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PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)分析

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PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)分析

摘要:自動(dòng)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(guó)工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)帶來了新的變革,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是其中最為突出的1項(xiàng)技術(shù),同時(shí)也是推動(dòng)現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α,F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以用來幫助自動(dòng)化車間完成監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)的通信與控制,從而使工業(yè)自動(dòng)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(jì)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(shí)逐漸覆蓋到車間生產(chǎn)和企業(yè)管理等各個(gè)方面,形成了1個(gè)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(yíng)的信息化。因此,在當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化成為主要生產(chǎn)力的情況下,對(duì)基于plc自動(dòng)化控制系統(tǒng)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(dòng)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(dòng)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(duì)內(nèi)部程序進(jìn)行改變,并在一定用戶的指令下對(duì)自動(dòng)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(huì)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(dòng)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(shí)還對(duì)這2項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的升級(jí)。PLC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)接線更為簡(jiǎn)便安全,同時(shí)工作效率也更高、更安全。通常情況下PLC技術(shù)主要由計(jì)算處理CPU、數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(duì)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(dòng)化控制的不二選擇。PLC可編程控制器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)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(jí)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(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(shí)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口(PPI)、多點(diǎn)接口(MPI)、現(xiàn)場(chǎng)總線(PROFIBUS)、工業(yè)以太網(wǎng)(PROFINET)和自由口協(xié)議等多個(gè)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(gè)PPI網(wǎng)絡(luò)。在該協(xié)議下,主站是請(qǐng)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(gè)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(duì)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(duì)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(jí)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)總線在當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)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(gè)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(chǎng)層,其通信服務(wù)主要面向PLC、自動(dòng)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(gè)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(jí)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。基于此,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(jí)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(dòng)化過程中起著基礎(chǔ)性作用,因此常用在總線供電等場(chǎng)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(chǎng)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(shí)輪詢協(xié)議。FMS與DP在物理層和用戶層上類似,同時(shí)由于其在現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路層上采用報(bào)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(shí),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(shí)整個(gè)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(gè)時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)都是唯一的,同時(shí)要求系統(tǒng)內(nèi)部必須能夠盡可能地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(bào)文,其應(yīng)用僅面向主站間的通信,同時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)RS-485又采用平衡差分傳輸?shù)姆绞?。同時(shí)PROFIBUS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(hào),該方式可以有效降低環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)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(tái)設(shè)備,且網(wǎng)段距離最高可達(dá)1200m。同時(shí)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(duì)總線存取控制、數(shù)據(jù)安全、傳輸協(xié)議以及報(bào)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(hào)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(cè)試BT200為手持式測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)等。BT200診斷工具具有電池供電、操作簡(jiǎn)單以及測(cè)試快速準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì),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(shí)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備,是PROFIBUS總線系統(tǒng)進(jìn)行物理信號(hào)監(jiān)測(cè)、報(bào)文捕捉、站點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)、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(bào)文、動(dòng)態(tài)顯示信號(hào)的波形圖、實(shí)時(shí)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(cè)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(gè)系統(tǒng)信息功能塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能塊。通過對(duì)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(gè)站點(diǎn)的工作狀態(tài)、故障時(shí)故障信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、主站診斷緩沖區(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(gè)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(bào)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(duì)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(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)取得巨大發(fā)展,現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式的出現(xiàn),更是為工業(yè)自動(dòng)化增添了更強(qiáng)勁發(fā)展動(dòng)力。在實(shí)踐中,PROFIBUS通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)無疑更為突出,其能夠完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jì),更要采用多種故障診斷模式,以使其在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮更大作用。

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作者:高專科 單位:陜西延長(zhǎng)石油興化集團(tuán)電氣儀表公司