通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用研究

屈俊玲

摘要：文章將通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用作為研究對象，簡單敘述了PLC自動化控制系統(tǒng)的原理，再從通信網(wǎng)絡、通信協(xié)議、信息檢錯等維度，詳細分析了通信技術在PLC自動化控制中的具體應用，最后對PROFIBUS通信技術做了詳細分析，旨在為更多工業(yè)生產(chǎn)單位提供技術指導，提升通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用效果。

關鍵詞：通信技術；PLC自動化控制系統(tǒng)；技術應用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.033

中圖分類號：TN 91，TP 273? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

Research on the Application of Communication Technology

in PLC Automation Control System

QU Junling

（Shanxi Railway Vocational and Technical College， Taiyuan 030013， China）

Abstract： The article takes the application of communication technology in PLC automation control system as the research object， briefly describes the principle of PLC automation control system， and then analyzes in detail the specific application of communication technology in PLC automation control from the dimensions of communication network， communication protocol， information error detection， etc. Finally， a detailed analysis is conducted on PROFIBUS communication technology， aiming to provide technical guidance for more industrial production units， improve the application effect of communication technology in PLC automation control system.

Keywords： communication technology; PLC automation control system; technology application

1? ?PLC自動化控制系統(tǒng)工作基本原理

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯），其作為工業(yè)生產(chǎn)領域的重要計算機系統(tǒng)，是工業(yè)自動化生產(chǎn)體系的重要組成部分。因為PLC硬件設備使用數(shù)量較少，所以合理應用PLC，可以有效降低硬件設備的接線數(shù)量，規(guī)避連接點接觸不良的運行故障。并且，我國在PLC軟件系統(tǒng)開發(fā)方面逐漸完善，制造適合多個領域應用的硬件設備類型，可以適配于不同工業(yè)生產(chǎn)單位的生產(chǎn)需求，適用性較強，在安裝維護等方面具有較好的應用效果。

其中，CPU（Central Processing Unit，中央處理器）作為PLC的核心零部件，主要工作是負責接收PLC軟件程序與生產(chǎn)設備的運行數(shù)據(jù)。在PLC自動化控制系統(tǒng)運行期間，CPU會接收來自機械生產(chǎn)設備的運行數(shù)據(jù)，收集機械生產(chǎn)設備的工作狀態(tài)參數(shù)，將運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)等內(nèi)容全部存儲到I/O映像區(qū)中。在這個工作過程中，PLC系統(tǒng)會和機械生產(chǎn)設備進行信息交互，機械生產(chǎn)設備會根據(jù)PLC自動化控制系統(tǒng)的指令執(zhí)行邏輯，執(zhí)行預先設置的運行程序。在數(shù)據(jù)存儲到I/O映像區(qū)，結(jié)束執(zhí)行運行程序的任務后，機械生產(chǎn)設備會接收I/O映像區(qū)的輸出數(shù)據(jù)，讓機械生產(chǎn)設備在PLC自動化控制系統(tǒng)的全程控制下穩(wěn)定運行。實現(xiàn)機械生產(chǎn)設備的穩(wěn)定運行。在實際生產(chǎn)作業(yè)中，使用PLC自動化控制系統(tǒng)時，一般會啟用雙CPU冗余模式，即將兩套CPU系統(tǒng)投入到應用中，一套投入生產(chǎn)應用，一套作為備用。如果一個CPU出現(xiàn)運行故障，可以及時切換到正常的CPU，讓PLC自動化控制系統(tǒng)保持正常運行狀態(tài)，讓機械生產(chǎn)設備可以實現(xiàn)不停機維護，保障穩(wěn)定的工業(yè)生產(chǎn)[1]。

