西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用

趙良皓，隋起先，李 強(qiáng)

（天津鞍鋼天鐵冷軋薄板有限公司，天津300400）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化控制在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，PLC控制系統(tǒng)由于具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠性高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。西門子PLC控制系統(tǒng)是一種較為常用的PLC控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，為使系統(tǒng)發(fā)揮作用，需要對控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理配置。

1 西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略

1.1 通訊接口

在西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)中，主要包括兩種通訊接口的方式，分別是模塊處理器和PG/PC通信卡。在系統(tǒng)中，模塊處理器通過和PLC的一側(cè)連接來進(jìn)行工作。這種接口方式的特點(diǎn)在于其具有智能性，能夠使PLC自動(dòng)接入到相匹配的網(wǎng)絡(luò)之中。通過這樣的方式能夠使PLC的功能得到充分發(fā)揮。同時(shí)，模塊處理器還具有一些功能上的特性，這就使得其能夠通過自身來解決一些問題，而不是過分地依賴于CPU，間接地減輕了CPU的工作壓力。目前，模塊處理器有多種不同類型，在功能特性上也存在一定差異，各具特點(diǎn)。西門子S7-200系列模塊處理器特點(diǎn)為，它有 PPI（point to point interface，PPI）和MPI（multi-point interface，MPI）兩個(gè)專門負(fù)責(zé)通信聯(lián)絡(luò)信號的接口。PG/PC通信卡能夠使PG/PC設(shè)備和與之相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，一般在PLC主機(jī)上都設(shè)有專門進(jìn)行PG/PC通信卡連接的接口。PG/PC接口能夠協(xié)助一些未設(shè)微處理器的設(shè)備來進(jìn)行相應(yīng)的連接工作，從而使設(shè)備的功能得到充分發(fā)揮。

1.2 網(wǎng)絡(luò)類型

西門子PLC中具有很多不同的網(wǎng)絡(luò)類型，功能各有差別，優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同。設(shè)計(jì)這些不同網(wǎng)絡(luò)類型的目的是滿足不同層次控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求。目前，可以將控制網(wǎng)絡(luò)分為符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)和西門子公司自行開發(fā)的專用通信網(wǎng)絡(luò)這兩類。前者包括工業(yè)以太網(wǎng)（indust rial ethernet）、傳感器-執(zhí)行器接口（AS-i）和Profibus；后者包括了點(diǎn)對點(diǎn)接口（point to point connections）、MPI和 PPI。下面對這幾種不同的網(wǎng)絡(luò)類型進(jìn)行介紹。

（1）點(diǎn)對點(diǎn)接口。其主要特點(diǎn)是可以讓用戶根據(jù)自身需求來進(jìn)行通訊協(xié)議的定義，從而使S7-400和S7-300系列的PLC能夠和上位機(jī)、控制器等其它等通訊協(xié)議公開的設(shè)備進(jìn)行通訊。

（2）PPI網(wǎng)絡(luò)。它是作為S7-200的通信協(xié)議而設(shè)計(jì)開發(fā)的，可以應(yīng)用普通的雙芯屏蔽雙絞電纜來完成網(wǎng)絡(luò)的連接，主要特點(diǎn)是遵循主-從協(xié)議，即從站只能根據(jù)主站發(fā)出的要求而做出響應(yīng)信息，而不能夠主動(dòng)地進(jìn)行信息的發(fā)送。

（3）MPI網(wǎng)絡(luò)。MPI其實(shí)是一種令牌網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，是基于西門子的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的。MPI通訊協(xié)議應(yīng)用RS-485作為物理層，使其最大傳輸速率能夠接近12 Mb/s。通過MPI網(wǎng)絡(luò)能夠使PLC同時(shí)連接多個(gè)通訊對象，如計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面等，而同時(shí)進(jìn)行連接的對象數(shù)量是由CPU的類型來決定的。

（4）Profibus網(wǎng)絡(luò)。Profibus是種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于生產(chǎn)車間的監(jiān)控以及現(xiàn)場的指揮方面，其與MPI網(wǎng)絡(luò)都采用RS-485作為物理層，因此其最大傳輸速率也和MPI網(wǎng)絡(luò)相同。Profibus網(wǎng)絡(luò)具有開放性的特點(diǎn)，因此廠商可以根據(jù)自身需求在Profibus協(xié)議下進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)，并且將其連接到同一Profibus網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行通訊，從而更好地適應(yīng)現(xiàn)場的實(shí)際需求。Profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)

（5）工業(yè)以太網(wǎng)。其是為了滿足工業(yè)需求而專門設(shè)計(jì)的通訊網(wǎng)絡(luò)，工作原理是在ISO和TCP/IP的通訊協(xié)議之下，使用同軸電纜、光纜和雙絞線等實(shí)現(xiàn)互相間的通訊，其具有的一個(gè)重要特點(diǎn)是能夠支持廣域的開放型網(wǎng)絡(luò)模型。

（6）（AS-i）。這是一種符合國家和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的接口，這種網(wǎng)絡(luò)類型是應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制最低層的，具有比較簡單的特點(diǎn)，只能進(jìn)行少量數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3 傳輸介質(zhì)

