基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程PLC的監(jiān)控

胡惠玉

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廈門361021)

0 引言

以網(wǎng)絡(luò)為主干的自動(dòng)化分布式控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中的主體,信息交換領(lǐng)域從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層擴(kuò)展到了企業(yè)管理層。在多樣化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信方式中,工業(yè)以太網(wǎng)克服了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)多,硬件費(fèi)用高,傳輸速率較低,支持應(yīng)用有限,不能與互聯(lián)網(wǎng)集成等缺點(diǎn),成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的趨勢(shì)。工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò),通過工業(yè)以太網(wǎng)可以將自動(dòng)化系統(tǒng)連接到企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)(Intranet)、外部互聯(lián)網(wǎng)(Extranet)和因特網(wǎng)(Internet),用IE瀏覽器可以訪問控制終端的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層之間的數(shù)據(jù)共享,即實(shí)現(xiàn)“管控一體化”。工業(yè)以太網(wǎng)的交換技術(shù)與全雙工通信,使以太網(wǎng)的通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高,減少了傳統(tǒng)以太網(wǎng)CSMA/CD機(jī)制造成的沖突和大量無關(guān)的通信量。可以采用冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),大大提高了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性,實(shí)現(xiàn)位于企業(yè)管理層的上位PC機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC的遠(yuǎn)程監(jiān)控,采用100 Mbit/s高速交換式工業(yè)以太網(wǎng)是最佳解決方案。

1 網(wǎng)絡(luò)硬件連接

工業(yè)以太網(wǎng)由4類網(wǎng)絡(luò)器件組成。第1類為網(wǎng)絡(luò)連接部件,包括交換機(jī)和FC快速連接插座。第2類為通信媒體,采用普通雙絞線、快速連接雙絞線、工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖。第3類為CPU集成的PN接口和工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器,用于將PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。第4類為PG/PC的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器,用于將 PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。交換機(jī)是構(gòu)建交換式以太網(wǎng)的核心部件,利用MAC地址訪問技術(shù)工作在數(shù)據(jù)鏈路層。交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)分成幾個(gè)網(wǎng)段,實(shí)現(xiàn)負(fù)載分離,各網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)可獨(dú)立于其他所有網(wǎng)段,在各自網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行通訊,多個(gè)報(bào)文可同時(shí)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)享整個(gè)介質(zhì)帶寬。交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行檢測(cè),不傳送錯(cuò)誤幀和錯(cuò)誤報(bào)告幀,阻止錯(cuò)誤向有關(guān)的子網(wǎng)擴(kuò)散。交換機(jī)所具有的自協(xié)商功能,使網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸開始之前自動(dòng)協(xié)商數(shù)據(jù)傳輸速率、工作方式以及數(shù)據(jù)達(dá)到最近節(jié)點(diǎn)的路徑。交換機(jī)集成的網(wǎng)絡(luò)冗余管理器,可以構(gòu)建環(huán)形冗余工業(yè)以太網(wǎng),冗余管理器監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)級(jí)連接口,一旦檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中斷將重新構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò),將網(wǎng)路切換到備份的通道上。例如,使用西門子 SCALANCE X-200、SCALANCE X-300或 SCALANCE X-400交換機(jī),組態(tài)有50個(gè)交換機(jī)的100 Mbit/s環(huán)形網(wǎng)絡(luò),重新構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間不超過0.3 s,保證了網(wǎng)絡(luò)的正常通信。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)支持總線形、星形或環(huán)形光學(xué)或電氣網(wǎng)絡(luò),如果上位機(jī)在自動(dòng)化系統(tǒng)中除監(jiān)視之外還具有控制功能,最佳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為光學(xué)冗余環(huán)網(wǎng),抗干擾能力強(qiáng),可靠性高。圖1所示為利用西門子交換機(jī)構(gòu)成的光學(xué)冗余環(huán)網(wǎng)硬件連接示意圖。圖中TP62為冗余管理器,TP62監(jiān)測(cè)光纖環(huán)網(wǎng)級(jí)連接口P7、P8的通斷。其中上位監(jiān)控PC機(jī)與CPU 315-2PN/DP、ET 200S PN之間的通信為本地通信,數(shù)據(jù)傳輸不經(jīng)過光纖主干網(wǎng)。PC機(jī)與CPU416-2DP的通信為遠(yuǎn)程通信,TP62與SCALANCEX 204-2之間建立動(dòng)態(tài)連接,數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)過濾后,通過光纖主干網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