2? ?通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用

在PLC自動化控制系統(tǒng)條件下應用通信技術，可以細化為通信網(wǎng)絡、通信協(xié)議、信息檢錯等幾項內(nèi)容。

2.1 通信網(wǎng)絡

計算機網(wǎng)絡的運行質(zhì)量與網(wǎng)絡分布距離、組成規(guī)模等因素有著直接關系，通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用，可以根據(jù)其組成規(guī)模，劃分為簡單網(wǎng)絡和多級復雜網(wǎng)絡兩種類型。對于簡單網(wǎng)絡，即將PC（Personal Computer，個人計算機）作為通信網(wǎng)絡的主體角色使用，根據(jù)一臺或多臺相同型號的PLC建設簡單網(wǎng)絡系統(tǒng)。在PLC自動化控制系統(tǒng)規(guī)模較小時，可以考慮構(gòu)建一個內(nèi)容相對完善、結(jié)構(gòu)相對簡單的集散化控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，PC作為操作站使用，負責顯示PLC自動化控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)運行情況，根據(jù)使用需求進行系統(tǒng)的編程作業(yè)，并對各類工業(yè)生產(chǎn)設備運行情況進行實時化監(jiān)控。在遇到突發(fā)安全事故時，工作人員可以直接通過控制PC的方式，對問題工業(yè)生產(chǎn)設備進行有效控制。除此之外，也可以考慮用PLC設置主站，以相同型號若干臺PLC設置從站，建設主從化的PLC通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。多級復雜網(wǎng)絡是在大型工業(yè)生產(chǎn)單位中廣泛應用的一種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。但是，不同的PLC生產(chǎn)工藝存在一定差異，實現(xiàn)功能也有所不同，這會導致PLC自動化控制系統(tǒng)在運行功能、結(jié)構(gòu)層數(shù)等方面出現(xiàn)較大程度的差異。PLC的制造商一般會使用金字塔結(jié)構(gòu)設計PLC產(chǎn)品，將底層作為工業(yè)生產(chǎn)控制的工具，將中間層作為生產(chǎn)過程中控制與生產(chǎn)程序優(yōu)化的工具，上層則作為管理、控制生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的工具。以PLC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計的多級復雜通信網(wǎng)絡，則是以三級子網(wǎng)或四級子網(wǎng)為設計基礎，設計的一種復合型通信結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)互連、功能互通作為底層運行邏輯，實現(xiàn)對不同生產(chǎn)區(qū)域的不同工業(yè)生產(chǎn)設備實時化控制?？紤]到不同層次使用的通信協(xié)議存在較大差異，為合理匹配工業(yè)生產(chǎn)過程中的差異化控制需求，可以考慮啟用多層次的控制網(wǎng)絡，對于多級復雜網(wǎng)絡做進一步細化處理[2]。

2.2 通信協(xié)議

為保障通信網(wǎng)絡在通信過程中，通信雙方可以保持正常的數(shù)據(jù)傳輸與信息交流，需要設計合適的網(wǎng)絡通信協(xié)議，從而有效保障PLC自動化控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。這也是通信技術的重點處理內(nèi)容。對于通信協(xié)議來說，其本質(zhì)是一種通信網(wǎng)絡運行的規(guī)章制度，通信雙方可以正常識別通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容，保障通信的同步性。并搭配與通信協(xié)議功能配合的信息檢錯機制，對通信數(shù)據(jù)信息做相應的檢測，從而獲得準確的數(shù)據(jù)信息。PLC自動化控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，一般會選擇通用型通信協(xié)議或?qū)Ｓ眯屯ㄐ艆f(xié)議。通信網(wǎng)絡的中層與底層子網(wǎng)絡一般會選擇面向工業(yè)生產(chǎn)單位的專用型通信協(xié)議。以底層子網(wǎng)絡為例，其需要控制通信網(wǎng)絡通信的過程，維持正常的數(shù)據(jù)傳輸。盡管在信息量方面，底層子網(wǎng)絡傳輸信息量要低于中層子網(wǎng)絡、高層子網(wǎng)絡，可是其對信息傳輸實時性具有較高標準。專用型通信協(xié)議存在應用層、鏈路層、物理層等層次，在信息傳輸效率方面表現(xiàn)良好，可以滿足底層子網(wǎng)絡的運行需求[3]。PROFIBUS（PROcess FIeld BUS，程序總線網(wǎng)絡）是一種使用頻率相對較高的專用型通信協(xié)議，在實際應用中，對于保障信息傳輸效果具有較好的表現(xiàn)效果。通用型通信協(xié)議主要應用在PLC自動化控制系統(tǒng)的高層子網(wǎng)絡，其負責各個子網(wǎng)絡的相互連接，并將PLC自動化控制系統(tǒng)構(gòu)建的內(nèi)部通信網(wǎng)絡與局域網(wǎng)進行互聯(lián)。對于高層子網(wǎng)絡，其主要負責管理傳輸信息數(shù)據(jù)，通用型通信協(xié)議可以極大提升數(shù)據(jù)傳輸效率，提高數(shù)據(jù)傳輸量，更符合高層子網(wǎng)絡的運行需求。

