基于多總線的PLC通信架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

伍儒彬（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102206）

基于多總線的PLC通信架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

伍儒彬（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102206）

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有PLC通信總線的架構(gòu)和協(xié)議進(jìn)行分析和總結(jié)，提出多總線架構(gòu)的通信方案，包括低速總線、高速總線以及融合節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的示意圖。

PLC；多總線；通信協(xié)議

1 引言

隨著“工業(yè)4.0”、“物聯(lián)網(wǎng)”、“互聯(lián)網(wǎng)＋”、“智能制造”等概念的提出和相關(guān)國(guó)家層面政策的出臺(tái)和前景探索，可編程邏輯控制器（PLC，Program Logic Controler）從過(guò)程自動(dòng)化控制領(lǐng)域慢慢向自動(dòng)化全領(lǐng)域延伸，同時(shí)，隨著軟PLC技術(shù)類產(chǎn)品的品種增加和成本下降，PLC或類PLC產(chǎn)品在信息化、智能化領(lǐng)域，無(wú)論是民用場(chǎng)合還是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都有著廣泛的應(yīng)用案例和市場(chǎng)前景。本文將重點(diǎn)研究當(dāng)前PLC通信總線及其架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方式，并提出基于多總線思想的PLC通信架構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)分析。

自2004年黃延延等[1]提出軟PLC技術(shù)后，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，多總線技術(shù)既有應(yīng)用市場(chǎng)，也是發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)研究熱點(diǎn)和研究方向之一。為解決實(shí)際應(yīng)用，出現(xiàn)了文獻(xiàn)[2]的基于CAN總線的PLC網(wǎng)絡(luò)通信方案研究，該方案的實(shí)質(zhì)是增加一個(gè)CAN轉(zhuǎn)換RS232的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換器來(lái)掛載PLC模塊，實(shí)質(zhì)是缺乏多總線而進(jìn)行的一種補(bǔ)充；為解決PLC編程方面的便利，文獻(xiàn)[3]給出解決方案，文獻(xiàn)[4]中也提到了雙總線和多總線的好處，因此，多總線的PLC通信結(jié)構(gòu)有一定的發(fā)展前景和應(yīng)用需求。

2 PLC通信總線現(xiàn)狀

PLC產(chǎn)品的通信總線由PLC的產(chǎn)品形態(tài)和應(yīng)用場(chǎng)景決定的，因此，在了解通信總線現(xiàn)狀之前，對(duì)PLC產(chǎn)品的現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要概述，具體參考表1。

表1 PLC產(chǎn)品概況簡(jiǎn)表

通過(guò)表1可知，PLC產(chǎn)品的廠家眾多，國(guó)內(nèi)外廠商根據(jù)用戶需求的不同，不約而同的將PLC產(chǎn)品分為大型、中型、小型，無(wú)論何種類型的PLC，總體歸納起來(lái)，PLC產(chǎn)品應(yīng)具備如下特性：

（1）穩(wěn)定性。在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品具有的功能（如采集、控制、計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)）外，穩(wěn)定性是用戶最為關(guān)心的，因?yàn)楣I(yè)實(shí)際應(yīng)用中，特別是過(guò)程自動(dòng)化控制領(lǐng)域，穩(wěn)定性是十分重要的指標(biāo)和核心要素之一。

（2）可擴(kuò)展性?？蓴U(kuò)展性是指產(chǎn)品可以按照現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求進(jìn)行增加和減少，對(duì)應(yīng)一些應(yīng)用場(chǎng)合，一期工程需要的功能已實(shí)現(xiàn)，可能在二期的時(shí)候需要進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展和增加，這時(shí)，需要在不進(jìn)行大變動(dòng)的前提下進(jìn)行改造和補(bǔ)充。

