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摘要：基于计算机技术以及网络技术发展起来的通信技术,近年来在工业领域中的应用越来越广泛。其中,现场总线技术是应用范围最广、性能比较稳定且控制效果较好的技术。文章在概述PLC基本构成及工作原理的基础上,分析了基于PLC自动化控制系统的通信技术,以点对点接口通信技术以及工业现场总线技术为例进行分析,从组成、总线访问控制方面重点介绍了工业现场总线技术,以便更好的掌握其通信机制,更好的实现与PLC技术的融合,做到稳定、高速、高效的进行通信,满足工业控制现场多元化的通信要求。
关键词：PLC；自动化控制；通信技术
Research on Communication Technology Based on PLC Automatic Control System
ZHANG Shengyun
(Shandong Huayu University of Technology,Dezhou Shandong 253034)
【Abstract】：Communication technology based on computer technology and network technology has been more and more widely used in industrialfield in recent years.Among them,fieldbus technology is the technology with the widest application range,stable performance and good control effect.On the basis of summarizing the basic composition and working principle of PLC,this paper analyzes the communication technology based on PLC automatic control system,takes point-to-point interface communication technology and industrial fieldbus technology as an example,and focuses on the industrialfieldbus technology from the aspects of composition and bus access control,so as to better master its communication mechanism,better realize the integration with PLC technology,and achieve stable,high-speed and efficient communication,and meet the diversified communication requirements of industrial control site.
【Key words】：PLC;automatic control;communications technology
PLC融合了计算机以及现代通信等技术,具有抗干扰能力强、编程简单的特点,而且其随着技术的发展,其功能越来越强大,兼容性好,适用于多种领域的自动控制。基于PLC技术的现场总线通信技术,通过双绞线把生产现场以及自动控制设备等连接起来,形成一个网络系统,在规范协议的支持下,实现生产现场、控制设备以及计算机之间的数据信息传输与交换,满足自动控制要求。而且,现场总线技术具有系统开放特点,其具有较高的操作性,数据传输速度快,系统的设计以及安装都比较简单。随着科学技术的发展,现场总线技术越来越开始智能化、集约化,因此,加强对其的研究,可以开发更多功能完善、成本较低的产品,满足生产控制需要。
1 PLC的概述
1.1基本构成及特点