圖1 網(wǎng)絡(luò)硬件連接示意圖

2 基于TCP/IP協(xié)議的通信

以圖1所示的硬件系統(tǒng)為例,上位PC機(jī)中安裝支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)卡CP1613,選用SIMATIC WinCC作為人機(jī)界面。在上位PC機(jī)中設(shè)置CP1613以太網(wǎng)卡的IP地址和子網(wǎng)掩碼。一般采用默認(rèn)的子網(wǎng)網(wǎng)段地址192.168.0,默認(rèn)的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。SIMATIC WinCC中選擇的通信通道單元為TCP/IP。對(duì)遠(yuǎn)程PLC側(cè)CPU的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器(如 CP443-1,支持TCP/IP)進(jìn)行初始化,即在STEP7的HW Config界面中設(shè)置CP443-1的IP地址,并通過CPU的MPI接口將IP地址下載到CPU中。圖2示意了上位PC機(jī)基于WinCC與下位 PLC之間通過TCP/IP通信的結(jié)構(gòu)。

3 上位PC機(jī)中監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

圖2 上位PC機(jī)與PLC通信結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)信息交換的界面。監(jiān)控系統(tǒng)的功能分別為:查看現(xiàn)場(chǎng)各站點(diǎn)的運(yùn)行情況和各種設(shè)備的工作狀態(tài);采集諸如水位、壓力、流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;遠(yuǎn)程集中控制,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各站點(diǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)啟停、閥門開度、電機(jī)調(diào)速等控制;系統(tǒng)設(shè)備故障報(bào)警;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄;現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析;系統(tǒng)急停等。圖3所示為上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)。其中生產(chǎn)工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控是上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。工藝流程監(jiān)控畫面包含多個(gè)分畫面,顯示整個(gè)控制系統(tǒng)各個(gè)工段的工藝參數(shù)值、設(shè)備工作狀態(tài)的電氣參數(shù)值、各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、向遠(yuǎn)程PLC站發(fā)布指令,實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行。圖4為某自來水廠工藝流程監(jiān)控畫面的分畫面,監(jiān)控水泵房三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 上位PC機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 水泵房電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面

4 遠(yuǎn)程PLC側(cè)的控制程序設(shè)計(jì)

4.1 控制程序組織結(jié)構(gòu)

以圖1所示的硬件系統(tǒng)為例,遠(yuǎn)程PLC側(cè)的控制程序主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:功能一為隨時(shí)診斷網(wǎng)絡(luò)的通斷;功能二為集成PLC側(cè)的錯(cuò)誤信號(hào),在網(wǎng)絡(luò)保持暢通時(shí),隨時(shí)將錯(cuò)誤信號(hào)發(fā)送上位PC機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)視;功能三為在網(wǎng)絡(luò)保持暢通時(shí),隨時(shí)提取上位PC機(jī)發(fā)出的控制信號(hào),運(yùn)行控制程序,實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)的遠(yuǎn)程控制意圖。圖5所示為控制程序的組織結(jié)構(gòu)。其中FC200為通信診斷功能塊,FC201為錯(cuò)誤信號(hào)集成功能塊,FC202為開關(guān)量信號(hào)控制功能塊,F300為模擬量信號(hào)控制功能塊。DB50中存儲(chǔ)了集成的錯(cuò)誤信號(hào),其中包括在 OB80 、81 、83 、84 、85 、86 、87 、100 、101 、121 、122 中設(shè)置的PLC內(nèi)部錯(cuò)誤信號(hào),以及OB1調(diào)用FC200時(shí)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)通信超時(shí)信號(hào)。OB1調(diào)用FC201,將DB50中的 PLC內(nèi)部錯(cuò)誤信號(hào)映射到 DB60中,DB60為在上位PC機(jī)的過程監(jiān)控軟件界面中顯示的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備錯(cuò)誤信號(hào)。DB100存儲(chǔ)了來自上位PC機(jī)的開關(guān)量設(shè)備啟動(dòng)、停止控制信號(hào)及PLC反饋到上位PC機(jī)的開關(guān)量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)信號(hào)。DB400中存儲(chǔ)了來自上位PC機(jī)的模擬量信號(hào)的設(shè)定值,反饋至上位PC機(jī)的模擬量信號(hào)的采樣值、模擬量信號(hào)的PID運(yùn)算值及模擬量信號(hào)的實(shí)際輸出值。在OB35中調(diào)用 FC300功能塊,FC300調(diào)用FB300采集現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,將結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊DB400中;FC300調(diào)用FB41對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在DB400中;FC300最后調(diào)用FB301提取DB400中的PID運(yùn)算結(jié)果,進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,輸出模擬量控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。在上位PC機(jī)中顯示DB400中存儲(chǔ)的模擬量采樣值及模擬量信號(hào)的實(shí)際輸出值。

