基于多層網絡的Q系列PLC通信系統(tǒng)設計

張保森

(中國化工集團昊華宇航化工有限責任公司，河南 焦作 454000)

0 引言

隨著物聯網、人工智能、大數據以及云計算等前沿科技的飛速發(fā)展，人類正在走向高智能化時代。傳統(tǒng)工業(yè)急需跟上時代的變化，盡快完成自身轉型與升級，跟上科技發(fā)展的浪潮。在科技上游技術呼喚遠程互聯互通與信息共享的大背景下，尋求適當策略將目前仍大量應用于工業(yè)現場的獨立封閉式系統(tǒng)接入遠程網絡，在實現底層設備聯網的基礎上，進一步實現遠程監(jiān)測和操控是當今工業(yè)自動化領域的研究熱點［1］。

可編程控制器(PLC)作為融合了微型處理器技術、通用外圍接口自動控制技術和多模式通信協(xié)議的綜合控制設備，其自身具有靈活的編程模式，可靠性極高以及廣泛適用于各種工業(yè)環(huán)境等眾多優(yōu)勢。上世紀末和本世紀初是PLC技術在工業(yè)現場快速布局和發(fā)展的時期，以西門子和三菱等一大批實力雄厚的大公司退出的系列產品為代表，使諸多底層自動加工流水線獲得了長足的發(fā)展，并取得了良好的經濟效益［2］。但近年來，工業(yè)現場發(fā)展的大趨勢正在發(fā)生變化，功能更為強大和多樣、集成度更高，聯網功能更強是對PLC技術發(fā)展的更強烈的推動。雖然各大PLC公司都投入大量的人力財力去開發(fā)自身的網絡系統(tǒng)，但因為企業(yè)間利益的糾葛，很難尋求到一種被各企業(yè)廣泛接受的一致性網絡通信標準。針對這一問題，本文提出基于多層網絡控制的PLC通信系統(tǒng)設計方法，即通過三層網絡實現工業(yè)現場與以太網的互通互聯，在底層仍采用各大公司自身的網絡系統(tǒng)，在頂層借力當前應用最廣的以太網，著力研究和設計連接兩者通信的中間控制層，最終實現整體控制與通信系統(tǒng)設計。本研究以三菱Q系列PLC為例，進現場調試實驗，驗證了所提系統(tǒng)的可靠性與可行性。

1 多層網絡整體系統(tǒng)設計

為應對工業(yè)現場網絡化應用的大潮流，結合PLC在工業(yè)現場的實際運行需求，本系統(tǒng)采用三層網絡實現從工業(yè)現場到遠程監(jiān)控層的多集成度通信控制系統(tǒng)設計。系統(tǒng)具體包括:基于CC-Link［3-4］現場總線的工業(yè)現場底層設備層，基于 MELSECNET/H［5-6］網絡的中間管理控制層和基于以太網的遠程監(jiān)控層。各層網絡的設計方案的選取依據如下:

現場設備層:現場總線具有極好的穩(wěn)定性，在小型網絡連接中被廣泛采用。CC-Link作為主流現場總線協(xié)議的一種更適合于工業(yè)現場的設備連接，本設計采用CC-Link現場總線，實現FX2N PLC，變頻器，工控觸摸屏，伺服控制器以及I/O接口直接的連網，可完成對現場設備的變頻調速，觸摸設置，三維運動控制等控制任務。

中間管理層:MELSECNET/H網絡能夠提供不同過程間的線路互鎖和同步功能，并且具有高性能、低故障率以及可確定通訊等特點。最高可達25 Mbps的通信速度，雙重回路設計保障了通信的可靠性，減少了信息冗余，同時提供大容量軟文件連接功能。本設計以8個三菱Q系列PLC為例，在該層實現了8個控制對象的協(xié)同控制。

遠程監(jiān)控層:以IEEE 802.3標準為支撐的以太網通信協(xié)議已經從百兆級發(fā)展到了千兆級，而以光纖，石墨烯等新材料為推動力的更高速的以太網通信速度也指日可待。本設計基于現有強大的以太網網絡協(xié)議，將中間管理層的多臺設備利用交換機進行連接，利用組態(tài)軟件中間件技術實現網絡設置及上位控制界面的編程。

