PLC自動化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)分析

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摘要：自動化技術(shù)以極快的速度在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)展，該技術(shù)的發(fā)展使我國工業(yè)領(lǐng)域的自動化水平日益提升。全球范圍內(nèi)通信技術(shù)的發(fā)展為自動化技術(shù)帶來了新的變革，現(xiàn)場總線技術(shù)是其中最為突出的1項(xiàng)技術(shù)，同時也是推動現(xiàn)代自動化技術(shù)發(fā)展的重要動力。現(xiàn)場總線技術(shù)可以用來幫助自動化車間完成監(jiān)控、現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)的通信與控制，從而使工業(yè)自動化的智能化水平得到提升，實(shí)現(xiàn)工業(yè)的智能化發(fā)展。目前，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信和控制技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備層得到廣泛滲透，同時逐漸覆蓋到車間生產(chǎn)和企業(yè)管理等各個方面，形成了1個滲透到各環(huán)節(jié)的龐大信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與企業(yè)經(jīng)營的信息化。因此，在當(dāng)前工業(yè)自動化成為主要生產(chǎn)力的情況下，對基于plc自動化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)進(jìn)行分析，將有助于現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：PLC自動化控制；通信技術(shù)；PROFIBUS；可編程控制器

1可編程控制器

PLC自動化控制系統(tǒng)是基于PLC技術(shù)而構(gòu)建的1種控制系統(tǒng)。PLC技術(shù)就是1種利用可編程邏輯控制器進(jìn)行控制的技術(shù)，其可以對內(nèi)部程序進(jìn)行改變，并在一定用戶的指令下對自動化系統(tǒng)進(jìn)行控制。該技術(shù)可以進(jìn)行相關(guān)邏輯運(yùn)算。在邏輯運(yùn)算后，系統(tǒng)會生成模擬控制量，進(jìn)而控制相關(guān)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。與傳統(tǒng)自動化控制技術(shù)相比，PLC技術(shù)進(jìn)一步融合了微機(jī)技術(shù)和繼電器技術(shù)，同時還對這2項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的升級。PLC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)接線更為簡便安全，同時工作效率也更高、更安全。通常情況下PLC技術(shù)主要由計算處理CPU、數(shù)據(jù)儲存器、電源系統(tǒng)、固定程序、通信模塊以及處理模塊等共同構(gòu)成。此外，由于PLC可編程控制器以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，因此，其可以與網(wǎng)絡(luò)數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中的信息化控制以及統(tǒng)一管理，這對于保證生產(chǎn)的穩(wěn)定有序發(fā)揮了積極的作用[2]。由此可見，PLC技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中是自動化控制的不二選擇。PLC可編程控制器經(jīng)過長時間的發(fā)展，已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)以及運(yùn)算等多種功能，形成了1種分級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。這其中也有現(xiàn)代通信技術(shù)的身影。而當(dāng)前的現(xiàn)場總線技術(shù)正是基于信息技術(shù)與PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用而發(fā)展形成的1種技術(shù)，其安裝在生產(chǎn)制造的相關(guān)設(shè)備、儀表和控制性的網(wǎng)站空間設(shè)備之間，用以連接各節(jié)點(diǎn)形成1個完整的網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)，而基于PLC的通信技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)。

2PLC網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

PLC網(wǎng)絡(luò)擁有獨(dú)立的通信模塊，這是其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。而不同的PLC類型，其所使用的通信模塊是不同的。例如采用西門子S7-200系列PLC的生產(chǎn)線，其CPU就可以同時支持點(diǎn)對點(diǎn)接口（PPI）、多點(diǎn)接口（MPI）、現(xiàn)場總線（PROFIBUS）、工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）和自由口協(xié)議等多個不同的通信方式[3]。為了進(jìn)一步分析PLC網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，該處主要圍繞PPI通信技術(shù)和PROFIBUS通信技術(shù)展開探討。

2.1PPI通信技術(shù)

