PLC自動化控制系統(tǒng)通信技術(shù)研究

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摘要：在工業(yè)自動化領(lǐng)域，plc作為核心單元發(fā)揮著信息處理、指令發(fā)送等重要功能。而無論是信息的接收還是指令的傳遞，都有賴于通信系統(tǒng)。本文首先概述了PLC自動化控制系統(tǒng)的主體框架以及各組成部分的主要功能；隨后結(jié)合該系統(tǒng)的運(yùn)行流程，重點(diǎn)對主程序、啟動中斷程序、功能程序的應(yīng)用展開了簡要分析；最后結(jié)合PLC自動化控制系統(tǒng)的通信模式，介紹了系統(tǒng)運(yùn)行中使用到的PPI通信協(xié)議和Profibus通信技術(shù)。實(shí)踐表明，經(jīng)過通信優(yōu)化后的PLC自動化控制系統(tǒng)，響應(yīng)速度更快，運(yùn)行可靠性更好，進(jìn)一步提高了自動化水平。

關(guān)鍵詞：PLC；自動化控制系統(tǒng)；PPI通信協(xié)議；Profibus通信技術(shù)

基于PLC的自動化控制生產(chǎn)線，主要包括自動送料、物料加工、產(chǎn)品裝配、定向輸送、快速分揀五道工序。這些工序之間有著密切的邏輯關(guān)系，為保證前后兩道工序緊密銜接，必須提高PLC的響應(yīng)速率和控制水平。而通信系統(tǒng)通過影響信號傳遞速度，進(jìn)而直接決定了PLC接收信號的時(shí)效。因此，要想提高工業(yè)自動化控制水平，必須要對PLC自動化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新、優(yōu)化。

1基于PLC自動化控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)

早期的PLC自動化控制系統(tǒng)，采用線性控制模式，各模塊按照物料加工順序采用線性排列方式。雖然網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較簡單，但是存在諸多弊端，例如PLC指令需要逐級下達(dá)，導(dǎo)致末端環(huán)節(jié)指令響應(yīng)的延遲問題十分嚴(yán)重，特別是在工業(yè)生產(chǎn)速度較快的情況下，經(jīng)常會出現(xiàn)錯(cuò)誤。而基于Profibus開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的新型PLC自動化控制系統(tǒng)，在通信模式上則采用了垂直化控制方式，由終端控制設(shè)備（PLC）與現(xiàn)場分散的I/O設(shè)備之間直接完成信息傳遞，無論是信息傳遞的時(shí)效性，還是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身的穩(wěn)定性，都得到了明顯提升。新系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中：（1）控制輸送站采用的是S7-315-2DP控制器，發(fā)出控制命令后，前端的傳動裝置，通過直線運(yùn)動的方式將機(jī)械手推動到制定位置，然后控制機(jī)械手抓取物料臺上的產(chǎn)品。將產(chǎn)品提取起來之后，該控制器繼續(xù)發(fā)送指令，控制機(jī)械手做定向移動，達(dá)到制定位置后再松開機(jī)械手，將產(chǎn)品放下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)閉環(huán)操作。（2）人機(jī)交互模塊采用的是TP170B觸摸屏，其功能包括兩部分：其一是實(shí)時(shí)呈現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，其二是監(jiān)視整體現(xiàn)場控制設(shè)備對指令的響應(yīng)情況。上述兩個(gè)模塊均屬于系統(tǒng)主站，除此之外還包括若干功能性從站，例如控制送料站從站、控制加工站從站。一級主站與二級主站之間為令牌通信，主站與從站之間為主從通信。依托通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息與指令的傳遞，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與功能發(fā)揮。

2基于PLC自動化控制系統(tǒng)的程序功能

PLC作為整個(gè)自動化控制系統(tǒng)的絕對核心，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行需要靈活選擇PLC的型號。本文選擇的S7系列中的S7-315-2DP型PLC作為主站控制器，選擇S7-200型PLC作為從站控制器。系統(tǒng)選用Profibus現(xiàn)場總線通信方式，設(shè)計(jì)程序功能如圖2所示。在上圖中：

（1）OB1為主程序，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先啟動主程序，并在完成一次程序之后繼續(xù)循環(huán)，直到接收中止命令。BO1程序執(zhí)行期間，PLC會發(fā)送全局?jǐn)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過BO1搬運(yùn)站主程序，依次傳遞到FB1搬運(yùn)子程序、FC3急停程序、FC5加工站程序等等。另外，BO1還會利用時(shí)間監(jiān)視器，對最大掃描時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳給PLC。系統(tǒng)預(yù)設(shè)最大掃描時(shí)間為200ms，若實(shí)際掃描時(shí)間超出該值，則說明系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，由管理員重新校正。

