可編程序控制器網(wǎng)絡的分析研究:可編程序控制器

　　摘要：本文對可編程序控制器（PLC）的網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了較全面的分析和研究，總結(jié)出PLC通訊網(wǎng)絡的共同特點，為PLC聯(lián)網(wǎng)的實際應用提供指導性意見。 　　關鍵詞：PLC；網(wǎng)絡
　　中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A
　　
　　為提高控制性能，往往要把地理上處于不同位置的PLC與PLC、PLC與計算機或PLC與智能裝置通過傳輸介質(zhì)連接起來，實現(xiàn)通訊，可提高PLC的控制能力及控制范圍，同時還便于使用計算機進行管理和對控制數(shù)據(jù)進行處理，以構(gòu)成功能更強、性能更好的控制系統(tǒng)，這一般稱為PLC聯(lián)網(wǎng)。PLC聯(lián)網(wǎng)后，還可進行網(wǎng)與網(wǎng)的互聯(lián)，以組成更為復雜的系統(tǒng)。
　　
　　1 可編程序控制器網(wǎng)絡
　　
　　在對PLC產(chǎn)品資料廣泛分析和PLC實際應用的基礎上，下面對主流廠家的可編程序控制器通訊網(wǎng)絡作出分析介紹。
　　
　　1.1OMRON公司的PLC網(wǎng)絡
　　OMRON PLC網(wǎng)絡類型較多，可以適用于各種層次工業(yè)自動化網(wǎng)絡的不同需要。
　　Ethernet網(wǎng)（以太網(wǎng)）屬于大型網(wǎng)，它的信息處理功能很強，是OMRON的信息管理高層網(wǎng)絡。以太網(wǎng)支持FINS協(xié)議，使用FINS命令可以進行FINS通訊、TCP/IP和UDP/lP的Socket （接駁）服務、FTP服務。通過以太網(wǎng)，OMRON的PLC可與國際互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)最為廣泛的節(jié)點間信息的直接交換。
　　SYSMAC NET網(wǎng)屬于大型網(wǎng)，是光纖環(huán)網(wǎng)。使用C模式或CV模式 （FINS） 指令進行信息通訊。主要功能有大容量數(shù)據(jù)鏈接和節(jié)點間信息通訊。適用于地理范圍廣、控制區(qū)域大的場合，是一種大型集散控制的工業(yè)自動化網(wǎng)絡。
　　SYSMAC Link網(wǎng)屬于中型網(wǎng)，采用總線結(jié)構(gòu)，使用C模式或CV模式指令進行信息通訊。主要功能有大容量數(shù)據(jù)鏈接和節(jié)點間信息通訊。是適用于中規(guī)模的集中管理、分散控制的工業(yè)自動化網(wǎng)絡。
　　Controller Link網(wǎng)（控制器網(wǎng)）是SYSMAC Link網(wǎng)的簡化，規(guī)模要小一些，但實現(xiàn)簡單。通訊速率快，距離長，既有線纜系統(tǒng)又有光纜系統(tǒng)。其功能與SYSMAC Link網(wǎng)大致相同。
　　CompoBus/D是一種開放、多主控的器件網(wǎng)。開放性是其特色，它采用了美國AB公司制定的Device Net通訊規(guī)約，其它廠家的PLC等控制設備，只要符合Device Net標準，就可以接入其中。主要功能有遠程開關量和模擬量的I/O控制及信息通訊。這是一種較為理想的控制功能齊全、配置靈活、實現(xiàn)方便的分散控制網(wǎng)絡。
　　CompoBus/S也為器件網(wǎng)，可實現(xiàn)一種高速ON/OFF系統(tǒng)控制總線，使用CompoBus/S專用通訊協(xié)議。CompoBus/S的功能雖不及CompoBus/D，但它實現(xiàn)簡單，小型機 （CQM1H）也可作主站，通訊速度更快，當降低速率后也可掛模擬量。主要用于遠程開關量的I/O控制。
　　HOST Link網(wǎng)是OMRON較早推出，使用較多的一種網(wǎng)。上位計算機使用HOST通訊協(xié)議與各臺PLC通訊，可以對網(wǎng)中的各臺PLC進行管理與監(jiān)控，是適用于集中管理、分散控制的工業(yè)自動化網(wǎng)絡。
　　PC Link網(wǎng)的主要功能是各臺PLC建立數(shù)據(jù)鏈接（容量較�。�，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，它適用于控制范圍較大，需要多臺PLC參與控制且控制環(huán)節(jié)相互關聯(lián)的場合。
　　Remote I/O網(wǎng)實際上是PLC機I/O點的遠程擴展，適用于工業(yè)自動化的現(xiàn)場控制。