圖1是整個網絡控制系統(tǒng)結構示意圖。

圖1 三層網絡系統(tǒng)結構示意圖

2 系統(tǒng)硬件設備與參數設置

2.1 系統(tǒng)硬件設備及布局

本系統(tǒng)以工業(yè)現場為背景，基本設備包含三菱Q系列PLC，控制柜、總線掛箱及各種單元模塊。具體由三個現場綜合操控控制柜，一個系統(tǒng)現場總線掛箱和總控臺構成。

三個控制柜分別以CC(Control cabinet)-1、CC-2、CC-3命名，8個PLC作為微控制器單位依次命名為CPU-1至CPU-8。針對現場設備連接直接的主要單元設計相應的I/O接口電路。整個系統(tǒng)具備邏輯編程控制(以按鈕指示方式)、AD數據采集、DA數據輸出、變頻器調速、中間層控制、遠程喚醒與關閉等功能。

圖2是控制柜的現場圖片。

圖2 現場控制柜實物圖

2.2 系統(tǒng)硬件設備控制電路設計

系統(tǒng)各單元模塊的硬件設計是較為龐大的工程，本文選取其中的關鍵模塊進行詳細說明。

2.2.1 冗余系統(tǒng)切換模塊

前節(jié)提到，本設計底層由8個PLC構成，需要設計8個CPU彼此手法指令之間的信息冗余處理模塊。根據現場實際情況，設定系統(tǒng)主CPU和從CPU，三菱公司的產品為冗余系統(tǒng)設計了電源冗余，通信冗余，主控制器冗余，且所有模塊均具有雙熱備用的功能，可隨時被喚醒。當某個模塊在系統(tǒng)中出現故障之時，其余系統(tǒng)可以繼續(xù)工作和接收控制指令，能夠有效保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但同時考慮到大規(guī)模停電或者某些突發(fā)自然災害的情況，還設計了手動切換功能，使整體系統(tǒng)更具操作性和靈活性。最終電路和手動切換電路如圖3所示。

圖3 冗余系統(tǒng)手動進行切換電路

2.2.2 CC-Link 變頻調速電路設計

基于CC-Link變頻調速電路設計如圖4所示。CPU-4作為主站，其控制按鈕經過CC-Link總線發(fā)送命令控制位于控制箱中的FX2N PLC，采用RS-485總線實現對FR-F740-5.5K變頻器控制;另一臺FR-A540-2.2K變頻器自帶CC-Link接口，可直接接收主站的控制命令。CPU-4還配備有按鍵式邏輯控制，AD數據采集和DA數據輸出儀表顯示功能，主站通過CC-Link方式控制遠程的I/O站點。

圖4 CC-Link變頻調速電路

2.2.3 伺服運動控制電路設計

CPU-3搭載伺服定位QD75M模塊，另外配有三個J2S B伺服系列驅動器，以SSCNET總線實現兩者直接的連接。該接線方式方便快捷，操控性能良好，可完成對電機的實時定位數據讀取，多軸聯動運行，直線插補和圓弧插補等功能。CPU-3和CPU-4同樣具備邏輯控制，AD數據采集，DA數據輸出等基本功能。具體實現電路如圖5所示。

3 三層網絡通信系統(tǒng)設計

3.1 底層CC-Link通信實現

主站CPU與各從站之間的數據可采用遠程輸入RX和遠程輸出RY，按照N∶N的模式實現數據交互。信息傳送的具體流程如下:

圖5 伺服運動控制電路

(1)系統(tǒng)啟動，設置網絡參數并傳送給主站，自啟動CCLink;

(2)自動刷新CPU內部定時器單元。將RY作為本地站點的輸出數據;

(3)將數據自動存儲在RX緩沖存儲器或者其他本地子站點中;

(4)RX緩沖存儲器中的數據用來自動設置刷新參數，遠程RX用在子站點的輸入數據;

(5)本地子站點向主CPU回饋一個完成指令;

(6)接通指定的繼電器單元，并訪問子站點緩沖存儲器中的數據;

(7)將讀取的數據存儲在主CPU的接收緩沖單元。

底層設備網絡通信實現后，其與中間控制層的連接通過三菱Q系列PLC自帶的MELSEC/H網絡接口實現兩層網絡間的硬件連接，具體協(xié)議設計在下一小節(jié)介紹。

