對(duì)基于PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)分析

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（陜西延長(zhǎng)石油興化集團(tuán)電氣儀表公司，陜西 興平 713100）

1 可編程控制器

PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)是基于PLC技術(shù)而構(gòu)建的1種控制系統(tǒng)。PLC 技術(shù)就是1 種利用可編程邏輯控制器進(jìn)行控制的技術(shù)，其可以對(duì)內(nèi)部程序進(jìn)行改變，并在一定用戶的指令下對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行控制。該技術(shù)可以進(jìn)行相關(guān)邏輯運(yùn)算。在邏輯運(yùn)算后，系統(tǒng)會(huì)生成模擬控制量，進(jìn)而控制相關(guān)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。與傳統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)相比，PLC 技術(shù)進(jìn)一步融合了微機(jī)技術(shù)和繼電器技術(shù)，同時(shí)還對(duì)這2 項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的升級(jí)。PLC 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)接線更為簡(jiǎn)便安全，同時(shí)工作效率也更高、更安全。通常情況下PLC 技術(shù)主要由計(jì)算處理CPU、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、電源系統(tǒng)、固定程序、通信模塊以及處理模塊等共同構(gòu)成。此外，由于PLC 可編程控制器以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，因此，其可以與網(wǎng)絡(luò)數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中的信息化控制以及統(tǒng)一管理，這對(duì)于保證生產(chǎn)的穩(wěn)定有序發(fā)揮了積極的作用[2]。由此可見，PLC 技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中是自動(dòng)化控制的不二選擇。

PLC 可編程控制器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)以及運(yùn)算等多種功能，形成了1 種分級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。這其中也有現(xiàn)代通信技術(shù)的身影。而當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正是基于信息技術(shù)與PLC 控制系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用而發(fā)展形成的1 種技術(shù)，其安裝在生產(chǎn)制造的相關(guān)設(shè)備、儀表和控制性的網(wǎng)站空間設(shè)備之間，用以連接各節(jié)點(diǎn)形成1 個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)，而基于PLC 的通信技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)。

2 PLC 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

PLC 網(wǎng)絡(luò)擁有獨(dú)立的通信模塊，這是其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。而不同的PLC 類型，其所使用的通信模塊是不同的。例如采用西門子S7-200 系列PLC 的生產(chǎn)線，其CPU 就可以同時(shí)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（PPI）、多點(diǎn)接口（MPI）、現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）、工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）和自由口協(xié)議等多個(gè)不同的通信方式[3]。為了進(jìn)一步分析PLC 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，該處主要圍繞PPI 通信技術(shù)和PROFIBUS 通信技術(shù)展開探討。

2.1 PPI 通信技術(shù)

PPI 通信技術(shù)是西門子S7-200 系列PLC 中最基礎(chǔ)的通信方式，其實(shí)現(xiàn)通信依靠的是PORT0 或PORT1 端口。這里的PPI 是指主站-從站協(xié)議。由于主、從站存在于同一令牌環(huán)網(wǎng)中，因此，主站通過(guò)接收令牌來(lái)獲得向其他從站發(fā)指令的權(quán)限，從而形成1 個(gè)PPI 網(wǎng)絡(luò)。在該協(xié)議下，主站是請(qǐng)求與指令的發(fā)出者，從站則是相應(yīng)者。以PPI 為基礎(chǔ)構(gòu)建的主站網(wǎng)絡(luò)最多可以支持32 個(gè)主站，所有主站都通過(guò)PPI 協(xié)議所管理的連接來(lái)進(jìn)行與從站的通信[4]。

在同一網(wǎng)絡(luò)中，主站如果沒(méi)有接收令牌，則與從站一樣，也可以對(duì)其他主站進(jìn)行響應(yīng)。其中主站設(shè)備主要包括自帶系統(tǒng)的編程設(shè)備、觸摸面板以及文本現(xiàn)實(shí)等HMI設(shè)備。從站設(shè)備則主要有CPU 和擴(kuò)展機(jī)架等。對(duì)S7-200來(lái)說(shuō)，其從站由于包括CPU，因此，在用戶程序?yàn)镻PI 主站模式的情況下，其從站也可以充當(dāng)主站，進(jìn)而獲取讀取或?qū)懭肫渌鸆PU 數(shù)據(jù)的權(quán)限。此外，在PPI 通信技術(shù)中還有1 種更高級(jí)的PPI 協(xié)議，即在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立邏輯連接的協(xié)議。但該協(xié)議所支持的設(shè)備是十分有限的。在S7-200CPU 中，僅有EM277 模塊可以支持該協(xié)議。PPI的傳輸速率一般在1.2 kbps～115.2 kpbs。

PPI 在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的構(gòu)建上主要以PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以總線型拓?fù)錇榛窘Y(jié)構(gòu)形式。實(shí)踐中，企業(yè)可以根據(jù)需求建設(shè)不同的PPI 網(wǎng)絡(luò)，例如單主站PPI 網(wǎng)絡(luò)、多主站PPI 網(wǎng)絡(luò)以及復(fù)雜PPI 網(wǎng)絡(luò)等。

