無線技術(shù)在PLC通訊中的應(yīng)用

許德浩，孫 穎

（天津中環(huán)自動(dòng)化技術(shù)控制設(shè)備有限公司，天津 300384）

0 引言

PLC控制系統(tǒng)就是利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)對工藝對象的自動(dòng)控制，通過數(shù)字或模擬信號的輸入、輸出，控制不同類型的機(jī)械或過程[1]。由于PLC本身的數(shù)據(jù)、信息處理能力及畫面處理能力遠(yuǎn)不如計(jì)算機(jī)來得強(qiáng)大，隨著PLC通訊網(wǎng)絡(luò)功能和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的增強(qiáng)，人們利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)，形成一個(gè)優(yōu)勢互補(bǔ)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程 “集中管理和分散控制”的目的。

PLC控制系統(tǒng)的控制部分一般由3部分構(gòu)成：上位機(jī)（PC機(jī)），可編程控制器（PLC），以及連接二者的通訊設(shè)備。上位機(jī)提供人機(jī)交互平臺，進(jìn)行程序編寫，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)；PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，程序執(zhí)行；通訊設(shè)備用于上位機(jī)與PLC之間的通信。目前，PLC通訊主要采用總線或以太網(wǎng)等有線網(wǎng)絡(luò)連接方式[2]，將各PLC站及中控室上位機(jī)通過工控網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及中控室的集中監(jiān)控、調(diào)度。有線網(wǎng)絡(luò)連接方式技術(shù)成熟，不易受到干擾，但與無線連接方式相比存在一些劣勢，如下:

1）有線網(wǎng)絡(luò)連接方式需要敷設(shè)電纜、光纜，通過物理連接接入全廠控制網(wǎng)絡(luò)，它的鋪設(shè)挖溝，受地勢影響，不能任意鋪設(shè)，且建設(shè)工期長。而架設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)無需架線挖溝，線路開通速度快?？梢噪S時(shí)架設(shè)，隨時(shí)增加鏈路，安裝、擴(kuò)展方便。

2）一般有線網(wǎng)絡(luò)連接的質(zhì)量會(huì)隨著線路的擴(kuò)展而急劇下降。

3）出現(xiàn)故障時(shí)，有線鏈路需沿線路檢查，找出故障點(diǎn)比較困難，而無線通信只需檢查無線設(shè)備，能快速找出原因，恢復(fù)線路正常運(yùn)行。

4）有線網(wǎng)絡(luò)連接則需要較長的時(shí)間。而無線橋接網(wǎng)絡(luò)可以迅速（數(shù)十分鐘內(nèi)）組建起通信鏈路，有效應(yīng)用于臨時(shí)、應(yīng)急、抗災(zāi)通信等情況。

綜上所述，無線技術(shù)通信在可靠性、可用性和抗毀性等很多方面超出了傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)連接方式，尤其在一些特殊的地理環(huán)境下，更是體現(xiàn)出了其優(yōu)越性。在PLC通訊中，比較常用的無線技術(shù)有基于GPRS（General Packet Radio Service）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線網(wǎng)橋技術(shù)。

1 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1.1 GPRS簡介

通用分組無線業(yè)務(wù)，簡稱GPRS（General Packet Radio Service）是在一種基于GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)[3]。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一個(gè)無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，實(shí)現(xiàn)資源有效的利用，從而實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。GPRS具有全雙工的工作方式，間隙收發(fā)，永遠(yuǎn)在線，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才占用系統(tǒng)資源，計(jì)費(fèi)方式以數(shù)據(jù)傳輸量為準(zhǔn)，不用考慮通信時(shí)間。由于GPRS的核心層采用IP技術(shù)，底層可使用多種傳輸技術(shù)，這使得它較易實(shí)現(xiàn)端到端及廣域的無線IP連接，以實(shí)現(xiàn)某種特定功能。

1.2 基于GPRS無線技術(shù)與PLC工作方式

在建立GPRS與PLC連接之前，必須向Internet服務(wù)提供商申請固定IP，將開通GPRS服務(wù)的SIM卡插入設(shè)備里。計(jì)算機(jī)獲得固定IP，與Internet建立連接后，進(jìn)行設(shè)備設(shè)置，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程站的GPRS連接。如圖1所示，系統(tǒng)工作方式如下：

1）PLC將采集到的現(xiàn)場設(shè)備的信號讀取到內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)。

2）PLC將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)化為GPRS的數(shù)據(jù)包格式，通過GPRS轉(zhuǎn)發(fā)到移動(dòng)服務(wù)提供商。

3）移動(dòng)服務(wù)提供商進(jìn)一步把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Internet互聯(lián)網(wǎng)上。

