基于现场总线技术的PLC控制系统研究
2023-06-09
来源:独旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 獬 基于现场总线技术的PLC控制系统研究* 宁夏大学机械工程学院(750021) 赖惠鸽 朱学军 【摘要】研究、应用现场总线技术支持下的PI C控制系统,是目前工厂自动化得以实现的有效 途径之一。在概述PI C通信功能和现场总线基本特征的基础上,结合应用成果,就PLC专用 现场总线、基于Profibus的PLC控制系统以及CAN总线支持下的Pl C控制系统进行了详细 论述,总结并提出了制造业信息化进程中PLC控制系统的发展方向。 关键词PLC 现场总线 控制系统 通信协议 The Research of PLC Control System Based on Field bus Technology Abstract Nowadays,the research and application of PLC control system based on field bus techni口ue is an effective way of realizing factory automation.In this article,the communication functions of PI C and basic features of field bus are summarized.The PI C professional field bus,the Porfibus—based PI C control system, and the CAN supported PI,C control system are discussed.At last,the developing tendency of PI C control system in the process of manufacturing information is presented. Keywords PLC,field bus,control system,communication protocol 中图分类号:TP20 文献标识码:A 依据IEC 61158规范和现场总线基金会FF 下,典型过程控制系统的网络架构如图1所示。就 (Fieldbus Foundation)的定义,现场总线是一种服 工厂级(Factory leve1)和现场级(Device leve1)而 务于生产现场、能够在微机化测量控制设备之间实 言,Fieldbus和PI C占有主导地位。为此,各生产 现双向、串行、多节点和数字通信的网络系统 ]。在 厂商相继推出了Pl C专用的现场总线技术和产品。 计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成作业系 其中,以Modicon公司的Modbus Plus(MB+)和 统(CIPS)中,现场总线属于底层控制网络;开放系 OMRON公司的Controller I ink为代表,应用范围 统互连(OSI)模型是它的技术基础,分布到现场的 较广,效果较佳。 通信网络、仪表的互操作性以及分散功能块则是它 的主要技术特点。比较著名的总线有过程现场总线 (Profibus)、控制局域网络(CAN)、局部操作网络 (LONWORKS)和全球工厂仪表协议 Gateway网芙 管理计算机 管理服务器 (WorldFlP)等。 可编程序控制器PLC(Programmable Logic Fieldbus J— _ I / n Controller)是专为工业环境下应用而设计,集微处 Monitor监控站 PLC Operator操作站 理技术、自动化技术和通信技术为一体的实时控制 装置。在工厂自动化的进程中,PLC的开关量控制 和顺序控制功能占有突出的地位嘲。随着微电子技 执行器 传感器PLC 术和计算机通信技术的发展,PI c在硬件配置、软 图1典型过程控制系统的网络架构 件编程、通信联网及模拟量控制等方面均取得了长 Modbus Plus(MB+)是Schneider旗下的 足的进步。基于PI c和网络通信技术的新型分布 Modicon公司为其PLC系列产品开发的高速、对等 式控制系统的开发,已经成为现代生产过程自动化 工业局域网络[ 。依据ISO/OSI参考模型,MB+ 的一个主要发展趋势。其间,现场总线技术支持下 的网络体系包含物理层(PHY)、数据链路层(Data 的PLC控制系统的研究与应用,是该分布式控制系 Link)、会话层(Net B10S)和应用层(Modbus)。其 统得以实现的重要途径。 中,数据链路层的信息帧由设备地址、功能代码、数 1 PLC专用总线技术 据和出错校验码(CRC)4部分组成。MB+网络中, 各节点地址唯一;节点间实现信息传输的方式一般 集中监控管理、分散控制是现代工业过程控制 有3种:主从传输(MSTR)、点对点传输(Peer Cop) 的主要特点。在局域通信网络(LAN)技术的支持 以及分布式I/0传输(多用于远程访问与控制)。 《新技术新工艺》・数字设计与数字制造 2006年 第3期 ・7・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 每个Modbus Plus都会维护1个随令牌一起循环的 Profibus遵循ISO/OSI参考模型,整个网络由 全局数据库(Global Database)。