（3）開(kāi)放性。開(kāi)放性一般是指對(duì)第三方廠家產(chǎn)品（一般是指對(duì)公開(kāi)協(xié)議或者行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的通信協(xié)議）的支持程度，比如對(duì)一定總線下的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持，如MODBUS主從站通信協(xié)議，CANopen協(xié)議等等。支持的協(xié)議數(shù)量越多則代表開(kāi)放性越好，反之，則是開(kāi)放性越差。

（4）冗余度。冗余是工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中為保證數(shù)據(jù)、信息、命令等可以順利上傳、下載、監(jiān)控、執(zhí)行等實(shí)現(xiàn)的一種技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)方法，其核心和關(guān)鍵為當(dāng)一條鏈路或總線失效后，如何安全有效地切換到備份鏈路上同時(shí)安全、完整、有效地繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。

（5）易操作。友好的界面操作和符合常規(guī)人類思維的執(zhí)行方式，是產(chǎn)品軟實(shí)力的體現(xiàn)和被業(yè)界承認(rèn)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

（6）安全性。PLC產(chǎn)品的安全性體現(xiàn)在核心和關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可否加密上，更重要的是，產(chǎn)品的在受到入侵以后能否進(jìn)行必要的自我保護(hù)和對(duì)外發(fā)出警告；這一性能指標(biāo)往往與開(kāi)放性是相矛盾的，因此，該項(xiàng)性能的提升往往意味著客制化定制和開(kāi)放性降低。

（7）實(shí)時(shí)性。是指在一定的時(shí)間內(nèi)保證某一任務(wù)或某一動(dòng)作可以執(zhí)行或者完成等，如10ms周期內(nèi)反饋開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。響應(yīng)時(shí)間越小，實(shí)時(shí)性指標(biāo)越好，同時(shí)響應(yīng)的點(diǎn)數(shù)或任務(wù)數(shù)越多，實(shí)時(shí)性功能越強(qiáng)。

（8）指令體系。指令體系一般是指對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)或體系下的語(yǔ)言、圖形的支持與否；如IEC61131-3體系下的梯形圖、功能塊等；或者是對(duì)某些公用的大廠商，如西門(mén)子的指令體系進(jìn)行支持或部分支持。當(dāng)前，多數(shù)廠家都支持一些業(yè)界公認(rèn)的指令體系，如IEC61131-3。

通過(guò)對(duì)PLC產(chǎn)品的現(xiàn)狀研究和產(chǎn)品特性分析，PLC產(chǎn)品常用的且得到大家公認(rèn)的通信總線現(xiàn)狀可總結(jié)如表2所示。

表2 常用工業(yè)通信總線現(xiàn)狀

表2中，F(xiàn)F總線目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用主要限于儀表類產(chǎn)品進(jìn)行適用，是基于數(shù)據(jù)流總線來(lái)進(jìn)行的，很少有廠家采用該總線作為PLC產(chǎn)品的通信總線使用；而PROFIBUS總線分為三類，有2類屬于數(shù)據(jù)流總線（PROFIBUS-FMS/PA），而PROFIBUS-DP則屬于字節(jié)類型總線；CAN總線在汽車類產(chǎn)品使用較多，有較好的靈活性，可根據(jù)不同的速率決定通信距離，一般應(yīng)用上來(lái)使用按位總線類型進(jìn)行處理；RS485總線使用的極為廣泛，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的許多設(shè)備都采用該總線作為通信接口，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方便，業(yè)內(nèi)知名度高，主要應(yīng)用于位總線類型；以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)深入到各個(gè)場(chǎng)合，工業(yè)設(shè)備特別是控制類型設(shè)備的必備總線，其帶來(lái)的革命性速度和技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)總線的特點(diǎn)適合應(yīng)用數(shù)據(jù)流總線。

談到通信總線的架構(gòu)總是離不開(kāi)相關(guān)通信協(xié)議的，以下簡(jiǎn)單對(duì)常用工業(yè)通信協(xié)議進(jìn)行總結(jié)和分析，參考表3。