4）Internet互聯(lián)網(wǎng)通過路由把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的服務(wù)器上。

5）該服務(wù)器把數(shù)據(jù)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心的OPC的客戶端使用。

6）當(dāng)控制中心成功接收數(shù)據(jù)后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息給PLC。PLC通過功能塊接收此確認(rèn)信息，接著發(fā)送一個(gè)發(fā)送完成的信息給用戶程序。

7）控制中心將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，處理。

以上工作方式實(shí)現(xiàn)了PLC將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，通過基于GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳到上位機(jī)的功能。同理，上位機(jī)也可以通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC中，從而控制現(xiàn)場設(shè)備的動(dòng)作。

1.3 GPRS技術(shù)運(yùn)用在PLC中的實(shí)例

在烏蘭察布市集寧新區(qū)水源供水工程項(xiàng)目中，采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該項(xiàng)目中，基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由S7-200 PLC和SINAUT MD720-3 GPRS調(diào)制解調(diào)器組成的遠(yuǎn)程控制站、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、裝有GPRS通訊管理軟件SINAUT MICRO SC的控制中心計(jì)算機(jī)組成。PLC接受到的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)，送到裝有GPRS通訊管理軟件SINAUT MICRO SC的控制中心計(jì)算機(jī)上。

利用S7-200專用組態(tài)工具STEP7-MicroWIN軟件，進(jìn)行GPRS通訊程序編程。啟動(dòng)MicroWIN后，添加GPRS通訊的庫程序sinautmicrosc.mwl，該庫包含WDC_INIT，WDC_SEND，WDC_RECEIVE，WDC_CONTROL 4個(gè)功能塊，在主程序中調(diào)用這四個(gè)功能塊并設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)后，遠(yuǎn)程站便能通過GPRS傳輸數(shù)據(jù)了[4]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System architecture diagram

2 無線網(wǎng)橋技術(shù)

無線網(wǎng)橋是利用無線通信技術(shù)，以空氣作為媒介，在鏈路層上實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。目前，常見的無線網(wǎng)橋是基于IEEE802.11系列無線局域網(wǎng)協(xié)議的無線網(wǎng)橋。根據(jù)無線網(wǎng)橋采用的協(xié)議不同，分為采用2.4 GHz頻段的IEEE802.11b或IEEE802.11g無線網(wǎng)橋以及采用5.8GHz頻段的IEEE802.11a無線網(wǎng)橋[5]。

無線網(wǎng)橋主要由無線網(wǎng)橋主設(shè)備（無線收發(fā)器）和天線組成。無線收發(fā)器由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)將從局域網(wǎng)獲得的數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換成特定的頻率信號，通過天線發(fā)送出去；接收機(jī)則相反，將從天線獲取的頻率信號解碼，還原成數(shù)據(jù)，再發(fā)送到局域網(wǎng)中。

2.1 無線橋接的方式

無線網(wǎng)橋的連接方式有點(diǎn)對點(diǎn)( PTP )、點(diǎn)對多點(diǎn)(PTMP )、中繼3種方式。

1）點(diǎn)對點(diǎn)方式

點(diǎn)對點(diǎn)方式適用于兩點(diǎn)之間可視, 視野空曠, 物理設(shè)備之間沒有障礙物阻擋, 沒有電磁干擾或者干擾比較小, 且距離不是太遠(yuǎn), 符合網(wǎng)橋設(shè)備通信距離的要求。一般由一對無線網(wǎng)橋、一對無線網(wǎng)卡和一對天線組成。天線與網(wǎng)橋之間用饋線相連, 網(wǎng)橋通過雙絞線或同軸電纜等與局域網(wǎng)的交換機(jī)相連，接入上位機(jī)中。在點(diǎn)對點(diǎn)連接方式中，一個(gè)網(wǎng)橋設(shè)置為Base，一個(gè)網(wǎng)橋設(shè)置為Slave。點(diǎn)對點(diǎn)連接如圖2所示。

圖2 點(diǎn)對點(diǎn)連接Fig.2 Point to point Connection

圖3 點(diǎn)對多點(diǎn)連接Fig.3 Point to multi-point connection

2）點(diǎn)對多點(diǎn)方式

當(dāng)3個(gè)或3個(gè)以上的局域網(wǎng)之間采用光纖或雙絞線等有線方式難以連接時(shí)，可采用點(diǎn)對多點(diǎn)的無線連接方式。點(diǎn)對多點(diǎn)方式適用于多個(gè)局域網(wǎng)之間的連接, 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 設(shè)備比較多。在點(diǎn)對多點(diǎn)連接方式中，一個(gè)網(wǎng)橋設(shè)置為Master，其他網(wǎng)橋則全部設(shè)置為Slave。點(diǎn)對多點(diǎn)方式如圖3所示。