　　綜上所述，目前OMRON的網(wǎng)絡主要可分為信息層、控制層和器件層這三個網(wǎng)絡層次（圖1）：Ethernet（信息層），Controller Link（控制器層），CompoBus/D/S（器件層）。這三種網(wǎng)絡的發(fā)展勢頭最為強勁，新的器件、新的功能和新的技術不斷推出和充實，它們的應用領域日漸擴大，用戶越來越多。因此，學習和掌握OMRON PC網(wǎng)絡時，建議主要關注這三種主流網(wǎng)絡。OMRON的HOST Link、PC Link、Remote I/O網(wǎng)推出時間較早，多以老機型為主。
　　
　　
　　1.2SIEMENS公司的PLC網(wǎng)絡
　　SIEMENS公司的PLC網(wǎng)絡SIMATIC NET是一個對外開放的通訊系統(tǒng)，具有廣泛的應用領域。SIEMENS的網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)由四個層次、三級總線復合而成，如圖2所示。
　　四個層次從下到上依次為：執(zhí)行器與傳感器級、現(xiàn)場級、車間級、管理級。
　　三級總線從下到上依次為：AS-I總線，PROFIBUS總線以及MPI網(wǎng)絡，工業(yè)以太網(wǎng)。
　�。�1）AS-I
　　最底一級為AS-I（Actuator-Sensor Interface）總線。它是用于連接執(zhí)行器、傳感器、驅(qū)動器等現(xiàn)場器件，將信號傳輸至控制器實現(xiàn)通訊的總線標準，掃描時間為5ms，傳輸媒體為未屏蔽的雙絞線，線路長度為300m，最多為31個從站。
　�。�2）PROFIBUS
　　中間一級是PROFIBUS總線，它是一種工業(yè)現(xiàn)場總線，采用數(shù)字通訊協(xié)議，用于儀表和控制器的一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站、分布式I／O設備（遠程I／O）的通訊系統(tǒng)，是應用于車間級和現(xiàn)場級的控制網(wǎng)絡。應用了混合介質(zhì)的傳輸技術以及令牌和主從的邏輯拓撲，使用RS-485標準雙絞線，適合多段、遠距離通訊。PROFIBUS網(wǎng)絡常有一個主站和幾個I／O從站。其傳輸媒體為屏蔽的雙絞線（最長9.6km）或光纜（最長90km），最多可接127個從站。
　　同屬于中間一級的MPI（Multi-Point Interface） 即多點接口，可以是主／主協(xié)議或主／從協(xié)議，是一種適用于小范圍、少數(shù)站點間通訊的網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中屬于車間級和現(xiàn)場級。它適用于SIMATIC S7／M7和C7系統(tǒng)，多用于對其編程，連接上位機和少量PLC之間近距離通訊。MPI網(wǎng)絡是一種總線型網(wǎng)絡，可以用來連接多個編程設備、操作面板和SIMATIC PLC（如S7-300／S7-400系列，也包括S7-200系列）。
　�。�3）工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）。
　　最高一級為工業(yè)以太網(wǎng)，使用通用協(xié)議，是依據(jù)IEEE 802．3標準建立的單元級和管理級的控制網(wǎng)絡，利用CSMA／CD（載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測）進行設備訪問，負責傳送生產(chǎn)管理信息。網(wǎng)絡規(guī)�？蛇_1024站，長度可達1.5km（電氣網(wǎng)絡）或200km（光學網(wǎng)絡）。在同軸電纜、光纖以及屏蔽雙絞線上進行傳輸，速率為100 Mbps，屬于快速以太網(wǎng)。
　　在這一網(wǎng)絡體系中，PROFIBUS總線是目前最成功的現(xiàn)場總線之一，己得到了廣泛的應用。它是不依賴生產(chǎn)廠家的、開放的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口交換信息。
　　
　　1.3Modicon的PLC網(wǎng)絡
　　為了實現(xiàn)開放性的、基于標準化的聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場總線連接，Modicon TSX Quantum系列PLC提供多種解決方案。下面簡介幾種常用的方案。
　�。�1）Remote I/O