PPI通信技術(shù)是西門子S7-200系列PLC中最基礎(chǔ)的通信方式，其實(shí)現(xiàn)通信依靠的是PORT0或PORT1端口。這里的PPI是指主站-從站協(xié)議。由于主、從站存在于同一令牌環(huán)網(wǎng)中，因此，主站通過接收令牌來獲得向其他從站發(fā)指令的權(quán)限，從而形成1個PPI網(wǎng)絡(luò)。在該協(xié)議下，主站是請求與指令的發(fā)出者，從站則是相應(yīng)者。以PPI為基礎(chǔ)構(gòu)建的主站網(wǎng)絡(luò)最多可以支持32個主站，所有主站都通過PPI協(xié)議所管理的連接來進(jìn)行與從站的通信[4]。在同一網(wǎng)絡(luò)中，主站如果沒有接收令牌，則與從站一樣，也可以對其他主站進(jìn)行響應(yīng)。其中主站設(shè)備主要包括自帶系統(tǒng)的編程設(shè)備、觸摸面板以及文本現(xiàn)實(shí)等HMI設(shè)備。從站設(shè)備則主要有CPU和擴(kuò)展機(jī)架等。對S7-200來說，其從站由于包括CPU，因此，在用戶程序?yàn)镻PI主站模式的情況下，其從站也可以充當(dāng)主站，進(jìn)而獲取讀取或?qū)懭肫渌鸆PU數(shù)據(jù)的權(quán)限。此外，在PPI通信技術(shù)中還有1種更高級的PPI協(xié)議，即在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立邏輯連接的協(xié)議。但該協(xié)議所支持的設(shè)備是十分有限的。在S7-200CPU中，僅有EM277模塊可以支持該協(xié)議。PPI的傳輸速率一般在1.2kbps~115.2kpbs。PPI在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的構(gòu)建上主要以PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以總線型拓?fù)錇榛窘Y(jié)構(gòu)形式。實(shí)踐中，企業(yè)可以根據(jù)需求建設(shè)不同的PPI網(wǎng)絡(luò)，例如單主站PPI網(wǎng)絡(luò)、多主站PPI網(wǎng)絡(luò)以及復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)等。此外，在PPI網(wǎng)路中，因?yàn)橹髡咀x寫信息依靠的是相關(guān)讀寫指令，所以需要對其讀寫程序進(jìn)行編寫。但在實(shí)際編寫前，需要首先明確主站所發(fā)出數(shù)據(jù)的長度、數(shù)據(jù)發(fā)出的指向位置、數(shù)據(jù)發(fā)出的位置、主站接收數(shù)據(jù)長度以及讀取數(shù)據(jù)的位置等相關(guān)問題。這些數(shù)據(jù)問題的確定可以以系統(tǒng)工作的具體需求為依據(jù)。在這些問題確定之后，就可以進(jìn)行讀寫程序 的具體編寫。

2.2PROFIBUS通信技術(shù)

2.2.1PROFIBUS通信協(xié)議結(jié)構(gòu)與PPI通信相比，PROFIBUS即工業(yè)現(xiàn)場總線在當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。其屬于1種開放性的數(shù)字通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)的分散式發(fā)展。PROFIBUS通信實(shí)際上是1種RS-485串口通信，其協(xié)議結(jié)構(gòu)主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS以及PROFIBUS-PA3個子集構(gòu)成，具體如圖1所示。其中DP和FMS的物理連接接口為RS-485，可采用屏蔽單對雙絞銅線A型電纜。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)中各子集有以下3個特點(diǎn)：1）PROFIBUS-DP主要負(fù)責(zé)分布式系統(tǒng)中各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞。DP的應(yīng)用層為工廠現(xiàn)場層，其通信服務(wù)主要面向PLC、自動公職設(shè)備、傳感器以及執(zhí)行器，擁有較高的傳輸速度，并被用在單站或多站系統(tǒng)的建設(shè)中。在整個PROFIBUS結(jié)構(gòu)中，DP的應(yīng)用占比高達(dá)80%，是PROFIBUS技術(shù)的核心所在。2）PROFIBUS-FMS在車間級的通信上具有通用性，所以可以幫助完成各種中等傳輸速率的通信工作?；诖?，PROFIBUS-FMS可以在車間大范圍的信息交換中發(fā)揮作用，明確主站之間的通信規(guī)范，進(jìn)而為車間級控制提供大范圍的中速周期性通信或非周期性通信服務(wù)。3）PROFIBUS-PA在自動化過程中起著基礎(chǔ)性作用，因此常用在總線供電等場合。

