基于最優(yōu)同變估計(jì)的PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

張斌

摘 要：本文提出基于最優(yōu)同變估計(jì)的PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)同變估計(jì)解決方案，實(shí)例驗(yàn)證MODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)和EPA工業(yè)以太網(wǎng)集成PLC現(xiàn)場總線。依據(jù)電力設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的需求，實(shí)例驗(yàn)證基于工業(yè)以太網(wǎng)和PLC現(xiàn)場總線的嵌入式數(shù)據(jù)采集與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng) PLC現(xiàn)場總線 網(wǎng)絡(luò)集成

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0086-02

近幾年工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是最新發(fā)展形成的自動控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著自動控制、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)信息集成系統(tǒng)也在快速增長，為了適應(yīng)企業(yè)管理和控制應(yīng)用的集成將涵蓋從現(xiàn)場控制監(jiān)控市場、各級管理層次、采購原料、生產(chǎn)加工的各個方面，一直延伸到成品的儲運(yùn)銷售，甚至世界各地市場的供需鏈的整個過程中[1-2]。企業(yè)信息系統(tǒng)的開發(fā)對開放式的工業(yè)數(shù)據(jù)通信，底層控制網(wǎng)絡(luò)的功能和性能都提出了更高的要求。這也是PLC現(xiàn)場總線在國內(nèi)應(yīng)用較少的一個重要原因[3]。盡管PLC現(xiàn)場總線發(fā)展多年，但從經(jīng)濟(jì)、安全與現(xiàn)有的DCS或PLC相比，沒有明顯的優(yōu)勢，因此PLC現(xiàn)場總線系統(tǒng)目前應(yīng)用集中在小的系統(tǒng)和舊系統(tǒng)改造上較多。這導(dǎo)致了一方面，小系統(tǒng)一般不加入管理自動化和遠(yuǎn)程診斷功能，不能發(fā)揮PLC現(xiàn)場總線系統(tǒng)功能，減少了運(yùn)行和維護(hù)成本的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，大系統(tǒng)或關(guān)鍵系統(tǒng)在小型系統(tǒng)不能被反射的問題，PLC現(xiàn)場總線優(yōu)勢不能充分體現(xiàn)，這也阻礙了PLC現(xiàn)場總線的發(fā)展[4]。

1 基于最優(yōu)同變估計(jì)的PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在圖1所示的工業(yè)以太網(wǎng)PLC現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成架構(gòu)。該架構(gòu)是基于流行的嵌入式平臺上，主要使用ARM和x86的嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，嵌入式硬件平臺，研究了MODBUS楊磷、環(huán)保局、MODBUS、INTERBUS、PROFIBUS和其他工業(yè)以太網(wǎng)和PLC現(xiàn)場總線技術(shù)。

該平臺分為三層。支持工業(yè)以太網(wǎng)或PLC現(xiàn)場總線的智能I/O設(shè)備組成設(shè)備層。目前這款智能I/O設(shè)備已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域非常流行，較多地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。通過不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的不同網(wǎng)絡(luò)，這樣的設(shè)備也比較受歡迎，而且還可以自己開發(fā)。控制層由一個基于控制器的嵌入式平臺構(gòu)成?？刂破魍ㄟ^工業(yè)以太網(wǎng)PLC現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設(shè)備通信，或通過工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備與監(jiān)控層面進(jìn)行交流，主要用于數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，狀態(tài)監(jiān)視和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。操作站、工程師站、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等組成監(jiān)控層，主要完成現(xiàn)場設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲、Web發(fā)布等功能的操作與監(jiān)控。

2 應(yīng)用程序

嵌入式數(shù)據(jù)采集和故障診斷平臺作為例，研究工業(yè)以太網(wǎng)集成PLC現(xiàn)場總線的具體實(shí)現(xiàn)。對于大型汽輪發(fā)電機(jī)組的電力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電廠主機(jī)和輔機(jī)的數(shù)據(jù)采集和故障診斷。

本系統(tǒng)廣泛采用自動化技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，嵌入式技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它是在PLC現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和Interact基礎(chǔ)上的應(yīng)用系統(tǒng)。MODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)和PLC現(xiàn)場總線的MODBUS可以實(shí)現(xiàn)無縫集成，但MODBUS/TCP協(xié)議采用TCP/端口的數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)機(jī)制，而不是使用MODBUS的CRC或LRC校驗(yàn)機(jī)制。MODBUS的綜合通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以分為監(jiān)控層和設(shè)備層兩個部分，通信網(wǎng)絡(luò)由MODBUSPLC現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和MODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)兩部分組成，這兩層網(wǎng)絡(luò)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)連接。圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖中工程師站、操作站等由PC機(jī)作為監(jiān)控層計(jì)算機(jī)監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)。Modbus/TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示，混合網(wǎng)絡(luò)有支持MODBUS/TCP協(xié)議數(shù)據(jù)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，也有Modbus和Modbus/TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。

支持MODBUS/TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括：信號采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸三部分，在某些情況下還需要有數(shù)據(jù)顯示功能。嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以Philips公司的LPC2220微控制器為主控芯片進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。LPC2220微控制器是基于支持實(shí)時仿真和嵌入跟蹤的32位ARM內(nèi)核，采用144腳封裝，功耗極低，有多個32位定時器，8路10位ADC，PWM輸出以及9個外部中斷管腳。它適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(jī)（POS）等。通過配置總線，最多可提供76個GPIO。

3 結(jié)語

本文提出一個工業(yè)以太網(wǎng)集成PLC現(xiàn)場總線的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案采用工業(yè)以太網(wǎng)和PLC現(xiàn)場總線混合網(wǎng)絡(luò)的方法，適用于各種工業(yè)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了多種工業(yè)以太網(wǎng)集成PLC現(xiàn)場總線的應(yīng)用，以及直接利用工業(yè)以太網(wǎng)或PLC現(xiàn)場總線的應(yīng)用方案。

參考文獻(xiàn)

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[3] I Holyer.The NP-completeness of edge-coloring[J].SIAM Journal on Computing，1981，10（4）：718-720.endprint