2.3 信息檢錯

對于PLC自動化控制系統(tǒng)，需要保證其可以正常使用檢錯功能、糾錯功能，實現(xiàn)誤碼的有效控制目標，進而提升工業(yè)生產(chǎn)體系運行的穩(wěn)定性。而這種檢錯、糾錯功能，也是通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)應用的重要考核標準，需要確保通信技術可以有效識別數(shù)據(jù)信息傳輸過程中的各類錯誤，并根據(jù)預設的系統(tǒng)與程序，對錯誤做出合理糾正，避免最后接收的數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)嚴重錯誤，進而達到對PLC自動化控制系統(tǒng)有效的信息糾錯效果。在普通的通信技術信息檢錯功能中，一般會通過奇偶校驗等方法實現(xiàn)。如果是一些生產(chǎn)高精密機械設備的PLC自動化控制系統(tǒng)，可以考慮使用CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗）與通信技術的組合方式，根據(jù)PLC自動化控制系統(tǒng)的運行與停止，作為技術組合的啟動與關閉指令，實現(xiàn)自動化檢錯，可以極大縮減檢錯的時間成本，穩(wěn)定提升數(shù)據(jù)信息檢錯準確率[4]。

3? ?PROFIBUS通信技術分析

3.1 總線訪問控制

對于PROFIBUS系統(tǒng)，其DP總線（Data Path Bus）、PA總線（Address Path Bus）均采用單一總線訪問模式，開展PLC自動化控制系統(tǒng)的相關控制，主要控制形式可以細分為令牌傳遞、主從傳遞兩種形式。在PROFIBUS運行過程中，在每個時刻發(fā)送數(shù)據(jù)信息的站點具有唯一性，對于PLC自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息實時傳輸具有較高標準，一般會通過令牌傳遞形式滿足訪問控制需求。對于令牌，其僅與主站之間的通信需求有直接關系?？梢酝ㄟ^設定主站之間通信周期的方式，強化令牌的傳遞控制，確保各個主站可以在預先設置的規(guī)定時間內(nèi)，獲取相應的令牌，主站會在這個時間內(nèi)獲得相應的總線訪問權(quán)。由令牌構(gòu)成的令牌環(huán)，在PLC自動化控制系統(tǒng)則以各個主站中的組織鏈形式存在。在主站獲得令牌后，會向從站發(fā)送相應的數(shù)據(jù)信息，進而實現(xiàn)主站與從站的有效通信。利用這種令牌傳遞+主從傳遞的組合方式，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實際需求，對PLC自動化控制系統(tǒng)做整合處理，以若干通信子系統(tǒng)的方式，提升PLC自動化控制系統(tǒng)的靈活性。

3.2 通信協(xié)議

對于PROFIBUS的物理層，可以使用RS-485物理連接形式連接，比如DP物理連接或FMS物理連接。對于RS-485，其也會通過平衡差分傳輸模式，強化通信協(xié)議的穩(wěn)定性?？紤]到PLC自動化控制系統(tǒng)運行過程中，會產(chǎn)生一定的環(huán)境噪聲，可以通過鋪設擁有屏蔽層的雙絞電纜，對大小相同、方向相反的信號進行傳輸，合理控制環(huán)境噪聲對于PROFIBUS信號造成的負面干擾。以RS-485物理連接形式形成的拓撲結(jié)構(gòu)，單一網(wǎng)段可以實現(xiàn)同時接入32臺設備，擁有1 200 m的網(wǎng)段距離，最大傳輸速率可達12 Mbps。以OSI參考模型設計的PROFIBUS數(shù)據(jù)鏈路層，可以對數(shù)據(jù)安全、傳輸協(xié)議等做有效規(guī)定，進而對鏈路連接的構(gòu)建、拆除等行為進行有效控制，確保PLC自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的精準傳輸[5]。