2.2.2PROFIBUS通信參考模型OSI開放系統(tǒng)互連模型是PROFIBUS的通信參考模型。在該模型中，F(xiàn)MS、DP和PA又各自采用不同的層與行規(guī)。DP采用的物理層、現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層FDI以及用戶層，而其總線控制及數(shù)據(jù)傳輸則依靠Token-Passing主從分時輪詢協(xié)議。FMS與DP在物理層和用戶層上類似，同時由于其在現(xiàn)場總線鏈路層上采用報文規(guī)范，因此，它提供的通信服務(wù)更為強(qiáng)大。PA在數(shù)據(jù)鏈路層的擴(kuò)展協(xié)議應(yīng)用上與DP相同，但在物理層上則采用IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。同時，因?yàn)樵谖锢韺由洗嬖诓町?，所以PA與DP網(wǎng)段間需要依靠耦合器進(jìn)行連接，如圖2所示。

2.2.3PROFIBUS總線訪問控制分析在PROFIBUS系統(tǒng)中，DP、FMS和PA都以單一總線訪問來進(jìn)行相關(guān)的控制操作，同時整個系統(tǒng)的總線控制則涉及令牌傳遞和主從傳遞2種不同的方式。在實(shí)際運(yùn)行中，每個時刻發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)都是唯一的，同時要求系統(tǒng)內(nèi)部必須能夠盡可能地實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳輸，PROFIBUS總線訪問控制利用令牌傳遞方式解決該問題。令牌屬于特殊報文，其應(yīng)用僅面向主站間的通信，同時期在主站之間的循環(huán)周期還可以被提前設(shè)定。PROFIBUS總線控制就是通過令牌的傳遞來保證各主站在規(guī)定時間間隔內(nèi)獲取令牌，以此擁有總線訪問權(quán)。令牌環(huán)在系統(tǒng)中充當(dāng)著各主站間的組織鏈，主、從站間的主要通信方式為主站獲得令牌后，向從站發(fā)送或索取信息。依靠該方式就可以將整個系統(tǒng)根據(jù)需求組態(tài)為不同形式的系統(tǒng)。

2.2.4PROFIBUS通信協(xié)議PROFIBUS通信協(xié)議的研究需要從物理、網(wǎng)絡(luò)連接以及數(shù)據(jù)鏈路層等方面進(jìn)行分析。其中PROFIBUS的物理層主要采用RS-485物理連接的方式進(jìn)行連接，例如DP與FMS都采用該種連接方式。同時RS-485又采用平衡差分傳輸?shù)姆绞健Ｍ瑫rPROFIBUS中RS-485總線段結(jié)構(gòu)中利用有屏蔽層的雙絞電纜來傳輸相同大小但方向相反的信號，該方式可以有效降低環(huán)境噪聲對信號的影響。基于該物理連接所構(gòu)建出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其單一網(wǎng)段最大可接入32臺設(shè)備，且網(wǎng)段距離最高可達(dá)1200m。同時其傳輸速率可以在9.6Kb/s~12Mb/s進(jìn)行自由選擇。PROFIBUS數(shù)據(jù)鏈路層以O(shè)SI參考模型為基礎(chǔ)，對總線存取控制、數(shù)據(jù)安全、傳輸協(xié)議以及報文處理等進(jìn)行規(guī)定，進(jìn)而建立、維持及拆除鏈路連接，最終保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