可编程逻辑(Programmable Logic Controller,简称PLC)是一种工业控制领域的专用计算机,在工业自动化领域的应用比较广泛。PLC主要是由CPU、存储器、输入接口、输出接口以及外部设备接口组成。作为现代工业控制领域重要的控制系统,PLC具有以下特点：(1)可靠性高。与传统的继电器控制系统相比,PLC中使用了很少硬件,大部分是用软件系统组成的,这在很大程度上减少了硬件设备之间的接线点,也就降低了由于设备间连接触点接触不良而产生的故障。而且,加上现代科学技术的支持,PLC系统的功能越来越完善,其带有自我检测功能,这种故障自诊断程序,大大降低了故障发生率[1]。在正常运行中,一旦有设备的运行参数超出正常范围,系统就会自动报警,相关人员根据故障代码就可以判断故障发生部位,及时进行检修,避免发生更大的故障。此外,其软件及硬件设施都采取了很强的抗干扰措施,抗干扰能力很强,无故障时间可以达到数万小时,甚至数十万小时以上,可靠性大大提高。(2)适用性强。随着PLC的不断发展,其产品系列越来越多元化,不仅有完善的软件系统,其硬件装置的种类很齐全,可以更好的满足不同用户的系统配置要求。PLC接线方便,带负载能力强,在很多工业控制现场都有较好的应用。结合其强大的逻辑处理功能以及完善的数据运算能力、较强的通信能力、友好的人机界面等,其在很多数字控制领域都有广泛的应用。(3)安装维护便捷。PLC体积小,而且很轻,很容易在设备内部进行安装,便于实现机电一体化控制。由于PLC利用软件替代了大量的继电器,很大程度上减少了其在安装、接线的工作量,其独特的顺序控制程序,很容易掌握,便于操作。其发生故障后,根据编程器可以快速排查故障部位,通常情况下,更换模块就可以排除故障,维护简单[2]。
1.2 PLC工作原理
PLC的工作流程主要是在CPU(中央处理器)参与下完成的,CPU是PLC的核心部件,用户程序以及数据等需要CPU通过编程器接收并存储起来,包括存储器的运行状态,电源的运行有没有存在异常等都需要CPU参与。在运行过程中,输入装置的运行数据以及状态参数等都会输送到CPU中,CPU将这些数据存储到I/O映像区。在确保PLC与外部设备连接完好的情况下,完成信息交互,读取用户程序,将用户程序按照相关的指令执行逻辑后输送到I/O映像区,执行完所有的用户程序以后,将I/O映像区的输出数据传输给相应的输出装置,让输出装置在正常的参数范围内运行。在实际生产中,大型的PLC系统经常采用双CPU冗余系统,在运行中,某个CPU出现故障以后,另外一个可以确保整个系统能够稳定运行。
2 PLC网络通信技术
PLC的数据传输基础是依靠其通信模块的支持,不同类型的PLC其通信方式也不同。以西门子S7-200系列的PLC为例,其CPU就支持多种不同的通信方式,比如,点对点接口(PPI)、工业现场总线(PROFIBUS)、多点接口等。下面重点介绍点对点接口以及现场总线通信技术。
2.1点对点接口通信技术
2.1.1 PPI通信技术概述
点对点接口通信,也可以称为PPI通信技术,主要利用的是主站-从站协议来完成通信过程。主站的设备主要有带编程的设备以及触摸面板等,从站设备主要包括CPU、扩展机架等。在该协议下,主站以及从站都处于同一个令牌环网中,而主站是指令的发出端,从站是指令的响应端,主站发出指令的前提是网络要保持畅通,而且要接收到令牌才可以向从站发送指令,而从站接收到主站的指令后,需要等主站设备发送请求,从站的设备才会响应。利用主-从站协议可以建立多主站网络,也就是说,主站可以是一个,也可以是多个,但在同一个网络中,主站的数量一般不超过32个。主站在接受令牌前需要建立网络拓扑,而新添加的主站是不能马上建立网络拓扑的,通常需要经过2~3个完整的令牌传递后,新主站才能建立,在建立网络拓扑前,新添加的主站也要和从站一样,要接受其他主站的指令,并作出响应。还有一种更为高级的PPI协议,支持同一网络中的设备建立逻辑连接,但对于设备的连接个数有要求,一般是4~6个[3]。
2.1.2 PPI网络组态形式
PPI的网络组态形式可以分为单主站、多主站形式,无论是哪种组态形式,都是在PROFIBUS的基础上,利用总线型拓扑组态的。单主站形式是由一个主站设备,一个或多个从站设备组成；多主站形式是由多个主站设备组成,通过组成的PPI网络实现了与从站之间进行数据交换。在PPI网络中,是主站对从站发出指令,因此,通信程序的编写只在主站侧进行,主站程序中主要使用网络读写指令,来实现对从站信息的读写。主站的读写程序在进行编写前,要综合考虑多种数据,比如,不仅需要规划好主站向从站发送的数据长度,还要规划主站接收来自从站的数据长度,还包括数据发往从站的位置,接收的数据存放的位置等。一般情况下,主站发送的指令通常只是一个信号,从站传输给主站的数据也只是自身的状态信息,主从站交换的信息数据都不大,通常只需要两个字节就能实现数据信息的交互[4]。
2.2工业现场总线通信技术
2.2.1 PROFIBUS概述