3.2 中間控制層MELSECNET/H網的通信實現

在中間控制層設計基于MELSECNET/H網絡的雙環(huán)路網絡。一路網絡連接8個CPU構成1號網絡或主網絡，另一路網絡負責冗余系統(tǒng)和遠程I/O站點之間的連接，稱為2號網絡或I/O網絡。具體實現過程是采用光纖將各CPU站點連接形成一個環(huán)形網絡，配置相應的CPU參數和網絡模塊，此光纖環(huán)路中一共可以連接64個子站點，并可以通過中繼實現數量級的擴展，完全能夠滿足各種工業(yè)現場如圖6所示。

MELSECNET/H網絡的主要性能指標如下:

(1)高速通信:MELSECNET/H通信速度有25 Mbps和10 Mbps兩種模式，其中25 Mbps只可用于光纖網絡;

(2)系統(tǒng)配置靈活:系統(tǒng)可擴展為239個網絡，每個站點鏈接點數最高可設置為2 000字節(jié);

(3)RAS功能:當子站故障排除重新啟動后，可自動返回斷點處，保證記憶數據不丟失;

(4)網絡兼容性高:利用MELSECNET/10模式，可以與常規(guī)網絡模塊一起使用。

圖6 光纖雙環(huán)路網絡示意圖

利用專用以太網協(xié)議轉換單元，可快速實現中間控制層接入頂層以太網監(jiān)控層。

3.3 頂層以太網監(jiān)控通信設計

經專用HUB可快速實現中間控制層數據接入以太網，現將組網過程中主要設置步驟加以說明［7-9］:

(1)I/O配置:通過三菱公司提供的GX-Developer軟件對按照在基板上的模塊數據類型和輸入、輸出信號范圍進行設置;

(2)MNET-10H以太網卡號設置:設置內容主要包括其它站訪問有效模塊數量、網絡類型、網絡編號、起始I/O、組號、站號等;

(3)操作設置:主要對傳輸數據格式、初始化時序、IP地址、發(fā)送楨、運行時寫入權限等進行設置。

4 系統(tǒng)功能調試

整體系統(tǒng)設計完成后，我們基于組態(tài)軟件MCGS［10］開發(fā)了一套上位機監(jiān)控程序，通過調用不同的子程序，能夠實現對工業(yè)現場的實時監(jiān)測和遠程控制。下面以閉環(huán)無級調速和多段調速實時監(jiān)控功能為例對整體系統(tǒng)的允許情況進行展示，具體上位機界面如圖7所示。

圖7 閉環(huán)無級調速控制上位機界面

我們設計了多段速控制面板和無級調速控制面板。遠程監(jiān)控者不需要在工業(yè)現場，只要在任意一個接通了互聯網的電腦上，都可以通過瀏覽器登陸系統(tǒng)，實時監(jiān)控現場設備的運行情況。在多段速控制功能設計中，可以通過選擇正轉、反轉、停止等操作，對電機進行實時控制，并可選擇電機的段速，而選擇的數據將直接顯示在輸入框中。相應的，在無級調速調速功能中，通過輸入規(guī)定范圍內的任意頻率，并點擊寫入運行頻率按鈕，就可以將頻率傳送至現場的PLC設備，對電機實現無級調速控制，如果想要讀取電機運轉頻率，則可以直接點擊讀取運行頻率按鈕，電機的實時運行頻率將顯示在對應的輸出框中。

5 結束語

本文針對工業(yè)現場實時遠程控制的時代需求，設計了一套基于三層網絡的PLC通信系統(tǒng)。具體包括:基于CC-Link現場總線的底層設備層，基于MELSECNET/H網的中間控制層和基于以太網的遠程控制層。在文中給出了整體系統(tǒng)詳細的硬件和軟件設計方案，最終利用MCGS組態(tài)軟件設計了上位控制系統(tǒng)。經系統(tǒng)現場演示，驗證了所提設計方案的可行性。后續(xù)工作將針對越來越普及的智能手機操作平臺，開發(fā)相應的遠程監(jiān)控APP，擺脫現有監(jiān)控系統(tǒng)必須在PC機上運行的弊端，實現對工業(yè)現場的實時監(jiān)控。

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