4? ?PLC自動化控制系統(tǒng)的故障診斷

在PLC自動化控制系統(tǒng)中，應用PROFIBUS通信技術的故障診斷可以細分為硬件設備與軟件系統(tǒng)兩種類型。

4.1 硬件設備診斷

對于PROFIBUS總線，其使用RS-485雙絞線進行通信，通過標準DP電纜做相應的站點連接處理，利用信號中繼器等硬件設備進行網(wǎng)絡擴展。針對底層物理線路的通信故障診斷，一般會使用硬件設備診斷工具完成。比如工作人員手持式BT200，在鋪設總線線路網(wǎng)絡、安裝站點期間，測試PROFIBUS線路各個位置是否保持正常連接狀態(tài)，檢查當前應用的站點端口能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定通信。一般情況下，可以通過BT200測試A線與B線是否出現(xiàn)接反問題，或是測試Shield線路是否產(chǎn)生斷路或短路故障。也可以直接將BT200應用到主站或從站站點，檢查整個PLC自動化控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡運行質(zhì)量，確認總線網(wǎng)絡可以投入使用的站點數(shù)量。相比于其他硬件設備診斷工具，BT200操作難度偏低，可以實現(xiàn)快速測試，測試結(jié)果具有較高的準確率，在PLC自動化控制系統(tǒng)中安裝PROFIBUS初期發(fā)揮重要作用。除此之外，也可以考慮使用Profitrace在線診斷的硬件設備診斷工具，其主要功能是短時監(jiān)測，是針對PROFIBUS監(jiān)測物理信號、站點電壓等專用工具。技術人員可以根據(jù)實際工作的需求，利用硬件設備以動態(tài)形式顯示PLC自動化控制系統(tǒng)運行信號的波形圖，從而診斷網(wǎng)絡拓撲是否保持正常工作狀態(tài)，并對主站當前運行情況做相應的診斷處理[6]。

4.2 軟件系統(tǒng)診斷

對于PROFIBUS的軟件系統(tǒng)診斷，可以細分為系統(tǒng)功能塊與專用診斷功能塊兩種形式?？梢允褂肧7V5.5編程軟件，利用其內(nèi)置的系統(tǒng)功能塊診斷功能，獲取PROFIBUS運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)功能塊的工作條件，分析獲取的數(shù)據(jù)信息，確認PLC自動化控制系統(tǒng)各個工作環(huán)節(jié)是否保持正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)信息包括站點的當前工作狀態(tài)、網(wǎng)絡拓撲信息等內(nèi)容。對于專用診斷功能塊，則是由PLC生產(chǎn)單位，向工業(yè)生產(chǎn)單位的程序開發(fā)人員提供的功能模塊，可以對PLC自動化控制系統(tǒng)運行故障進行有效診斷，分析PROFIBUS的運行狀態(tài)。

5? ?結(jié)束語

在升級PLC自動化控制系統(tǒng)時，除本文提及的幾種通信技術基礎應用內(nèi)容外，也可以從PROFIBUS通信技術角度，對其在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用做更全面的分析。在具體應用中，可以對工業(yè)生產(chǎn)單位當前生產(chǎn)需求、未來發(fā)展規(guī)模等做詳細分析，結(jié)合本文理論內(nèi)容，設計一套匹配實際生產(chǎn)條件的通信技術應用方案，確保PLC自動化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定、高效運行，向社會輸出高品質(zhì)的工業(yè)產(chǎn)品，助力各個領域的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻

[1] 張志國．油田工業(yè)控制系統(tǒng)PLC通信技術研究[J]．油氣田地面工程，2022（4）：49-53.

[2] 李宇軒．基于PLC自動化控制系統(tǒng)的通信技術探究[J]．科學技術創(chuàng)新，2021（24）：104-105.

[3] 張玉伽．通信技術在PLC自動化控制系統(tǒng)中的應用分析[J]．現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2021（6）：113-114.

[4] 孔繼民．PLC冶金自動化控制系統(tǒng)中的通信技術運用研究[J]．冶金管理，2021（3）：47-48.

[5] 高?？疲畬赑LC自動化控制系統(tǒng)的通信技術分析[J]．中國新技術新產(chǎn)品，2021（1）：4-6.

[6] 王兆遠．淺議PROFIBUS通信技術在PLC冶金自動化控制系統(tǒng)中的應用[J]．電子測試，2020（9）：90-91.