三菱PLC通信組網(wǎng)設計初探
——以國賽現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試項目為例

蔡明書，劉劍昀

(1.上海立達學院機電與信息學院，上海 201609)

(2.上海交通大學繼續(xù)教育學院，上海 200052)

現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試項目自2015年被正式確立為全國職業(yè)院校技能大賽(以下簡稱國賽)高職組的比賽項目至今已經(jīng)有5個年頭了。該項目涵蓋了現(xiàn)代電氣控制應用領域所需的可編程邏輯控制器(PLC)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)和觸摸屏組態(tài)等核心技術(shù)[1]。目前國內(nèi)外主流的自動化企業(yè)紛紛推出了新款、高性能的PLC作為現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)的核心設備。該項目推薦三菱PLC(Q+FX3U)及西門子S7(300+200 smart或1500+1200)系列及匯川(AM600+H2U)系列的PLC作為比賽的選型設備。為了體現(xiàn)當前企業(yè)生產(chǎn)日趨智能化、信息化的特點，比賽要求側(cè)重于生產(chǎn)企業(yè)自動化電氣控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡組建，以滿足復雜控制要求下不同自動化設備的通信需求。

1 三菱Q系列PLC與CC-Link通信網(wǎng)絡

三菱電機公司生產(chǎn)的PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活和使用成本低等特點。三菱Q系列PLC是三菱公司中型機A系列PLC的升級產(chǎn)品，采用模塊化結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)品的組成和規(guī)模可以根據(jù)控制要求靈活組合。歷經(jīng)十幾年的更新?lián)Q代，其性能領先于其他主流品牌的PLC產(chǎn)品，具有強大的組網(wǎng)功能并有很高的可靠性與兼容性。隨著網(wǎng)絡化控制和集散控制的發(fā)展，PLC生產(chǎn)企業(yè)都開發(fā)了相應的通信模塊或網(wǎng)絡系統(tǒng)[2]。

CC-Link是三菱電機公司開發(fā)的現(xiàn)場設備總線，是一種使用簡單、低成本、高性能的開放式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡[3]。三菱PLC的網(wǎng)絡系統(tǒng)一般由現(xiàn)場設備總線網(wǎng)(CC-Link)、控制網(wǎng)(MELSECNET/H)和工廠信息網(wǎng)(Ethernet)構(gòu)成[4]。CC-Link總線網(wǎng)絡底層遵循RS-485標準，性能有了大幅度提升，抗干擾能力強、通用性強，最大速率可達10 Mb/s[5]，但隨著工業(yè)網(wǎng)絡化的發(fā)展，其較小的通信網(wǎng)絡容量難以滿足現(xiàn)代化大中型網(wǎng)絡的現(xiàn)場設備控制需求。在集成其協(xié)議的循環(huán)通信技術(shù)基礎上，CC-Link家族新推出的CC-Link IE可以實現(xiàn)控制與信息網(wǎng)絡層間的整合[6]。Q系列PLC主要采用三菱MELSECNET/10(H)、CC-Link、串行通信等通信方式，并支持Modbus等其他廠商的網(wǎng)絡協(xié)議[7]。Q系列PLC通常搭配型號為QJ61BT11N的CC-Link通信模塊組成網(wǎng)絡主站，選用FX系列PLC作為從站時需搭配FX-CCL系列的通信模塊。

2 物流倉儲自動化系統(tǒng)的組網(wǎng)設計

現(xiàn)代物流倉儲系統(tǒng)通常由輸送設備、存儲設備與分揀設備等組成[8]。國賽現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)項目先后設立了倉庫分揀系統(tǒng)、立體倉庫系統(tǒng)和平面?zhèn)}庫系統(tǒng)等具有物流倉儲自動化特點的比賽任務[9]，各任務的電氣控制對象見表1。

表1 倉庫分揀系統(tǒng)、立體倉庫系統(tǒng)和平面?zhèn)}庫系統(tǒng)任務的電氣控制對象

本文以倉庫分揀系統(tǒng)任務為研究對象，選用CC-Link網(wǎng)絡對其進行通信組網(wǎng)設計與試驗。

2.1 倉庫分揀系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)國賽題庫公布的倉庫分揀系統(tǒng)任務書，系統(tǒng)包括立體倉庫、倉庫分揀和平面存貨三大工作區(qū)。各工作區(qū)的主要控制要求是：立體倉庫區(qū)需實現(xiàn)倉庫取貨小車的水平、垂直運行控制；分揀區(qū)需完成貨物類型檢測及轉(zhuǎn)運傳送帶的控制；平面存貨區(qū)需對分揀傳送帶進行多段速變頻運行控制等。該系統(tǒng)的各工作區(qū)既要滿足獨立的控制要求，又要能實現(xiàn)互相協(xié)調(diào)的控制流程。圖1為倉庫分揀系統(tǒng)圖。