　　在每個遠程站中，有一個遠程I／O（RIO）適配器通過同軸電纜與控制器中的RIO處理器通訊。RIO適配器通過I／O機架背板總線從I／O模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過RIO同軸電纜從控制器接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。每個RIO適配器上均帶有一個設定遠程站地址的DIP開關。
　　根據(jù)站中的I／O系列和控制器中RIO處理器的類型，可選用不同的RIO適配器接口，
　�。�2）Modbus網(wǎng)絡
　　Modbus是一個事實上的工業(yè)標準主／從協(xié)議，任何計算機串行端口支持在線編程或數(shù)據(jù)采集，而且連接費用最低。所有Quantum CPU上均有RS-232的Modbus通訊口。
　　Modbus可用在只有兩臺裝置的簡單的點對點控制方式，或用在具有247臺從設備的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中。后者Modbus網(wǎng)絡有一個主設備，從節(jié)點可以通過四線雙絞電纜進行連接，最遠可達15000英尺，也可以通過公共載體（電話線、無線電微波）進行遠程連接。因為是一個主從網(wǎng)絡，所有的通訊都是由一個Modbus主機來發(fā)送，在大于50英尺的長距離應用中，需要采用調(diào)制解調(diào)器。
　�。�3）Modbus Plus網(wǎng)絡
　　Modbus Plus是一個本地網(wǎng)絡，兼有高速、對等通訊和容易安裝等特性。這一局域網(wǎng)絡允許主計算機、可編程序控制器和其它數(shù)據(jù)源，通過低價雙絞線電纜或光纜，在整個工廠以對等方式進行通訊。Modbus Plus作為一個令牌傳遞網(wǎng)絡以1兆波特率通訊，快速訪問過程數(shù)據(jù)。每臺Quantum CPU 控制器包括Modbus和ModbusPlus通訊口，需要使用140 NOM2xx00 Modbus Plus網(wǎng)絡模塊。
　　典型應用包括：在控制器之間進行數(shù)據(jù)傳送；在控制器和主計算機之間進行數(shù)據(jù)傳送；對控制器編程；從主機上對程序進行裝入／轉(zhuǎn)儲／歸檔。
　　（4）TCP／IP Ethernet
　　
　　Quantum TCP／IP Modbus Ethernet模塊兼有三種開放的、通用的網(wǎng)絡標準：Ethernet，TCP／IP和Modbus。
　　Ethernet在全世界范圍內(nèi)得到大量的第三方產(chǎn)品和服務的支持。TCP／IP是事實上的標準協(xié)議，也是正在進行的Internet技術革新的基礎協(xié)議。Modbus的簡單化和靈活性使其成為事實上的工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議，有第三方產(chǎn)品的廣泛支持。
　　圖3是一個較為典型的Ethernet拓撲配置。以太網(wǎng)節(jié)點通過以太網(wǎng)集線器與基干線路實現(xiàn)連接，基干線路是覆蓋很大距離的同軸導線或光纜。
　　
　　1.4A-B公司的PLC網(wǎng)絡
　　A-B（Allen-Bradley）公司是美國最大的PLC制造商，占據(jù)全美市場份額的45％，產(chǎn)品在國際市場上很有競爭力。它的網(wǎng)絡品種很多，有遠程I／O鏈路、DH+網(wǎng)、管理信息網(wǎng)、DH485網(wǎng)等。
　　A-B公司的PLC網(wǎng)絡采用的是三級總線復合型拓撲結(jié)構(gòu)。最底一級為遠程I／O系統(tǒng)，負責收集現(xiàn)場信息，驅(qū)動執(zhí)行器，在遠程I／O系統(tǒng)中配置周期I／O通訊機制。中間一級為高速數(shù)據(jù)通道DH+（或DH，DHⅡ），它負責過程監(jiān)控，在高速數(shù)據(jù)通道中配置令牌總線通訊協(xié)議。最高一級可選用Ethernet（以太網(wǎng)）或MAP網(wǎng)，這一級負責生產(chǎn)管理。在Ethernet網(wǎng)中配置以太網(wǎng)協(xié)議，在MAP網(wǎng)中配置MAP規(guī)約。
　　
　　1.5GE公司的PLC網(wǎng)絡
　　美國通用電氣公司（GE）與日本的數(shù)控之王FANUC公司合并成立了GE-FANUC公司，它的PLC產(chǎn)品在美國市場所占份額居第三位。GE-FANUC的PLC網(wǎng)絡產(chǎn)品是在標準化方面進展最快的產(chǎn)品。GE-FANUC公司的PLC網(wǎng)絡有兩種結(jié)構(gòu)：一種是四級總線復合型拓撲結(jié)構(gòu)，一種是二級總線復合型拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡最高一級子網(wǎng)為GenetMAP寬帶局域網(wǎng)，采用MAP3.0協(xié)議，通訊速度10Mb/s，用于傳輸生產(chǎn)管理信息。Genius網(wǎng)是GE二級結(jié)構(gòu)的底層子網(wǎng)，負責與現(xiàn)場單元交換數(shù)據(jù)，采用GE-FANUC專用協(xié)議。