PLC控制網(wǎng)絡(luò)中存在多樣化的傳輸介質(zhì)，在材料和性能上都有所差別，在實(shí)際工作中往往不是應(yīng)用單獨(dú)的傳輸介質(zhì)，而是使用不同介質(zhì)的組合，使這些介質(zhì)充分發(fā)揮各自的功能和特性，促進(jìn)PLC控制網(wǎng)絡(luò)效率的提升。例如，在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)用了多種傳輸?shù)慕橘|(zhì)。無線短距離傳輸主要依靠紅外線的導(dǎo)向作用來實(shí)現(xiàn)，光纖材料傳輸是目前主要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑饫w材料具有優(yōu)良的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速率的傳輸，不僅能應(yīng)用于短距離傳輸中，也可以應(yīng)用于長距離的傳輸中。電氣數(shù)據(jù)的傳輸方式是通過具有屏蔽作用的雙絞線電纜和地下電纜的相互配合來實(shí)現(xiàn)的。

1.4 通訊能力

在西門子網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中，能夠?qū)崿F(xiàn)S5兼容通訊、S7基本通訊、標(biāo)準(zhǔn)通訊以及OP通訊等通訊功能。這些通訊接口的主要功能和實(shí)現(xiàn)方式各不相同，如S7通訊的特點(diǎn)是能夠提供簡單、功能強(qiáng)大的通訊任務(wù)，在實(shí)現(xiàn)方式上，其可以通過MPI、Profibus以及工業(yè)以太網(wǎng)等來實(shí)現(xiàn)。由于這些通訊接口在功能上的差異性，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中需要根據(jù)實(shí)際情況來解決具體問題。

2 西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)配置的具體應(yīng)用

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到很多對象，其中包含許多需要進(jìn)行控制的對象，如拉矯機(jī)、工作輥和索尼磁尺等在軋鋼生產(chǎn)過程中應(yīng)用的重要設(shè)備。由于生產(chǎn)過程中需要控制的設(shè)備種類較多，在功能上差別較大，因此鋼鐵企業(yè)在進(jìn)行控制時(shí)面臨的難度較大，加之需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大，因此在選擇西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的類型時(shí)，最好能和國家標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。綜合上述條件，選擇Profibus網(wǎng)絡(luò)是較為適合的，其能夠在鋼鐵生產(chǎn)過程中起到較好的控制效果，保證鋼鐵生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

在完成網(wǎng)絡(luò)類型的選擇之后，企業(yè)需要對自身的狀況進(jìn)行評估，根據(jù)設(shè)備在生產(chǎn)車間中的實(shí)際位置進(jìn)行控制系統(tǒng)的劃分，確定出多個(gè)PLC控制站，保證數(shù)據(jù)通訊能夠正常運(yùn)行，不同點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信都能夠利用連鎖控制技術(shù)來完成，從而實(shí)現(xiàn)正常的生產(chǎn)。除了上述工作外，還需要進(jìn)行Profuse-DP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的選擇。Profuse-DP網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場鏈路層中包含了令牌總線方式和混合方式兩種方式，前者能夠通過令牌將數(shù)據(jù)信息傳送到總站上，然后總站在收到信息之后能夠向主站獲取信息或者進(jìn)行信息的發(fā)送，而從站卻不具備索取信息的功能，其只能被動(dòng)的反應(yīng)或者向總站進(jìn)行信息的發(fā)送，這就導(dǎo)致了信息的傳輸工作難以保證其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。為了解決這一問題，需要對控制站進(jìn)行重新的設(shè)置，將所有的控制站都設(shè)置成主戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)信息在控制系統(tǒng)內(nèi)部的自由交換，保證信息傳送的準(zhǔn)確性和高效性。

在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中工藝流程較長，每個(gè)主站所控制的設(shè)備距離其自身都有較長的距離，并且還具有分散性的問題，為了有效的節(jié)約成本，減少昂貴的信號線的使用并保證系統(tǒng)的可靠性，在主站的選擇時(shí)選用S7-400，s7-300系列 PLC，這一類型的主站集成的Profibus-DP能夠作為主站，而且形成下一級的Profibus-DP子網(wǎng)，此在遠(yuǎn)程I/O從站的選用上可以使用ET200M。按照上述方式完成Profibus-DP控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建，如圖2所示。

圖2 Profibus控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過從整體角度對西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上是由兩級子網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成的，其中處于底層的子網(wǎng)作用是進(jìn)行通訊服務(wù)，保證主站和遠(yuǎn)程從站之間的通訊服務(wù)，從而使信息能夠合理地進(jìn)行傳遞。而位于頂層的頂層Profibus-DP子網(wǎng)的主要功能是為上位機(jī)和PLC主站提供相應(yīng)的通訊服務(wù)。此外，在不同的主站和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸量非常大，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性以及運(yùn)行的合理性，最好應(yīng)用多協(xié)議混合模式來對運(yùn)行進(jìn)行操作。

3 結(jié)語

通過對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)情況進(jìn)行長時(shí)間的研究可以發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)后，其生產(chǎn)效率和自動(dòng)化控制水平方面均得到極大提升，有效地降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，使企業(yè)獲得了更多的經(jīng)濟(jì)效益。從中可以看出，合理的應(yīng)用和配置PLC控制網(wǎng)絡(luò)有助于促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的健康發(fā)展。