圖1 倉庫分揀系統(tǒng)圖

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)的硬件設計

依據(jù)倉庫分揀系統(tǒng)任務的控制要求，選用三菱Q系列的Q00UCPU搭配QJ61BT11N通信模塊作為CC-Link網(wǎng)絡的主站，倉庫分揀區(qū)和平面存貨區(qū)選用FX3U系列MR(繼電器輸出型)PLC作為網(wǎng)絡中從站1(遠程設備站)，立體倉庫區(qū)選用FX3U系列MT(晶體管輸出型)PLC作為網(wǎng)絡中從站2(遠程設備站)，并分別搭配FX2N-32CCL通信模塊和屏蔽電纜與主站組網(wǎng)。為減少設備終端的信號反射，整個系統(tǒng)組網(wǎng)的電纜兩端還需分別并聯(lián)1只110 Ω的終端電阻，每只電阻跨接在兩端站點通信模塊的DA和DB端子之間[4]。

組網(wǎng)中人機交互界面采用觸摸屏(HMI)控制主站及對各工作區(qū)從站進行統(tǒng)一的網(wǎng)絡監(jiān)控。選用昆侖通態(tài)公司的觸摸屏(TPC7062系列)，并通過型號為TPC-Q的RS-232接口電纜與主站PLC實現(xiàn)串行通信。倉庫分揀系統(tǒng)任務的組網(wǎng)設計連接圖如圖2所示。

圖2 倉庫分揀系統(tǒng)的組網(wǎng)設計連接圖

倉庫分揀系統(tǒng)的CC-Link組網(wǎng)一般包括系統(tǒng)組網(wǎng)的通信數(shù)據(jù)規(guī)劃、主站網(wǎng)絡參數(shù)設置、通信模塊參數(shù)設置、通信組網(wǎng)程序設計和觸摸屏的設置。

2.3 系統(tǒng)組網(wǎng)的通信數(shù)據(jù)規(guī)劃

根據(jù)組網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模，從站可以設置成占用1到4個邏輯站，每個占用的邏輯站有32個遠程輸入/輸出點、4個遠程讀/寫寄存器。倉庫分揀系統(tǒng)的組網(wǎng)采用兩個從站各占用1個邏輯站的設置，具體規(guī)劃如下。

從站1：通過M0～M31、D0～D3讀取主站的通信數(shù)據(jù)，通過M64～M95、D10～D13共享給主站通信數(shù)據(jù)。

從站2：通過M32～M63、D4～D7讀取主站的通信數(shù)據(jù)，通過M96～M127、D14～D17共享給主站通信數(shù)據(jù)。

主站的遠程輸入/輸出點選用M元件，遠程讀/寫寄存器選用D元件。遠程輸出點(RY)為M0～M63，遠程輸入點(RX)為M64～M127。遠程輸入/輸出點按順序依次分配給從站1、從站2各32個輸入/輸出點。由于最終邏輯站的最后兩位輸入/輸出點被系統(tǒng)占用，不能用于主站與從站之間的通信[10]，因此每個從站可使用30個遠程輸入/輸出點。

2.4 系統(tǒng)組網(wǎng)的主站網(wǎng)絡參數(shù)設置

在CC-Link網(wǎng)絡中主站起到主管從站的作用，在整個CC-Link網(wǎng)絡中僅需要在主站中規(guī)劃通信數(shù)據(jù)并設置CC-Link網(wǎng)絡參數(shù)。在編程軟件GX Works2中新建“工程項目”，并進行CC-link主站參數(shù)設置。設置界面中，“模塊塊數(shù)”為“1”，“起始I/O”通過其端口分配設置中“PLC數(shù)據(jù)讀取”獲得，由主站的通信模塊安裝在基板中的插槽位置決定，本系統(tǒng)為“0000”；“類型”設置為“主站”，“模式設置”選擇“遠程網(wǎng)絡(Ver.1模式)”；“總連接臺數(shù)”依據(jù)網(wǎng)絡中從站的個數(shù)，設置為“2”；“遠程輸入(RX)、輸出(RY)點”依據(jù)上述M元件地址的分配設置為“M64”和“M0”?！斑h程讀寄存器(RWr)、寫寄存器(RWw)”依據(jù)上述D元件地址的分配設置為“D10”和“D0”。在網(wǎng)絡發(fā)生通信錯誤時系統(tǒng)將進行重試，重試次數(shù)系統(tǒng)默認設置為“3”；“自動恢復臺數(shù)”是從站因斷電等原因從數(shù)據(jù)鏈接中斷開后再次恢復鏈接時每次鏈接掃描能夠恢復的臺數(shù)，設置為“1”。

CC-Link網(wǎng)絡還需要在“站信息”中對從站進行參數(shù)設置，兩個從站的參數(shù)設置相同，“站類型”設置為“遠程設備站”，“占用站數(shù)”設置為“1”；系統(tǒng)中“保留/無效站”選項，設置為“無”。

