基于PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)探究①

謝玉川

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，PLC自動(dòng)化控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的有效控制，需要做好通信技術(shù)設(shè)計(jì)。基于此，本文探究PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中通信技術(shù)的先進(jìn)意義，重點(diǎn)探究該系統(tǒng)中的通信技術(shù)，以供相關(guān)工作參考。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù);PLC技術(shù);自動(dòng)化控制系統(tǒng)

引言：目前，隨著自動(dòng)化控制領(lǐng)域的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，而通信技術(shù)作為該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的關(guān)鍵，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。因此，為提高整體生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的緊密連接，探究該系統(tǒng)中的通信技術(shù)是必要的。

1.探討PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的通信技術(shù)的先進(jìn)意義

從當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，相較于以往，其規(guī)?；?、機(jī)械化和自動(dòng)化水平得到極大提高，其中，PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)揮了不可替代的作用。該系統(tǒng)覆蓋工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了物資的合理分配以及故障的及時(shí)檢測(cè)與處理，極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)效率與效果。通信技術(shù)作為PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中發(fā)揮著極大的作用，可以說(shuō)，通信技術(shù)是PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)有序運(yùn)作的基礎(chǔ)。因此，應(yīng)探究該系統(tǒng)中的通信技術(shù)，不斷優(yōu)化技術(shù)使用，提高信息流通準(zhǔn)確性，并為相關(guān)工作人員和工作提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)自行調(diào)控，進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平[1]。

2.探究以PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的通信技術(shù)

2.1 PPI通信技術(shù)

所謂PPI通信技術(shù)，指的是目前PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)的一種通信方式，通過(guò)PORT0/1端口就能夠?qū)崿F(xiàn)通信。在該通信技術(shù)中，主站-從站協(xié)議就是PPI，由于二者存在于統(tǒng)一令牌環(huán)網(wǎng)中，所以，通過(guò)進(jìn)行令牌的接收，主站就能夠獲得發(fā)送指令的權(quán)限，形成PPI網(wǎng)絡(luò)。因此，在PPI通信技術(shù)的應(yīng)用下，指令與請(qǐng)求的發(fā)出者就是主站，響應(yīng)者為從站，通過(guò)將PPI作為構(gòu)建主站網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，可以是該系統(tǒng)支持32個(gè)主站，并與從站進(jìn)行友好通信。如果主站在與從站處于同一網(wǎng)絡(luò)但沒(méi)有接收令牌時(shí)，那么主站也可以響應(yīng)其他主站。從目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，編程設(shè)備、HMI設(shè)備以及觸摸面板等是構(gòu)成主站的主要設(shè)備，其中，編程設(shè)備指代系統(tǒng)，而擴(kuò)展機(jī)架和CPU則是構(gòu)成從站的主要設(shè)備。對(duì)于西門(mén)子S7-200而言，在從站具有CPU的情況下，從站在某些時(shí)刻也可以發(fā)揮主站的作用，例如讀取或?qū)懭胂嚓P(guān)數(shù)據(jù)。除此之外，在該通信技術(shù)中還具有一種更高級(jí)的PPI協(xié)議，該協(xié)議將邏輯建立在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間，但是值得注意的是，該協(xié)議對(duì)設(shè)備具有較高要求，即不支持過(guò)多設(shè)備。

在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的構(gòu)建方面，PPI通信技術(shù)的基礎(chǔ)是PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)，基本結(jié)構(gòu)形式為總線型拓?fù)洌瑸榇?，在該通信技術(shù)實(shí)際使用過(guò)程中，企業(yè)可以通過(guò)結(jié)合自身需求進(jìn)行差異化PPI網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，比如復(fù)雜系數(shù)較高的PPI網(wǎng)絡(luò)，或是單主站PPI網(wǎng)絡(luò)等。除此之外，由于主站讀寫(xiě)信息功能的實(shí)現(xiàn)是依靠讀寫(xiě)指令，所以，在PPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)自身需要編寫(xiě)讀寫(xiě)程序。編寫(xiě)前，需要掌握該要點(diǎn)，即掌握主站數(shù)據(jù)發(fā)出長(zhǎng)度、位置、指向位置、數(shù)據(jù)接收長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)位置等，以此為基礎(chǔ)編寫(xiě)讀寫(xiě)程序[2]。

2.2 PROFIBUS技術(shù)

PROFIBUS通信技術(shù)整體應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，所謂PROFIBUS，主要是指工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，是一種開(kāi)放性數(shù)字通信系統(tǒng)，相較于PPI通信技術(shù)，PROFIBUS通信技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用可是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的分散式發(fā)展。

首先，該通信技術(shù)的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)。該通信技術(shù)架構(gòu)為：RS-485窗口通信，協(xié)議結(jié)構(gòu)由三個(gè)子集組成，分別為PROFIBUS-FMS/DP/PA。其中，由于PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP的接口為物理連接，所以采用的電纜類型為單對(duì)雙絞銅線A型電纜。由于該技術(shù)由此組成，所以在協(xié)議結(jié)構(gòu)下，不同子集發(fā)揮的不同的功能作用，具體而言：首先是PROFIBUS-DP，作為技術(shù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層，是該通信技術(shù)的核心，應(yīng)用占比超80%。面向的主要對(duì)象包括傳感器、PLC系統(tǒng)以及執(zhí)行器等，傳輸速度較高。其次是PROFIBUS-FMS，其主要負(fù)責(zé)中等傳輸速率的通信工作，所以應(yīng)用場(chǎng)景多為車間級(jí)通信，為相關(guān)設(shè)備和人員提供中速周期性和非周期性的大范圍通信服務(wù)。最后是PROFIBUS-PA，該層次主要發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，應(yīng)用場(chǎng)景為總線供電相關(guān)場(chǎng)合。