表3 常用工業(yè)通信協(xié)議

根據(jù)上文的分析和總結(jié)，作為最常用的MODBUS協(xié)議是工業(yè)類產(chǎn)品最常見(jiàn)的也是實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單的一類，而基于CAN總線的CANopen協(xié)議和PROFIBUS協(xié)議則是需要花費(fèi)一定時(shí)間以及一定人力進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；而代表著未來(lái)發(fā)展方向則是POWERLINK協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議；另外，不可忽視的是為保證安全性，各企業(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自我保護(hù)的私有通信協(xié)議也是未來(lái)發(fā)展的一部分分支。

3 多總線PLC通信架構(gòu)的可行性

CANopen協(xié)議和PROFIBUS協(xié)議均有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)或者標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行保證，所以不需要做過(guò)多的分析，而POWERLINK協(xié)議則是新成長(zhǎng)起來(lái)的協(xié)議，本文亦不作過(guò)多的分析。

（1） 多總線通信架構(gòu)的協(xié)議技術(shù)可行性分析

從技術(shù)上看，本文所列出的總線，均是成熟的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可行的總線（或現(xiàn)場(chǎng)總線）架構(gòu)，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上無(wú)太多難點(diǎn)，現(xiàn)將相關(guān)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)作簡(jiǎn)要說(shuō)明：

①M(fèi)ODBUS協(xié)議，工業(yè)類的通信總線，基本上都可以支持該協(xié)議，實(shí)現(xiàn)難度低，普及程度高。

②以太網(wǎng)協(xié)議，現(xiàn)有的居多工業(yè)類操作系統(tǒng)都包含以太網(wǎng)通信協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便快捷，更多的工作主要體現(xiàn)在裁剪和應(yīng)用層修改上。

③私有協(xié)議，為保證安全性，需要根據(jù)客戶需求或者產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行；工作量和實(shí)現(xiàn)難度取決于協(xié)議覆蓋面、通信效率、協(xié)議糾錯(cuò)能力以及響應(yīng)時(shí)間等特征來(lái)進(jìn)行判斷，一般來(lái)說(shuō)，都是基于某一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行打包或者修改完成，如基于CAN總線的CANopen私有通信協(xié)議。這樣便可以大幅度減少工作量，同時(shí)又保證了協(xié)議的質(zhì)量。

（2） 多總線通信架構(gòu)的硬件成本簡(jiǎn)要分析

多總線帶來(lái)的好處顯而易見(jiàn)，但其帶來(lái)成本的上升也要做考量，以下對(duì)成本作簡(jiǎn)要分析。

①以太網(wǎng)總線，須有以太網(wǎng)芯片或者以太網(wǎng)交換芯片和以太網(wǎng)控制器組成，成本大約在100～200之間可實(shí)現(xiàn)該功能，并具備一定的接口保護(hù)能力。

②CAN總線，CAN控制器和CAN接口通信芯片，價(jià)格大約在40～70之間可以實(shí)現(xiàn)。

③RS485總線，485控制器和485接口通信芯片，價(jià)格大約在30～50之間可以實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，多總線的PLC通信架構(gòu)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上沒(méi)有障礙，成本價(jià)格上會(huì)有適當(dāng)?shù)脑黾樱驗(yàn)槠渲С值目偩€類型至少是兩種或以上，成本增加是可以理解和接受的。

4 多總線PLC通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述的特點(diǎn)及可行性分析，本文關(guān)于多總線通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)分為3部分，即低速總線設(shè)計(jì)、高速總線設(shè)計(jì)、高低速總線的節(jié)點(diǎn)融合設(shè)計(jì)。

（1） 低速總線設(shè)計(jì)

圖1 低速總線示意圖

如圖1所示，低速總線主要包含CAN總線和RS485總線，即任何一個(gè)PLC模塊都包含CAN總線RS485總線，若考慮冗余性能，可將每個(gè)模塊都包含雙CAN總線和雙RS485總線。

