智慧工廠中PLC互聯(lián)互通關鍵技術研究與應用

［摘 要］總結(jié)了國內(nèi)外PLC 產(chǎn)品及PLC 通信環(huán)節(jié)涉及的總線和通信協(xié)議，介紹了國產(chǎn)PLC 在通信方面的技術特點，并基于該PLC 產(chǎn)品設計了一套智慧工廠PLC 控制自動化生產(chǎn)線應用方案。經(jīng)工業(yè)現(xiàn)場試驗，驗證了國產(chǎn)PLC 的實用性及設計方案的可行性。

［關鍵詞］PLC ；通信總線；控制系統(tǒng)；智能技術

［中圖分類號］TP273 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0123–03

智能工廠的發(fā)展是工業(yè)4.0 時代的重要標志，也是未來工廠生產(chǎn)管理和控制模式變化及升級換代必不可少的一環(huán)。隨著社會對智能化要求的日益提高，智慧工廠也在不斷發(fā)展和完善，而基于PLC（可編程邏輯控制器）技術為核心的二次設備集成也成為了工業(yè)生產(chǎn)自動化控制中的重要且具有代表性的項目。

在傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)過程當中，由于數(shù)據(jù)采集、處理設備多且雜亂無序，以及現(xiàn)場監(jiān)控不到位等問題，無法滿足實時性要求。同時因為生產(chǎn)環(huán)境變化莫測且缺乏相應硬件設施及軟件支持無法完成遠程控制，給現(xiàn)場的管理和操作帶來一定困難。為了解決這些問題，需要在基于PLC 的智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)中加入多總線通信技術，通過對現(xiàn)場采集信息和數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)實時性要求，使智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)能更快、更好地滿足市場需求和社會發(fā)展需要。本文通過對智慧工廠中PLC 總線通信技術與工業(yè)計算機互聯(lián)互通集成方式進行分析與研究，并結(jié)合智能制造工程實際情況和發(fā)展目標，建立起一套具備自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片級國產(chǎn)化的工業(yè)PLC 及智慧過程自動化生產(chǎn)線應用方案。

1 PLC互聯(lián)互通現(xiàn)狀

1.1 PLC產(chǎn)品現(xiàn)狀

隨著計算機技術與通信網(wǎng)絡技術在智能制造控制系統(tǒng)中的廣泛應用，以及對其相關硬件、軟件系統(tǒng)性能要求的不斷提高，國內(nèi)外PLC 廠商根據(jù)用戶不同需求將PLC 產(chǎn)品大致分為大型、中型、小型。

大型PLC 產(chǎn)品一般具備物理信號IO、物聯(lián)網(wǎng)設備互聯(lián)、工業(yè)現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡接口、邏輯控制、時序控制、模擬控制、運動控制等功能，需要滿足大規(guī)模、高可靠性自動化控制和安全保護應用的要求。中型PLC 產(chǎn)品一般具備較強的運動控制和模擬控制能力，支持現(xiàn)場總線、無線網(wǎng)絡及工業(yè)以太網(wǎng)接口，適合中型工業(yè)裝備控制和分布式遠程監(jiān)控應用。小型PLC產(chǎn)品優(yōu)勢在于緊湊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，體積小、易操作。

1.2 PLC產(chǎn)品常用工業(yè)通信總線現(xiàn)狀

PLC 產(chǎn)品常用的工業(yè)通信總線一般有PROFIBUS、CAN、RS485、以太網(wǎng)等。PROFIBUS總線分成3 類，其中現(xiàn)場總線報文通信和過程自動化通信屬于數(shù)據(jù)流總線，分別適用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式I/O 的通信，以及過程自動化的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸。CAN 總線是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡，采用無損位仲裁機制及多主結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡，傳輸速度最高為1 Mbps，通信距離最遠為10 km。RS485 總線采用半雙工工作方式，支持多節(jié)點、遠距離及高靈敏度的標準，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps?；赥CP/IP 的以太網(wǎng)是一種開放式的網(wǎng)絡，其系統(tǒng)兼容性和操作性好，資源共享能力強，可以輕松實現(xiàn)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享。較于其他總線，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離長，傳輸速率快，能直接與互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)。

以太網(wǎng)、CAN 總線及RS485 總線各自具有不同的優(yōu)缺點，適合在不同的工業(yè)現(xiàn)場選擇使用。在傳輸距離上，高速傳輸情況下CAN 總線和RS485 總線為百米左右，但當速率降低到5 kbps 左右時，CAN 總線的傳輸距離能達到10 km，RS485 總線卻不足2 km。總線利用率上，CAN 總線效率較高。和以太網(wǎng)相比，CAN 總線通訊技術難度低，成本低，容錯率高，適合在環(huán)境惡劣的室內(nèi)外工業(yè)作業(yè)環(huán)境下進行使用。

1.3 多總線PLC通信架構(gòu)