其次，該通信協(xié)議的通信參考模型。PROFIBUS通信技術(shù)的通信參考模型為OSI開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)模型，在該模型中，PROFIBUS通信技術(shù)子集具有不同的層與行規(guī)。比如，PROFIBUS-DP所采用的是用戶層、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層FDI以及物理層，Token-Passing主從分時(shí)輪詢協(xié)議是各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)傳輸和總線控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。而PROFIBUS-FMS與PROFIBUS-DP在用戶層和物理層上較為相似，但是因?yàn)樵撟蛹?fù)責(zé)的功能作用不同，其現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路層上采用了報(bào)文規(guī)范，因此，相較于PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS提供的通信服務(wù)功能更為強(qiáng)大。最后，PROFIBUS-PA在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展協(xié)議應(yīng)用方面與PROFIBUS-DP相同，但其物理層使用了IEC 1158-2標(biāo)準(zhǔn)，并使用耦合器將PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP網(wǎng)段進(jìn)行連接。

另外，PROFIBUS通信技術(shù)的總線訪問(wèn)控制分析。在PROFIBUS通信技術(shù)系統(tǒng)中，無(wú)論是PROFIBUS-DP還是PROFIBUS-PA，亦或是PROFIBUS-FMS，控制操作的實(shí)現(xiàn)均以單一總線訪問(wèn)方式進(jìn)行，但是涉及主從、令牌傳遞相關(guān)操作，系統(tǒng)總線控制共有兩種方式。在該技術(shù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，數(shù)據(jù)發(fā)送站點(diǎn)有且只有一個(gè)，外加相關(guān)工作和人員對(duì)數(shù)據(jù)傳輸提出的實(shí)時(shí)傳輸要求，在該情況下，令牌傳遞方式成為該通信技術(shù)總線訪問(wèn)控制的主要方式。相較于主從傳遞，令牌傳遞屬于特殊報(bào)文，其應(yīng)用范圍不大，僅復(fù)雜主站之間的通信，若是處于主站之間的循環(huán)周期，相關(guān)工作人員還可以提前對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，從而滿足通信需求。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通過(guò)令牌的傳遞，PROFIBUS總線控制能夠在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)獲取令牌，從而獲得總線訪問(wèn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的發(fā)送和索取，并將整個(gè)系統(tǒng)組態(tài)為不同形式的系統(tǒng)，以此滿足具體需求。

最后，PROFIBUS通信技術(shù)的通信協(xié)議。不同于PPI通信技術(shù)，PROFIBUS通信技術(shù)的通信協(xié)議分析需要從多個(gè)方面進(jìn)行，分別為網(wǎng)絡(luò)連接、物理以及數(shù)據(jù)鏈路層。其中，當(dāng)PROFIBUS物理層采用的連接方式為物理連接時(shí)，即RS-485接口，在PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS都采用該連接方式時(shí)，RS-485需要采用平衡差分傳輸方式。與此同時(shí)，其總線段結(jié)構(gòu)中，為實(shí)現(xiàn)相同大小但方向相反的信號(hào)沒(méi)需要使用帶有屏蔽層的雙絞電纜進(jìn)行連接與傳輸，一方面滿足信號(hào)傳輸需求，另一方面降低環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響。此外，在該物理連接的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建，能夠使該系統(tǒng)大單一網(wǎng)段接入32臺(tái)設(shè)備，而且，網(wǎng)段距離高達(dá)1200m，雖然距離較遠(yuǎn)，但其傳輸速率并未受到較大影響，甚至可以根據(jù)使用要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸速率的自由選擇，一般情況下可選擇區(qū)間為：9.6Kb/s-12Mb/s。而PROFIBUS通信技術(shù)的數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)為OSI參考模型，在該情況下，能夠明確規(guī)定傳輸協(xié)議、總線存取控制以及報(bào)文處理等，還能夠?qū)崿F(xiàn)信息數(shù)據(jù)的安全傳輸，并通過(guò)結(jié)合自身實(shí)際需求將鏈路連接進(jìn)行建立、拆除或是維持等，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。此外，通過(guò)在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用PROFIBUS通信技術(shù)，還能夠使用多種方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷，就目前發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，主要有硬件診斷方式、軟件診斷方式，前者包括BT200硬件測(cè)試和Profitrace在線診斷，后者則包括專用診斷功能塊診斷方式和系統(tǒng)功能塊診斷方式。

結(jié)論：綜上所述，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得基于PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)已經(jīng)取得良好發(fā)展成果，極大的提高工業(yè)自動(dòng)化水平。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)深入研究該系統(tǒng)的通信技術(shù)，積極使用PROFIBUS通信技術(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，尤其是故障診斷方面，從而推動(dòng)企業(yè)更好發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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