（2） 高速總線設(shè)計(jì)

圖2 高速總線示意圖

如圖2所示，高速總線采用以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)成兩種，即由交換芯片和處理器組成的以太網(wǎng)級(jí)聯(lián)通信架構(gòu)方案，該方案由交換通信芯片和通信控制處理器組成實(shí)現(xiàn)；而雙以太網(wǎng)通信方案，則由兩個(gè)以太網(wǎng)芯片分別連接通信控制處理器組成實(shí)現(xiàn)。兩方案最大的不同在于通信處理器的要求不一樣，一般雙以太網(wǎng)通信方案的芯片要求要高于級(jí)聯(lián)的方案。

（3） 融合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

高速總線與低速總線在數(shù)據(jù)交換時(shí)會(huì)存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者說(shuō)容器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行響應(yīng)的指標(biāo)計(jì)算以及高速總線與低速總線數(shù)據(jù)交換流程的設(shè)計(jì)。

①基于串行結(jié)構(gòu)的融合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖3 串行結(jié)構(gòu)融合節(jié)點(diǎn)連接示意圖

圖4 串行結(jié)構(gòu)融合節(jié)點(diǎn)掛載PLC模塊示意圖

基于串行結(jié)構(gòu)的融合節(jié)點(diǎn)需要支持3條總線，即支持級(jí)聯(lián)的以太網(wǎng)總線、RS485總線、CAN總線，并且應(yīng)具備一定的存儲(chǔ)空間和運(yùn)算能力，同時(shí)，需要對(duì)低速總線上掛載的PLC模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)上傳、下載、命令執(zhí)行等。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，融合節(jié)點(diǎn)與PLC模塊之間通信如圖4所示。

②基于并行結(jié)構(gòu)的融合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖5 并行結(jié)構(gòu)融合節(jié)點(diǎn)連接示意圖

圖6 并行結(jié)構(gòu)融合節(jié)點(diǎn)掛載PLC模塊示意圖

并行結(jié)構(gòu)的融合節(jié)點(diǎn)，也需要支持3條通信總線，即支持級(jí)聯(lián)的以太網(wǎng)通信總線、CAN總線、RS485總線，其中支持級(jí)聯(lián)的以太網(wǎng)總線可以是單總線，也可以是雙總線，若是雙總線則可以將另一總線用著備份，使其局部具備冗余特性。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，融合節(jié)點(diǎn)與PLC模塊之間通信如圖6所示。

③基于混合結(jié)構(gòu)的融合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖7 混合結(jié)構(gòu)融合節(jié)點(diǎn)連接示意圖

圖8 混合結(jié)構(gòu)融合節(jié)點(diǎn)掛載PLC模塊示意圖

混合結(jié)構(gòu)是串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)的組合實(shí)現(xiàn)的，因此，包含的3類總線與上面一致，同時(shí)，要求其以太網(wǎng)總線必須是雙總線，一條以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)上數(shù)據(jù)傳輸，另一條總線則用于串行結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信和傳輸，其結(jié)構(gòu)和連接分別如圖7、圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)PLC多總線通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討，并提出了適應(yīng)PLC總線研究及其實(shí)際需要的總線架構(gòu)和方案，該方案具備一定的開(kāi)放性、通用性并為冗余性預(yù)留可行性空間，其實(shí)用性和價(jià)值有待未來(lái)繼續(xù)驗(yàn)證和證明。

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Research and Design of PLC Communication Architecture Based on Multibus

This paper analyzes and summarizes the existing PLC bus architectures and communication protocols. We present a new communication scheme in the multibus architecture, including the design of low speed bus, high speed bus and fusion node, and the corresponding schematic diagram as well.

PLC; Multibus; Communication protocol

伍儒彬（1982-），男 ，湖北武穴人， 工程師， 碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用。

B

1003-0492(2016)12-0078-04

TP216