通过用户编程,节 物理层(PHY)、数据链路层(FDI )和应用层(AP 点可共享数据库的信息。Modbus Plus网络间的通 PI )组成。FDL的MAC,FLC,FMA1/2子层分别 信通过网桥来实现。 就链接传输媒体时的总线存取方法,对低层接口的 文献[3]以Modicon系列PI C为核心,应用 有效服务以及总线参数的设定进行了规定和描述。 MB+总线技术,开发设计了2层结构的陶瓷生产线 在应用层,FMS,I I I,FMA7子层则被用于通信管 计算机自动控制系统。文献[4]结合无线通信技术, 理时的应用服务,现场总线信息规范向FI C的映射 充分利用Modbus Plus网络的分布式i/o控制功 和传递总线参数到FMA1/2子层等方面。基于 能,开发出电网远程检测与监控系统,为电能监测自 OSI模型的Profibus网络协议结构如图2所示。实 动化提供了新的思路和方法。 际应用时,每段Profibus网络最多可链接127个节 Controller Link遵循IEEE802.4局域网标准, 点;200 m内传输速率为500 kbps,1 200 m时传输 是OMRON针对SYSMAC C系列PLC而开发的 速率为9.6 kbps。作为一种多主(Multi Master)结 一种配置灵活的令牌总线网l_5J,以全功能的FA 构的总线网络,Profibus提供了3种不同系列的产 (Factory Automation)网络形式链接PLC,使上位 品,以满足工业过程控制的实际需要口 :Profibus— 机与CS1/cV/C2000HX系列PLC之间可以方便 DP,采用RS一485传输技术,适用于自动控制系统与 地发送/接收大容量的数据包 与Ethernet相结 现场设备问的实时通信;Profibus—FMS,要求面向 合,Controller Link在构建DCS(Distributed Con— 对象,提供大数据量的通信服务,多用于中间级控 trol System)的过程中,利用OMRON独有FINS 制;Profibus—PA,采用IEC11 5&2传输技术,专用于 (Factory Interface Network Service)指令,能够读/ 过程自动化。理论而言,上述3种Profibus网络都 写I/O存储器、读取/控制操作模式;也可以通过编 可与PI C相结合,组建自动控制系统乃至DCS;但 写用户程序,由PI C发送FINS指令到上位机,以 在实际应用中,Profibu ̄FMS已逐渐为Ethernet所 传送非请求信息。若采用Controller Link Fins 取代。 Gateway,则可在应用层中进行数据链接的管理。 此外,与RS232或RS485链接后,在Controller Link网络上可以使用CX—Programmer视窗编程软 Al 件对PI C进行编程和监控,以达到“集中监控管理 pplication FMS LLI 和分散控制”的目的。 Presentation S文献E6-i以OMRON CS1系列PLC为中心,应用 ession FMA7 Controller lank和Industrial Ethernet组建了3层体 Transport Network 系架构的DGS,并在污水处理过程中得以实现。文献 Data Link FDL [7-I的重点在于(281组网时MODEM的设置和协议 FMAl/12 Phvsiea1 PHY 宏的编制;结合Controller lank,设计了基于PI.C的 OSI PROFIBUS 远程I/0系统,并应用于环保供热工程。 图2 Profibus的网络协议结构 Modbus Plus(MB+)和Controller lank在应 用时的具体性能指标如表1所示。 文献E8]结合SIMATIC s7 300 PI C,构建了2 表1 Modbus Plus和Controller lank的性能指标 级监控网络,并应用于兰州重离子加速器高频发射 总线名称通信速率传输距离节点数量数据容量 峪控软件 机自动控制系统的改造中。文献[9]将WinCC组 Controller 2 Mbps 双绞线 32 32 k CX一 态软件、Profibus—DP和SIMATIC S7 200 PI C集 【 ink 1 Mbps Programmer 合为一整体,研究PI C与监控计算机实现通信的不 Modbus 1Mbps 32 24 k RSVJew32 Plus 同方法,并进行了比较。 2 基于Pr。fibus的PLc控制系统 3 基于cAN的PI c控制系统 CAN(Controller Area Network)是一种双向、 Profibus(Process Field Bus)是一种开放式的 国际标准(IEC61158)总线。1987年,由SIEMENS 半双工的高速串行通信网络系统。其通信协议 由德国BOSCH GmbH公司提出;经ISO1 1 898 为首的多家研究机构共同开发。经过近2O年的发 和ISO11 519规范后,CAN成为广泛应用于工业 展,该总线已被广泛应用于工业过程控制之中 ・8・ 《新技术新工艺》・数字设计与数字制造 2006年 第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com 自动化领域的国际标准。与Profibus相似,CAN 如下: 也由物理层(PHY)、数据链路层( MAC;I I C)和 1)通过接口协议的拓展和智能控制算法的应 应用层(APPI )组成¨。 ;但在信息帧格式、通信 用,提高PI C的国际标准化程度,增强PI 【 与其它 机制和系统硬件结构等方而,CAN与Profibus相 控制设备的融合性; 去较远。 2)应用IP(Internet Protoco1)传输技术和 CAN的网络拓扑结构如图3所示。依据 IKE(Internet Key Exchange),降低通信损耗,加强 lsO11898标准,CAN采用双铰线作为信息传输媒 控制局域网络的安全性; 介,网络终端阻抗一般取1 2O Q士12 Q。最大直接 3)应用OOP和嵌入式系统技术,开发更为友 通信距离由传输速率决定。其典型值为:40 m时 好的人机界面,以满足复杂控制系统的实时性要求。 1 Mbps;1 000 m时50 kbps。理论而言,若控制节 点拥有唯一标识,每一单独的cAN网络可以链接 [参考文献] 2 032个节点;但是,受硬件限制,实际应用时允许链 ¨1]Nobuo Okabe.Issues of control networks when intr0du— 接的控制节点数为110个。 cing IP.Proceeding of the 2005 Symposium on Application and the Internet Workshops(SAINT—W 05),IEEE,2005 (1):414 420. [2]朱学军,刘旭宇,陈昭荣.基于SIMAT1C s7的主从控制 系统.新技术新工艺,2003(2);2-4. E3]张光明.Modbus Plus网络技术及其在工业控制中的应 用.计算机工程与应用,2003,36:220—222. [4]Ramirez F.H.Aceveddo J.I .Maldonado R.G.,el a1. 总线终端 CAN—L 总线终端 Wireless system for electrical networks testing based on 例3 CAN的l3(】cJ络拓扑结构 Modbus protoco1.Proceeding of the 14th international con— cAN采用非破坏性总线仲裁技术,媒体访问按 ferenee on electronics,eommunieal ions and computers 节点信息的优先级(CAN 2.0A ll bits;CAN 2.0B (CONIELECOMt’04),IEEE,2004(2):58 62. 29 bits)进行,以满足实时控制的不同需要 引。传 [5]胡福年.Omron可编程序控制器控制方案研究.继电 输过程中,信息帧为短帧结构,包含4种类型:数据 器,2003,31(8):14-16. E6]朱学军.基于Ethernet的分布式控制系统研究.新技术 帧(Data frames)、远程请求帧(Remote frames)、出 新工艺,2004(2):12 14. 错校验帧(Error frames)和溢出帧(Overload Er]滕胜广.OMRON PI C远程控制在热网_T程中应用.电 frames)。短帧结构的突出优点是传输时间短,抗干 站系统工程,2003,19(5):59 60. 扰能力强。 E83李曼枫.Profibus现场总线技术的应用.计算机工程, 文献[11]应用CANscope和CAN PCI/33 1 2003,29(1):2l8—2l 9. 智能微机接口,实现r PowerCube六自由度移动 E9]周晓平,姜建芳,苏少钰,等.s7 200系列P1 C与监控计算 机器人手臂的实时控制。文献[1 2]结合PI c和 机通信实现的研究.微计算机信息,2003,20(1):5 7. 液压控制技术,建立了基于【 AN总线的多任务 [1o]Jose Rufino,Paulo Verissimo,Guilherme Arroz.Node 协同控制系统,实现了1 80 t平板运输车多个轮 failure detection and membership in CANEI Y.Proceedings of the 2003 international conference on Dependable Systems 轴液压系统的协同控制,并在上海磁悬浮工程中 and Networks(DSN 03),IEEE,2003(6):331-340. 得以应用。 r1l_Heriberto I,Carlos A.Automation of a robotic arm by 4 结语 analyzing the CAN protoco1.Proceedings of the 1 4 th inter— national conference on Electronics,Communication and 现场总线技术的研究与应用,在推进分布式 Computers,IEEE,2004(2):2-7. 控制系统数字化、网络化进程的同时,有效拓展了 [12]祁永庆,董秀林,董伟亮.基于CAN总线的P1 C在车 PI C的应用空间。综合而言,用Modbus,Control— 辆多任务协同控制中的应用.工程机械,2003(2):1 3. ler Link为代表的专用现场总线与本系列PI C通 *宁夏大学科学研究基金资助项目(I.G0405) 信时,体现出较强的标准同一性;而以Profibus和 cAN为代表的国际标准总线,组网时对控制器件 责任编辑 吕菁 的开放程度较高。结合网络化自动控制技术的研 究成果,PI C和现场总线技术的主要发展方向 《新技术新工艺》・数字设计与数字制造 2006年 第3期 ・9・