3）中繼方式

中繼方式適用于兩個(gè)局域網(wǎng)之間相距太遠(yuǎn)或者兩局域網(wǎng)物理設(shè)備之間有障礙物且影響到局域網(wǎng)之間的連接, 而第三點(diǎn)與這兩個(gè)局域網(wǎng)之間均可通過無線網(wǎng)橋正常連接,這時(shí)候就需要在第三點(diǎn)接入一個(gè)無線網(wǎng)橋, 起到信號中繼的作用。利用無線網(wǎng)橋中繼方式可以加強(qiáng)無線信號, 增加傳輸距離, 保證網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量, 無線橋接中繼方式如圖4所示。

圖4 中繼方式連接Fig.4 Relay connection

2.2 無線網(wǎng)橋技術(shù)在PLC通訊中的應(yīng)用實(shí)例

如圖2所示，基于點(diǎn)對點(diǎn)連接方式的連接方式來實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)橋通訊，其主要設(shè)備包括：PLC以太網(wǎng)模塊、網(wǎng)線、一對無線網(wǎng)橋傳輸設(shè)備、以太網(wǎng)交換機(jī)，工控機(jī)。利用上述設(shè)備，通過PLC站與上位工控機(jī)之間建立無線局域網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交換工作。其工作原理是：PLC模塊接受現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，通過一對無線網(wǎng)橋傳輸設(shè)備發(fā)送，接受信號，無線網(wǎng)橋設(shè)備天線對準(zhǔn)后，即可進(jìn)行信號傳遞。無線設(shè)備接受信號后通過以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)缴衔还た貦C(jī)中。在實(shí)際組態(tài)中，將無線設(shè)備，工控機(jī)，PLC網(wǎng)絡(luò)模塊均設(shè)置為同一網(wǎng)段，IP地址不可沖突，完成無線局域網(wǎng)的創(chuàng)建[6]。設(shè)置完成后，用上位機(jī)ping現(xiàn)場PLC網(wǎng)絡(luò)模塊。若ping通，即可實(shí)現(xiàn)PLC與工控機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

3 GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線網(wǎng)橋技術(shù)的比較

在PLC通訊中，GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線網(wǎng)橋技術(shù)均已成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。相對于有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線技術(shù)節(jié)約了電纜的成本，操作靈活。根據(jù)現(xiàn)場狀況與經(jīng)濟(jì)性，可以選擇相應(yīng)的無線技術(shù)。兩種無線技術(shù)相比較，特點(diǎn)如下：

1）GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前期投入小，但需要定期繳納網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。無線網(wǎng)橋技術(shù)前期投入大，但后期維護(hù)不需要花費(fèi)。

2）GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)項(xiàng)設(shè)置，無線網(wǎng)橋只需對準(zhǔn)天線即可接受技術(shù)，操作簡便。

3）GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用的傳輸距離要遠(yuǎn)于無線網(wǎng)橋技術(shù)的傳輸距離。

4 總結(jié)

在實(shí)際的PLC項(xiàng)目中，利用無線技術(shù)通訊組建一個(gè)安全、穩(wěn)定、快速、可靠的網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。相對于有線技術(shù)來說，無線技術(shù)的發(fā)展為工程節(jié)省許多建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，安裝簡便靈活、設(shè)備成本低，尤其在一些特殊的地理環(huán)境下，更是體現(xiàn)出了其優(yōu)越性。鑒于這些優(yōu)勢，無線技術(shù)將不斷走向成熟，從而會(huì)在PLC工控領(lǐng)域或其他各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

[1]趙中敏,張秋云,楊廣才.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床電器,2007(02).

[2]杜平, 李勇，孫濤.工業(yè)以太網(wǎng)在PLC與工程機(jī)通訊中的應(yīng)用[J].控制工程，2006,13(5):159-161.

[3]鐘章隊(duì).GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)[M].北京:人民郵電出版社,2001.

[4]田海,李雅妮,肖鵬.基于PLC和GPRS技術(shù)的交通信號燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電氣傳動(dòng),2012,42(12):59-63.

[5]金純,陳林星，楊吉云.IEEE802.11無線局域網(wǎng)[M].電子工業(yè)出版社,2004.

[6]羅強(qiáng).點(diǎn)對點(diǎn)無線網(wǎng)橋的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[DB].萬方數(shù)據(jù)庫:萬方數(shù)據(jù)股份有限公司,2004.