根據(jù)多總線的特點將多總線通信架構(gòu)設計為低速總線設計、高速總線設計及高低速節(jié)點設計。低速總線包括CAN 總線、RS485 總線等，高速總線主要由以太網(wǎng)實，高低速節(jié)點由節(jié)點處理器及存儲設備進行級聯(lián)，對低速總線上的PLC 模塊進行控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)??？偩€網(wǎng)絡為容納最大規(guī)?？偩€設計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，混合串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，具體如1 所示。

2 PLC互聯(lián)互通產(chǎn)品設計

通過對PLC 通信總線和多總線通信結(jié)構(gòu)的分析，PLC 互聯(lián)互通分為PLC 與智慧工廠現(xiàn)場設備下行通信，以及工程師工作站、服務器等上行通信，對PLC產(chǎn)品的硬件及控制結(jié)構(gòu)提出了一定要求。PLC 產(chǎn)品通信接口如圖2 所示，根據(jù)常用的工業(yè)通信總線及通信協(xié)議設計PLC 抽象通用接口，結(jié)合多總線PLC 通信結(jié)構(gòu)，可以選擇不同端口來適配現(xiàn)場應用需求。

3 智慧工廠自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)設計

3.1 自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC 控制用于智慧工廠自動化裝配生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)如圖3所示，自動化裝配生產(chǎn)線一般由3個子系統(tǒng)組成：物流系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。整個工作過程為：物流系統(tǒng)從供料區(qū)推出工件→條碼掃描槍掃描工件上的條形碼并將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC 控制單元→ PLC 控制系統(tǒng)隨即發(fā)送控制指令，將工件傳送給執(zhí)行系統(tǒng)進行裝配工作→在裝配過程中，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷工件類型→操作機器人接受不同的PLC 指令去夾取不同的配件裝配到工件上→由機械手將裝配好的工件送到工件暫存區(qū)。

3.2 PLC控制方式

通過使用配套的集成開發(fā)軟件進行用戶應用程序的編寫、調(diào)試，編程完成及編譯無誤后和組態(tài)軟件生成的配置文件通過多總線PLC 通信網(wǎng)絡一起下載到PLC 運行系統(tǒng)中，將PLC 設備、現(xiàn)場各類采集器與后端控制中心建立連接。PLC 控制流程如圖4所示。

3.3 PLC控制系統(tǒng)組網(wǎng)設計

整個系統(tǒng)采用二級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，將過程實時數(shù)據(jù)、運行操作監(jiān)視數(shù)據(jù)信息放入生產(chǎn)控制網(wǎng)，非實時信息及共享資源信息放入生產(chǎn)管理網(wǎng)。整套網(wǎng)絡系統(tǒng)具有良好的網(wǎng)絡通訊能力，同時具有標準的對外通訊接口，方便后續(xù)與其他控制系統(tǒng)通訊。

生產(chǎn)控制網(wǎng)用于實現(xiàn)主機與PLC 控制主站之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場總線采用PROFIBUSDP國際通用的開放式現(xiàn)場總線對控制系統(tǒng)進行組網(wǎng)設計。上位機和PLC 控制系統(tǒng)形成雙主站系統(tǒng)，總線上的主站與各自從站構(gòu)成相互獨立的子系統(tǒng)。任何一個主站均可讀取DP 從站的輸入/ 輸出映像，但只有第一類主站允許對DP 從站寫入數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場總線節(jié)點不少于124 個節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸采用RS485 技術，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線，通訊速率為9.6K 至12 Mbps。生產(chǎn)管理網(wǎng)用于實現(xiàn)中央控制室與控制主站之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)傳輸，采用無線通訊或以太網(wǎng)的形式。無線通信采用主從的網(wǎng)絡通訊方式，可以完成1 主站、最大255 個從站的網(wǎng)絡通訊。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了國內(nèi)外PLC 產(chǎn)品及PLC 通信環(huán)節(jié)的總線和協(xié)議，并基于國產(chǎn)PLC 產(chǎn)品設計了一套智慧工廠PLC 互聯(lián)互通應用方案，介紹了國產(chǎn)芯PLC 在通信方面的技術特點，并基于該PLC 產(chǎn)品設計了一整套智慧工廠自動化生產(chǎn)線應用方案。經(jīng)工業(yè)現(xiàn)場試驗，驗證了國產(chǎn)芯PLC的實用性及設計方案的可行性。未來，將開展智慧工廠云平臺建設，將采集到的數(shù)據(jù)信息以行業(yè)曲線、報表、地圖位置等形式實時展現(xiàn)于智慧工廠云平臺。

參考文獻

[1] 曾蓉，馮繼勇，丁明亮，等. 國產(chǎn)DCS 與PLC 集成方案的比較及其在電廠的應用[J]. 自動化儀表，2009，30（12）：46-48，51.

[2] 伍儒彬. 基于多總線的PLC 通信架構(gòu)研究與設計[J]. 自動化博覽，2016（12）：78-81.