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?，F(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，實現(xiàn)工業(yè)的智能化發(fā)展。目前，計算機網(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行控制的技術(shù)，其可以對內(nèi)部程序進行改變，并在一定用戶的指令下對自動化系統(tǒng)進行控制。該技術(shù)可以進行相關(guān)邏輯運算。在邏輯運算后，系統(tǒng)會生成模擬控制量，進而控制相關(guān)機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)[1]。與傳統(tǒng)自動化控制技術(shù)相比，PLC技術(shù)進一步融合了微機技術(shù)和繼電器技術(shù)，同時還對這2項技術(shù)進行了進一步的升級。PLC技術(shù)在實際應(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)擁有獨立的通信模塊，這是其實現(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就可以同時支持點對點接口（PPI）、多點接口（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)實等HMI設(shè)備。從站設(shè)備則主要有CPU和擴展機架等。對S7-200來說，其從站由于包括CPU，因此，在用戶程序為PPI主站模式的情況下，其從站也可以充當(dāng)主站，進而獲取讀取或?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標準為基礎(chǔ)，以總線型拓撲為基本結(jié)構(gòu)形式。實踐中，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，因為主站讀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行編寫。但在實際編寫前，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)，可以實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的分散式發(fā)展。PROFIBUS通信實際上是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：1）PROFIBUS-DP主要負責(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)更為強大。PA在數(shù)據(jù)鏈路層的擴展協(xié)議應(yīng)用上與DP相同，但在物理層上則采用IEC1158-2標準。同時，因為在物理層上存在差異，所以PA與DP網(wǎng)段間需要依靠耦合器進行連接，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。在實際運行中，每個時刻發(fā)送數(shù)據(jù)的站點都是唯一的，同時要求系統(tǒng)內(nèi)部必須能夠盡可能地實現(xiàn)實時傳輸，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)鏈路層等方面進行分析。其中PROFIBUS的物理層主要采用RS-485物理連接的方式進行連接，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?；谠撐锢磉B接所構(gòu)建出的拓撲結(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1200m。同時其傳輸速率可以在9.6Kb/s~12Mb/s進行自由選擇。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行規(guī)定，進而建立、維持及拆除鏈路連接，最終保證傳輸?shù)臏蚀_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)；釆用標準DP電纜進行站點連接；網(wǎng)絡(luò)擴展使用信號中繼器、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進行RS-485通信口、通信質(zhì)量以及總線網(wǎng)絡(luò)可用站點數(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)進行物理信號監(jiān)測、報文捕捉、站點電壓監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)線路拓撲診斷的專用工具，可實現(xiàn)捕捉總線報文、動態(tài)顯示信號的波形圖、實時顯示通信站點的端口電壓、網(wǎng)絡(luò)拓撲診斷、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)容詳細的系統(tǒng)信息。這些信息包括各個站點的工作狀態(tài)、故障時故障信息、網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、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)自動化增添了更強勁發(fā)展動力。在實踐中，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，不但要基于此項進行創(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電氣儀表公司