此外，在PPI 網(wǎng)路中，因?yàn)橹髡咀x寫信息依靠的是相關(guān)讀寫指令，所以需要對(duì)其讀寫程序進(jìn)行編寫。但在實(shí)際編寫前，需要首先明確主站所發(fā)出數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)發(fā)出的指向位置、數(shù)據(jù)發(fā)出的位置、主站接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及讀取數(shù)據(jù)的位置等相關(guān)問(wèn)題。這些數(shù)據(jù)問(wèn)題的確定可以以系統(tǒng)工作的具體需求為依據(jù)。在這些問(wèn)題確定之后，就可以進(jìn)行讀寫程序的具體編寫。

2.2 PROFIBUS 通信技術(shù)

2.2.1 PROFIBUS 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

與PPI 通信相比，PROFIBUS 即工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線在當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。其屬于1 種開放性的數(shù)字通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的分散式發(fā)展。PROFIBUS通信實(shí)際上是1 種RS-485 串口通信，其協(xié)議結(jié)構(gòu)主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS 以及PROFIBUS-PA 3 個(gè)子集構(gòu)成，具體如圖1 所示。

其中DP 和FMS 的物理連接接口為RS-485，可采用屏蔽單對(duì)雙絞銅線A 型電纜。PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)中各子集有以下3 個(gè)特點(diǎn)：1） PROFIBUS-DP 主要負(fù)責(zé)分布式系統(tǒng)中各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞。DP 的應(yīng)用層為工廠現(xiàn)場(chǎng)層，其通信服務(wù)主要面向PLC、自動(dòng)公職設(shè)備、傳感器以及執(zhí)行器，擁有較高的傳輸速度，并被用在單站或多站系統(tǒng)的建設(shè)中。在整個(gè)PROFIBUS 結(jié)構(gòu)中，DP 的應(yīng)用占比高達(dá)80%，是PROFIBUS 技術(shù)的核心所在。2） PROFIBUS-FMS 在車間級(jí)的通信上具有通用性，所以可以幫助完成各種中等傳輸速率的通信工作?；诖?，PROFIBUS-FMS 可以在車間大范圍的信息交換中發(fā)揮作用，明確主站之間的通信規(guī)范，進(jìn)而為車間級(jí)控制提供大范圍的中速周期性通信或非周期性通信服務(wù)。3） PROFIBUS-PA 在自動(dòng)化過(guò)程中起著基礎(chǔ)性作用，因此常用在總線供電等場(chǎng)合。

2.2.2 PROFIBUS 通信參考模型

OSI 開放系統(tǒng)互連模型是PROFIBUS 的通信參考模型。在該模型中，F(xiàn)MS、DP 和PA 又各自采用不同的層與行規(guī)。

DP 采用的物理層、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層FDI 以及用戶層，而其總線控制及數(shù)據(jù)傳輸則依靠Token-Passing 主從分時(shí)輪詢協(xié)議。

FMS 與DP 在物理層和用戶層上類似，同時(shí)由于其在現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路層上采用報(bào)文規(guī)范，因此，它提供的通信服務(wù)更為強(qiáng)大。

PA 在數(shù)據(jù)鏈路層的擴(kuò)展協(xié)議應(yīng)用上與DP 相同，但在物理層上則采用IEC 1158-2 標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，因?yàn)樵谖锢韺由洗嬖诓町?，所以PA 與DP 網(wǎng)段間需要依靠耦合器進(jìn)行連接，如圖2 所示。

2.2.3 PROFIBUS 總線訪問(wèn)控制分析

在PROFIBUS 系統(tǒng)中，DP、FMS 和PA 都以單一總線訪問(wèn)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的控制操作，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的總線控制則涉及令牌傳遞和主從傳遞2 種不同的方式。在實(shí)際運(yùn)行中，每個(gè)時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)都是唯一的，同時(shí)要求系統(tǒng)內(nèi)部必須能夠盡可能地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，PROFIBUS 總線訪問(wèn)控制利用令牌傳遞方式解決該問(wèn)題。令牌屬于特殊報(bào)文，其應(yīng)用僅面向主站間的通信，同時(shí)期在主站之間的循環(huán)周期還可以被提前設(shè)定。PROFIBUS 總線控制就是通過(guò)令牌的傳遞來(lái)保證各主站在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)獲取令牌，以此擁有總線訪問(wèn)權(quán)。令牌環(huán)在系統(tǒng)中充當(dāng)著各主站間的組織鏈，主、從站間的主要通信方式為主站獲得令牌后，向從站發(fā)送或索取信息。依靠該方式就可以將整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)需求組態(tài)為不同形式的系統(tǒng)。