2.5 系統(tǒng)組網(wǎng)的通信模塊參數(shù)設置

完成軟件中參數(shù)設置后，還要根據(jù)所設參數(shù)在CC-Link模塊上進行站數(shù)、站號和通信速率的設置。

從站的站數(shù)設置：將從站通信模塊的“OCCUPY STATION”旋轉(zhuǎn)開關(guān)設置為“0”，表示占用1個站(即占用1個邏輯站地址)。通過增加占用的站數(shù)可增加網(wǎng)絡系統(tǒng)中通信點數(shù)量[11]。

站號設置：主站、從站1和從站2通信模塊的“STATION NO×10”都設置為“0”，“STATION NO×1”分別設置為“0”“1”“2”。

通信速率的設置：根據(jù)CC-link網(wǎng)絡的工作環(huán)境可設置156 kb/s～10 Mb/s不同的傳輸速率。由于試驗環(huán)境較為理想，通信速率設為10 Mb/s，通信模塊上的“B RATE”設置成“4”。如果各個模塊的傳輸速率不一致，則通信錯誤燈“LERR”亮，此時各站之間無法進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.6 系統(tǒng)組網(wǎng)的通信程序設計

CC-Link網(wǎng)絡主要采用廣播-輪詢通信方式[5]，通信過程中主站通過鏈接掃描方式與從站的通信模塊進行數(shù)據(jù)交換，從站使用FROM或TO指令讀寫緩沖存儲器BMF中的數(shù)據(jù)。從站1通過FROM指令從通信模塊的緩沖存儲器BMF讀取M0～M31和D0～D3的數(shù)據(jù)，用TO指令把M64～M95和D10～D13的數(shù)據(jù)傳到通信模塊的緩沖存儲器BMF中；從站2通過FROM指令讀取M32～M63和D4～D7的數(shù)據(jù)，用TO指令把M96～M127和D14～D17的數(shù)據(jù)傳到通信模塊的緩沖存儲器BMF中。圖3所示為從站1的通信程序。

圖3 從站1的通信程序

2.7 系統(tǒng)組網(wǎng)觸摸屏的設置

根據(jù)系統(tǒng)任務的控制要求，必須先在觸摸屏的配套組態(tài)軟件(MCGS)中設計控制界面并正確下載到設備。組網(wǎng)設計中觸摸屏與主站采用串行通信的方式。為實現(xiàn)觸摸屏與主站的正常通信，在觸摸屏組態(tài)軟件中建立Q系列工程串口，“編程接口類型”選項中選擇主站的型號，通信數(shù)據(jù)格式與主站設置一致。如果組態(tài)軟件的“編程接口類型”選項中沒有Q00UCPU，可選用同系列的Q02UCPU。

3 試驗與測試

基于上述倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網(wǎng)設計，搭建了試驗的硬件平臺。該平臺主要由供電電源、控制設備、控制載體等組成。通信組網(wǎng)的測試區(qū)如圖4所示。

圖4 試驗平臺組網(wǎng)測試區(qū)

倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網(wǎng)測試分為3個步驟。

第1步，CC-Link參數(shù)診斷。使用三菱編程軟件GX Work2對主站進行CC-Link診斷，查看通信模塊參數(shù)及網(wǎng)絡參數(shù)設置是否正確。CC-Link系統(tǒng)診斷測試界面如圖5所示。

圖5 CC-Link系統(tǒng)診斷測試界面

第2步，主站與各工作區(qū)從站的PLC通信測試。在主站、各從站的外部連接按鈕開關(guān)和指示燈，對各站網(wǎng)絡通信情況進行監(jiān)測。在設計的各站通信程序控制下，通過主站的外接按鈕開關(guān)逐步檢測各從站之間的通信情況，觀察外接指示燈的狀態(tài)是否正常，以此確定CC-Link網(wǎng)絡設計中的各項參數(shù)設置是否正確。

第3步，觸摸屏與主站、各工作區(qū)從站的PLC通信測試。在組態(tài)軟件中根據(jù)倉庫分揀系統(tǒng)的控制要求，設計了各站的組網(wǎng)測試界面。觸摸屏顯示的組網(wǎng)測試界面中“觸摸屏與主站通信燈”為通信狀態(tài)變量，通信狀態(tài)燈點亮表示觸摸屏與主站的通信參數(shù)設置正確。按下組網(wǎng)測試界面中的通信測試按鈕，從觸摸屏的通信顯示區(qū)中的指示燈狀態(tài)觀察各站的通信情況。倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網(wǎng)測試界面如圖6所示。

圖6 倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網(wǎng)測試界面

4 結(jié)束語

本文采用三菱系列PLC的CC-Link組網(wǎng)設計可以滿足國賽現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試項目倉庫分揀系統(tǒng)任務的通信控制要求，實現(xiàn)了各站之間的通信和有效控制。同時驗證了自行設計的試驗平臺能滿足該項目的國賽技術(shù)規(guī)范要求，為國賽的其他比賽任務提供了有益的借鑒。