圖5 控制程序組織結(jié)構(gòu)

4.2 網(wǎng)絡(luò)通斷診斷程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程PLC的監(jiān)控,對(duì)網(wǎng)絡(luò)通斷的診斷至關(guān)重要。以圖1所示的硬件系統(tǒng)為例,如果運(yùn)行FC200診斷網(wǎng)絡(luò)是中斷的,PLC的CPU則終止OB1調(diào)用FC201,終止向上位機(jī)提供PLC內(nèi)部的錯(cuò)誤信息;OB1終止調(diào)用FC202,終止對(duì)開關(guān)量設(shè)備的控制;OB35終止調(diào)用FC300,終止對(duì)模擬量設(shè)備的控制。網(wǎng)絡(luò)通斷的診斷可以采用心跳(heartbeat)監(jiān)測(cè)法,上位PC機(jī)向遠(yuǎn)程PLC發(fā)出固定頻率的脈沖信號(hào),PLC監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)為“1”或?yàn)椤?”的時(shí)間,如果脈沖信號(hào)為“1”或?yàn)椤?”的時(shí)間超過了程序中設(shè)定的時(shí)間,則診斷為通信超時(shí),網(wǎng)絡(luò)處于中斷狀態(tài)。如下所示為FC200的網(wǎng)絡(luò)通斷診斷程序。其中在上位PC機(jī)的WinCC腳本系統(tǒng)中,利用ANSI-C語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)觸發(fā)函數(shù),用來產(chǎn)生1 s脈沖信號(hào),將觸發(fā)函數(shù)的輸出映射到PLC的位存儲(chǔ)器M6.5。通信超時(shí)時(shí)間可以反饋到PC機(jī)中顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

基于以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)而形成的工業(yè)以太網(wǎng),連接從現(xiàn)場(chǎng)層到管理層的設(shè)備,實(shí)現(xiàn)從管理層到現(xiàn)場(chǎng)層的直接、透明的訪問,融合了自動(dòng)化世界和IT世界。工業(yè)以太網(wǎng)將成熟、廉價(jià)和易用的通用產(chǎn)品和技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中,使標(biāo)準(zhǔn)多、單體總線設(shè)備價(jià)格偏高、組態(tài)較煩鎖的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)生了根本性的改變,已成為當(dāng)前最為流行的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)解決方案,且工業(yè)以太網(wǎng)能與現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)(例如PROFIBUS)有機(jī)集成,無需改動(dòng)現(xiàn)有設(shè)備的組態(tài)和編程,沒有造成現(xiàn)有設(shè)備的浪費(fèi),在基礎(chǔ)性工業(yè)和需要復(fù)雜應(yīng)用的工業(yè)控制場(chǎng)合,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用,發(fā)揮出其強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì)。

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