jié)點通過有源接口連接在一條閉合的環(huán)形通信線路中，是點對點式結(jié)構，即一個節(jié)點只能把數(shù)據(jù)傳送到下一個節(jié)點。若下一個節(jié)點不是數(shù)據(jù)發(fā)送的目的節(jié)點，則再向下傳送直到目的節(jié)點接收為止。

MELSECNET網(wǎng)絡１．MELSECNET是三菱公司的MELSEC可編程控制器，MELSECNET網(wǎng)絡采用環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構，在數(shù)據(jù)通信中有主環(huán)和輔環(huán)兩路通信鏈路，兩者互為冗余。其網(wǎng)絡結(jié)構圖

２．MELSECNET網(wǎng)絡特點

（１）具有構成多層數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的能力，允許在同一層次內(nèi)由本地站與遠程I/O站混合組成。（２）數(shù)據(jù)通信可以使用抗噪聲干擾能力強的光纖電纜，也可以使用經(jīng)濟的同軸電纜。（３）可靠性高：數(shù)據(jù)通信有兩個環(huán)路，兩個環(huán)路均可作為主環(huán)路，但一個數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中，僅允許有一個主環(huán)路，系統(tǒng)還具有電源瞬間斷電之校正功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。２．MELSECNET網(wǎng)絡特點（４）傳輸速度較高，這保證了通過MELSECNET網(wǎng)絡的公共數(shù)據(jù)通信，所有站均可利用公共的1024個通訊繼電器（Ｂ）和1024個16位通訊寄存器（Ｗ）。（５）使用編程器A6GPPE、A6PHPE、A6HGPE可將控制程序由主控站向從站下裝(download)，也可將控制程序由從站向主控站上裝(upload)，還可以在監(jiān)測屏幕上檢查通訊的狀態(tài)。（６）若將一個無程序(programless)的監(jiān)測系統(tǒng)與MELSECNET網(wǎng)絡相連，則可在彩色屏幕畫面上采