现场总线通信技术(PROFIBUS)是一种开放的数字通信系统,在很多工业自动化领域都具有广泛的应用。相对于点对点接口通信技术,现场总线通信技术尤其侧重系统的集成以及系统的分散控制等,使其能更好的满足复杂的通信要求。PROFIBUS的数据传输速度很快,而且可以根据不同的传输距离选择相应的传输速度。一般情况下,传输距离越长,数据传输的速度就会越低,其最快传输速度可以达到12Mb/s,但这样的传输速度只能在传输距离100m的范围内才能实现。随着传输距离的增加,传输速度逐渐降低,当传输距离超过1000m,且在1200m内的范围时,PROFIBUS的数据传输速度就降为9.6Kb/s,这也是其最低传输速度,因此,为更好的发挥PROFIBUS数据传输速度快的优势,要尽量选择100~1200m的传输距离。而且,在实际应用中,由于现场环境因素干扰,工业现场控制会存在一定的电磁干扰现象。为确保PROFIBUS系统的稳定运行,信号传输载体一般要选用光纤,光纤可以很好的避免电磁干扰,而且还可以满足远距离信号传输要求。在实际数据传输中,PROFIBUS系统信号和光纤信号不同,为满足同一系统的使用,可以采用专用的总线插头,实现不同信号之间的相互转化。
2.2.2 PROFIBUS组成
PROFIBUS主要包括三个子集,分别是PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA。在这三个子集里面,应用最为广泛的是PROFIBUS-DP,其主要是在工厂现场应用,而且其具有很快的网络传输速度,主要承担自动控制设备之间的通信任务,让控制设备之间的通信更加稳定、高效。而且,在实际自动控制领域应用中,PROFIBUS-DP的应用最多,主要用于控制系统设备间的高速数据传输。PROFIBUS-FMS主要用于传输速度要求不高的通信现场,不论是周期性的通信任务,还是非周期性的通信任务,只要是中等传输速度要求,PROFIBUS-FMS的适用性就比较好。主要承担主站之间的通信功能,应用层次多是在信息交换方面,尤其是可以更好的规范多主站间的通信报文,主要用于具有较大范围的车间级的控制,提供一些中速的通信服务。但根据近几年的应用情况来看,PROFIBUS-FMS的应用范围越来越小,市场份额不大,逐步的被新的产品所取代。PROFIBUS-PA是为了更好的解决安全通信传输问题而推出的,它的物理层不同于其他两个子集,它能更好的支持总线供电,具有很好的安全性,而且其传输速度固定,更多应用于具有较高的安全传输需求,且通信速度低的控制领域。近年来,随着自动控制领域的环境越来越复杂,控制要求越来越高,一些基于PROFIBUS系统的新技术出现,PROFIBUS原来的用户界面被保留,而且产品也和PROFIBUS有很高的兼容性,在很多场合都可以进行互联,更好的满足了一些特殊行业的自动控制要求。
2.2.3 PROFIBUS总线访问控制
PROFIBUS的总线访问控制形式主要是主站之间的令牌传递以及主从站之间的通信。对于主站来说,在控制过程中要做到只有一个站点发送数据,如果自动系统比较复杂的话,要留出足够的时间让每个站点都能完成通信任务,而对于从站来说,数据的传输过程要做到快速而准确。在PROFIBUS通信中,由于只有一个站点发送数据,因此,令牌要在主站之间进行轮流传递,让每一个主站轮流使用令牌对从站发送指令。令牌在主站直接的传递是有时间间隔的,可以在系统程序内将间隔的时间设定好,让每个主站都能在固定的周期内得到令牌,获取总线访问权。所有主站的组织链就是令牌环,这个令牌环是按照主站的地址构成的,令牌在这个构成的令牌环内按照主站的升序依次的进行传递。主站与从站之间进行的是主从通信,主站利用令牌向从站发生指令,获取从站发送的信息。
在实际运行中,系统参数决定了主站持有令牌的时间,以及令牌在各主站循环的时间,要保证令牌的传递按照主站的升序依次进行。同时,为保证系统的运行稳定,要保证损坏的主站及时的从令牌环中删除,还要及时的添加新的主站进入令牌环。PROFIBUS还承担着传输介质的监测任务,站点地址的检查任务以及核查令牌是否有丢失的情况,还要保证数据传输的完整与准确。PROFIBUS对传输的字节进行奇偶检验和间距纠错等,来保证数据的传输更加可靠,满足自动控制系统的需要。
3结语
近年来,随着科学技术的发展,PLC自动控制的通信技术越来越成熟,功能越来越完善,在实际应用中表现出来的优势越来越多。尤其是现场总线通信技术的发展,极大的推动了工业自动控制领域的发展。后期应该继续加大对其的研究力度,完善其功能,拓宽其适用范围,更好的为我国工业发展提供支持。
参考文献
[1]高专科.对基于PLC自动化控制系统的通信技术分析[J].中国新技术新产品,2021(1):4-6.
[2]聂秀珍,林斌.基于PLC自动化控制系统的通信技术研究[J].信息技术与信息化,2018(11):123-125.
[3]李宇轩.基于PLC自动化控制系统的通信技术探究[J].科学技术创新,2021(24):104-105.
[4]赵晶.基于PLC自动化控制系统的通信技术研究[D].沈阳:东北大学,2012.
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