3基于PROFIBUS的系統(tǒng)故障診斷

3.1硬件診斷方式

PROFIBUS總線的物理層采用RS-485雙絞線作為通信介質(zhì)；釆用標(biāo)準(zhǔn)DP電纜進(jìn)行站點(diǎn)連接；網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展使用信號中繼器、網(wǎng)關(guān)或鏈接模塊等設(shè)備?；诘讓游锢砭€路的通信診斷通常采用硬件診斷工具進(jìn)行工作。

3.1.1BT200硬件測試BT200為手持式測試設(shè)備，在總線系統(tǒng)線路網(wǎng)絡(luò)安裝鋪設(shè)和站點(diǎn)安裝階段，可以用它來測試PROFIBUS線路的連接是否正確、所用站點(diǎn)端口的通信是否正常。BT200主要用來測試A、B以及Shield線路是否出現(xiàn)斷路短路或AB線接反的情況，也可以對帶電的主站或從站站點(diǎn)進(jìn)行RS-485通信口、通信質(zhì)量以及總線網(wǎng)絡(luò)可用站點(diǎn)數(shù)量的檢測等。BT200診斷工具具有電池供電、操作簡單以及測試快速準(zhǔn)確的優(yōu)勢，是PROFIBUS系統(tǒng)初期安裝階段不可或缺的工具。

3.1.2Profitrace在線診斷Profitrace為PROFIBUS系統(tǒng)短時在線監(jiān)測設(shè)備，是PROFIBUS總線系統(tǒng)進(jìn)行物理信號監(jiān)測、報文捕捉、站點(diǎn)電壓監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)線路拓?fù)湓\斷的專用工具，可實(shí)現(xiàn)捕捉總線報文、動態(tài)顯示信號的波形圖、實(shí)時顯示通信站點(diǎn)的端口電壓、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓\斷、主站診斷等主要診斷功能。

3.2軟件診斷方式

3.2.1系統(tǒng)功能塊診斷為了能夠檢測和獲取PROFIBUS總線系統(tǒng)運(yùn)行的信息，S7V5.5編程軟件提供了多個系統(tǒng)信息功能塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能塊。通過對這些功能塊的條件引用及數(shù)據(jù)分析，可獲得大量且內(nèi)容詳細(xì)的系統(tǒng)信息。這些信息包括各個站點(diǎn)的工作狀態(tài)、故障時故障信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ⒅髡驹\斷緩沖區(qū)的診斷信息等。

3.2.2專用診斷功能塊診斷FB125和FB126診斷功能是西門子提供給S7-300/400PLC程序開發(fā)者用于診斷總線系統(tǒng)故障及獲取總線系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的功能塊。FB125/FB126是封裝多個診斷功能的智能系統(tǒng)診斷功能塊，可提供詳細(xì)的系統(tǒng)信息、系統(tǒng)診斷信息、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)信息、總線診斷模塊診斷信息、診斷報文信息等。合理而有效地使用FB125/FB126，可以多用途、多層次、多角度地診斷總線系統(tǒng)。EB126包含F(xiàn)B125功能。FB125是針對PROFIBUS系統(tǒng)的診斷功能塊，F(xiàn)B126在此基礎(chǔ)上還可診斷ProfinetI/O系統(tǒng)。

4結(jié)語

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)基于PLC自動化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)在現(xiàn)代社會已經(jīng)取得巨大發(fā)展，現(xiàn)場總線通信方式的出現(xiàn)，更是為工業(yè)自動化增添了更強(qiáng)勁發(fā)展動力。在實(shí)踐中，PROFIBUS通信技術(shù)的優(yōu)勢無疑更為突出，其能夠完成工業(yè)現(xiàn)場更多操作的訪問與控制。因此在新通信系統(tǒng)研究與應(yīng)用中，不但要基于此項(xiàng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，更要采用多種故障診斷模式，以使其在現(xiàn)代工業(yè)自動化中發(fā)揮更大作用。

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作者：高?？?單位：陜西延長石油興化集團(tuán)電氣儀表公司