（2）啟動中斷程序。在PLC自動化控制系統(tǒng)的啟動模式中，共有三種模式，分別是暖啟動（OB100）、熱啟動（OB101）和冷啟動（OB102）。系統(tǒng)上電后，模式選擇器會根據(jù)預(yù)設(shè)指令，自動從上述三種模式中選擇其一，完成啟動。若程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)時(shí)間錯(cuò)誤，則自動進(jìn)行中斷，待校準(zhǔn)時(shí)間后，返回上級程序，重新選擇啟動模式再次運(yùn)行。

（3）功能程序。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的具體需要編寫功能程序（FC），如FC4送料站程序、FC5加工站程序、FC6裝配站程序、FC11落料程序等等。在編寫程序時(shí)，為了方便編程人員的操作，西門子公司提供了一個(gè)面向西門子PLC用戶的指令庫，編程時(shí)刻直接從庫內(nèi)調(diào)用相關(guān)指令，包括輸入?yún)?shù)（IN）、輸出參數(shù)（OUT）、靜態(tài)參數(shù)（STAT）等。

3基于PLC自動化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)

西門子S7系列PLC支持多種通信模式，例如PPI（點(diǎn)對點(diǎn)接口）、MPI（多點(diǎn)接口）以及Profibus（現(xiàn)場總線）等。不同的通信模式，除了影響系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳輸速率外，也會對信息抗干擾能力等產(chǎn)生直接影響。因此，基于PLC自動化控制系統(tǒng)本身的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能需要，選擇恰當(dāng)?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)至關(guān)重要。PPI通信協(xié)議:作為S7系列PLC最常用的通信模式，可直接利用PLC自帶的通信端口完成系統(tǒng)的信息收發(fā)需要。從本質(zhì)上來看，PPI屬于主從協(xié)議，可支持一級、二級主站，與各從站之間的信息傳遞。在系統(tǒng)啟動運(yùn)行時(shí)，OB1主程序首先判斷網(wǎng)絡(luò)是否存在占用的情況，若網(wǎng)絡(luò)通暢，則建立PPI網(wǎng)絡(luò)。并基于該網(wǎng)絡(luò)由主站向從站發(fā)出請求指令。在從站作出相應(yīng)后，依托PPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“主-從”通信。雖然PLC只提供了PORT0和PORT1兩個(gè)通信端口，但是基于PPI網(wǎng)絡(luò)最多支持建立32個(gè)“主-從”網(wǎng)絡(luò)，因此完全能夠滿足自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的通信需求。另外，PPI高級協(xié)議還支持在獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立聯(lián)系，但是一臺設(shè)備連接其他設(shè)備的數(shù)量有限制。例如，S7-200型PLC的CPU支持PPI高級協(xié)議，其中的PROT0端口最大連接數(shù)為5，而PROT1端口最大連接數(shù)為8。同樣的，EM277模塊也支持PPI高級協(xié)議，最大支持連接數(shù)為6。具體情況如表1所示。Profibus通信技術(shù)。Profibus作為一類開放式的通信系統(tǒng)，在制造業(yè)自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域均有著廣泛使用。相比于PPI通信技術(shù)，Profibus的優(yōu)勢在于適應(yīng)更加復(fù)雜的通信任務(wù)，并且能夠有效解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，總線容易發(fā)生信息堵塞的問題，對提高整個(gè)系統(tǒng)的通信能力有積極作用。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。結(jié)合圖3，Profibus通信協(xié)議共分為5大層次，頂層為人機(jī)交互界面，用戶可手動輸入指令，也可調(diào)用各部分的運(yùn)行數(shù)據(jù)，了解整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)進(jìn)度；應(yīng)用層包括了基本功能和擴(kuò)展功能，提供了DP用戶接口；未定義的3-6層，由用戶根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)需要自行定義，或者后續(xù)進(jìn)行功能擴(kuò)展；數(shù)據(jù)鏈路層主要時(shí)現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路，同時(shí)提供了IEC接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線和各從站設(shè)備的連接；物理層以RS-485光纖為主。在Profibus通信中，可使用特殊的起始、結(jié)束定界符，對每個(gè)字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，有助于提高通信數(shù)據(jù)的可靠性。

4結(jié)論

PLC在工業(yè)自動化控制方面有著廣泛運(yùn)用，但是由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，加上對系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)效性、協(xié)調(diào)性等均有較高要求，這就需要對通信技術(shù)進(jìn)行改良和創(chuàng)新。從實(shí)踐來看，基于Profibus通信技術(shù)的PLC自動化控制系統(tǒng)，顯著提高了通信效率，解決了指令丟失、響應(yīng)延遲的問題，對進(jìn)一步提高PLC自動化控制系統(tǒng)的實(shí)用效果有良好作用。

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作者:李宇軒 單位:哈爾濱工程大學(xué)