　　
　　1.6三菱公司的MELSEC NET網(wǎng)絡
　　三菱公司是日本最大的PLC生產(chǎn)廠家，它的MELSEC NET網(wǎng)絡是為MELSEC可編程序控制器配備開發(fā)的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡。其主控站通過光纜或同軸電纜可與64個本地從站或遠程I／O站進行數(shù)據(jù)通訊，而每一個從站又可以作為第三層數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的主控站，與這一層的64個從站或遠程I／O進行通訊。MELSEC NET具有三層數(shù)據(jù)通訊的能力，該網(wǎng)絡能配置成一個很大的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。
　　MELSEC NET網(wǎng)絡還是一種高可靠性的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通訊有兩個環(huán)路：主環(huán)路和副環(huán)路。兩個環(huán)路均可用作主環(huán)路，但在一個數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中僅允許有一個主環(huán)路。正在通訊的主環(huán)路若發(fā)生電纜斷路，從站故障，回送功能（Loopback function）將通訊從主回路切換到副回路，并將從站故障斷開，以保證整個通訊系統(tǒng)繼續(xù)運行。也就是說，只要主環(huán)路中哪怕一處發(fā)生斷路，數(shù)據(jù)通訊繼續(xù)由副環(huán)路進行。
　　
　　2 PLC網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的共同特點
　　
　　通過上面的分析可以看到，PLC網(wǎng)絡通常采用三級或四級子網(wǎng)構(gòu)成的復合型拓撲結(jié)構(gòu)，各級子網(wǎng)中配置不同的通訊協(xié)議，以適應不同的通訊要求。
　�。�1） 在PLC網(wǎng)絡中配置的通訊協(xié)議分兩類：一類是通用協(xié)議，一類是公司專用協(xié)議。
　　（2） 在PLC網(wǎng)絡的高層子網(wǎng)中配置的通用協(xié)議主要有兩種，一種是MAP規(guī)約，一種是Ethernet協(xié)議，這反映了PLC網(wǎng)絡標準化與通用化的趨勢。PLC網(wǎng)的互連，PLC網(wǎng)與其它局域網(wǎng)的互連將通過高層進行。
　�。�3） 在PLC網(wǎng)絡的低層子網(wǎng)及中間層子網(wǎng)采用公司專用協(xié)議。其最底層由于傳遞過程數(shù)據(jù)及控制命令，對實時性要求較高，常采用周期I／O方式通訊；中間層負責傳送監(jiān)控信息，信息長度位于過程數(shù)據(jù)及管理信息之間，對實時性要求也比較高，其通訊協(xié)議常用令牌方式控制通訊，也有采用主從方式控制通訊的。
　�。�4） 個人計算機加入不同級別的子網(wǎng)，必須按所連入的子網(wǎng)配置通訊模板，并按該級子網(wǎng)配置的通訊協(xié)議編制用戶程序，一般在PLC中不需要編制程序。
　�。�5） PLC網(wǎng)絡低層子網(wǎng)對實時性要求較高，其采用的協(xié)議大多為坍塌結(jié)構(gòu)，只有物理層、鏈路層及應用層。高層子網(wǎng)傳送管理信息，與普通網(wǎng)絡性質(zhì)接近，高層子網(wǎng)的通訊協(xié)議大多為7層。
　　以上得出PLC通訊網(wǎng)絡的共同特點，可為PLC聯(lián)網(wǎng)的實際應用提供指導和參考性意見。
　　
　　參考文獻
　　[1]Schneider Automation，Inc．Modicon TSX Quantum 硬件手冊，2002．
　　[2]孫平.可編程控制器原理及應用[M]．北京：高等教育出版社，2003．
　　[3]徐世許.可編程序控制器原理•應用•網(wǎng)絡[M]．合肥：中國科學技術大學出版社，2002．

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