2.2.4 PROFIBUS 通信協(xié)議

PROFIBUS 通信協(xié)議的研究需要從物理、網(wǎng)絡(luò)連接以及數(shù)據(jù)鏈路層等方面進(jìn)行分析。其中PROFIBUS 的物理層主要采用RS-485 物理連接的方式進(jìn)行連接，例如DP 與FMS 都采用該種連接方式。同時(shí)RS-485 又采用平衡差分傳輸?shù)姆绞?。同時(shí)PROFIBUS 中RS-485 總線段結(jié)構(gòu)中利用有屏蔽層的雙絞電纜來(lái)傳輸相同大小但方向相反的信號(hào)，該方式可以有效降低環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)的影響?；谠撐锢磉B接所構(gòu)建出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其單一網(wǎng)段最大可接入32 臺(tái)設(shè)備，且網(wǎng)段距離最高可達(dá)1 200 m。同時(shí)其傳輸速率可以在9.6 Kb/s～12 Mb/s進(jìn)行自由選擇。PROFIBUS 數(shù)據(jù)鏈路層以O(shè)SI 參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)總線存取控制、數(shù)據(jù)安全、傳輸協(xié)議以及報(bào)文處理等進(jìn)行規(guī)定，進(jìn)而建立、維持及拆除鏈路連接，最終保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

圖1 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)

圖2 PA 與DP 網(wǎng)段連接圖

3 基于PROFIBUS 的系統(tǒng)故障診斷

3.1 硬件診斷方式

PROFIBUS 總線的物理層采用RS-485 雙絞線作為通信介質(zhì)；釆用標(biāo)準(zhǔn)DP 電纜進(jìn)行站點(diǎn)連接；網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展使用信號(hào)中繼器、網(wǎng)關(guān)或鏈接模塊等設(shè)備?；诘讓游锢砭€路的通信診斷通常采用硬件診斷工具進(jìn)行工作。

3.1.1 BT200硬件測(cè)試

BT200 為手持式測(cè)試設(shè)備，在總線系統(tǒng)線路網(wǎng)絡(luò)安裝鋪設(shè)和站點(diǎn)安裝階段，可以用它來(lái)測(cè)試PROFIBUS 線路的連接是否正確、所用站點(diǎn)端口的通信是否正常。BT200 主要用來(lái)測(cè)試A、B 以及Shield 線路是否出現(xiàn)斷路短路或AB 線接反的情況，也可以對(duì)帶電的主站或從站站點(diǎn)進(jìn)行RS-485 通信口、通信質(zhì)量以及總線網(wǎng)絡(luò)可用站點(diǎn)數(shù)量的檢測(cè)等。

BT200 診斷工具具有電池供電、操作簡(jiǎn)單以及測(cè)試快速準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，是PROFIBUS 系統(tǒng)初期安裝階段不可或缺的工具。

3.1.2 Profitrace 在線診斷

Profitrace 為PROFIBUS 系統(tǒng)短時(shí)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，是PROFIBUS 總線系統(tǒng)進(jìn)行物理信號(hào)監(jiān)測(cè)、報(bào)文捕捉、站點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)線路拓?fù)湓\斷的專用工具，可實(shí)現(xiàn)捕捉總線報(bào)文、動(dòng)態(tài)顯示信號(hào)的波形圖、實(shí)時(shí)顯示通信站點(diǎn)的端口電壓、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓\斷、主站診斷等主要診斷功能。

3.2 軟件診斷方式

3.2.1 系統(tǒng)功能塊診斷

為了能夠檢測(cè)和獲取PROFIBUS 總線系統(tǒng)運(yùn)行的信息，S7V5.5 編程軟件提供了多個(gè)系統(tǒng)信息功能塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能塊。通過(guò)對(duì)這些功能塊的條件引用及數(shù)據(jù)分析，可獲得大量且內(nèi)容詳細(xì)的系統(tǒng)信息。這些信息包括各個(gè)站點(diǎn)的工作狀態(tài)、故障時(shí)故障信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、主站診斷緩沖區(qū)的診斷信息等。

3.2.2 專用診斷功能塊診斷

FB125和FB126診斷功能是西門子提供給S7-300/400PLC程序開發(fā)者用于診斷總線系統(tǒng)故障及獲取總線系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的功能塊。FB125/FB126 是封裝多個(gè)診斷功能的智能系統(tǒng)診斷功能塊，可提供詳細(xì)的系統(tǒng)信息、系統(tǒng)診斷信息、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)信息、總線診斷模塊診斷信息、診斷報(bào)文信息等。合理而有效地使用FB125/FB126，可以多用途、多層次、多角度地診斷總線系統(tǒng)。EB126 包含F(xiàn)B125 功能。FB125 是針對(duì)PROFIBUS 系統(tǒng)的診斷功能塊，F(xiàn)B126 在此基礎(chǔ)上還可診斷ProfinetI/O 系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)基于PLC 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)取得巨大發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式的出現(xiàn)，更是為工業(yè)自動(dòng)化增添了更強(qiáng)勁發(fā)展動(dòng)力。在實(shí)踐中，PROFIBUS 通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)無(wú)疑更為突出，其能夠完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)更多操作的訪問(wèn)與控制。因此在新通信系統(tǒng)研究與應(yīng)用中，不但要基于此項(xiàng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，更要采用多種故障診斷模式，以使其在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮更大作用。