可编程序控制器网络的分析研究:可编程序控制器

　　摘要：本文对可编程序控制器（PLC）的网络系统进行了较全面的分析和研究，总结出PLC通讯网络的共同特点，为PLC联网的实际应用提供指导性意见。 　　关键词：PLC；网络
　　中图分类号：TP273 文献标识码：A
　　
　　为提高控制性能，往往要把地理上处于不同位置的PLC与PLC、PLC与计算机或PLC与智能装置通过传输介质连接起来，实现通讯，可提高PLC的控制能力及控制范围，同时还便于使用计算机进行管理和对控制数据进行处理，以构成功能更强、性能更好的控制系统，这一般称为PLC联网。PLC联网后，还可进行网与网的互联，以组成更为复杂的系统。
　　
　　1 可编程序控制器网络
　　
　　在对PLC产品资料广泛分析和PLC实际应用的基础上，下面对主流厂家的可编程序控制器通讯网络作出分析介绍。
　　
　　1.1OMRON公司的PLC网络
　　OMRON PLC网络类型较多，可以适用于各种层次工业自动化网络的不同需要。
　　Ethernet网（以太网）属于大型网，它的信息处理功能很强，是OMRON的信息管理高层网络。以太网支持FINS协议，使用FINS命令可以进行FINS通讯、TCP/IP和UDP/lP的Socket （接驳）服务、FTP服务。通过以太网，OMRON的PLC可与国际互联网连接，实现最为广泛的节点间信息的直接交换。
　　SYSMAC NET网属于大型网，是光纤环网。使用C模式或CV模式 （FINS） 指令进行信息通讯。主要功能有大容量数据链接和节点间信息通讯。适用于地理范围广、控制区域大的场合，是一种大型集散控制的工业自动化网络。
　　SYSMAC Link网属于中型网，采用总线结构，使用C模式或CV模式指令进行信息通讯。主要功能有大容量数据链接和节点间信息通讯。是适用于中规模的集中管理、分散控制的工业自动化网络。
　　Controller Link网（控制器网）是SYSMAC Link网的简化，规模要小一些，但实现简单。通讯速率快，距离长，既有线缆系统又有光缆系统。其功能与SYSMAC Link网大致相同。
　　CompoBus/D是一种开放、多主控的器件网。开放性是其特色，它采用了美国AB公司制定的Device Net通讯规约，其它厂家的PLC等控制设备，只要符合Device Net标准，就可以接入其中。主要功能有远程开关量和模拟量的I/O控制及信息通讯。这是一种较为理想的控制功能齐全、配置灵活、实现方便的分散控制网络。
　　CompoBus/S也为器件网，可实现一种高速ON/OFF系统控制总线，使用CompoBus/S专用通讯协议。CompoBus/S的功能虽不及CompoBus/D，但它实现简单，小型机 （CQM1H）也可作主站，通讯速度更快，当降低速率后也可挂模拟量。主要用于远程开关量的I/O控制。
　　HOST Link网是OMRON较早推出，使用较多的一种网。上位计算机使用HOST通讯协议与各台PLC通讯，可以对网中的各台PLC进行管理与监控，是适用于集中管理、分散控制的工业自动化网络。
　　PC Link网的主要功能是各台PLC建立数据链接（容量较小），实现数据信息共享，它适用于控制范围较大，需要多台PLC参与控制且控制环节相互关联的场合。
　　Remote I/O网实际上是PLC机I/O点的远程扩展，适用于工业自动化的现场控制。
　　综上所述，目前OMRON的网络主要可分为信息层、控制层和器件层这三个网络层次（图1）：Ethernet（信息层），Controller Link（控制器层），CompoBus/D/S（器件层）。这三种网络的发展势头最为强劲，新的器件、新的功能和新的技术不断推出和充实，它们的应用领域日渐扩大，用户越来越多。因此，学习和掌握OMRON PC网络时，建议主要关注这三种主流网络。OMRON的HOST Link、PC Link、Remote I/O网推出时间较早，多以老机型为主。
　　
　　
　　1.2SIEMENS公司的PLC网络
　　SIEMENS公司的PLC网络SIMATIC NET是一个对外开放的通讯系统，具有广泛的应用领域。SIEMENS的网络层次结构由四个层次、三级总线复合而成，如图2所示。
　　四个层次从下到上依次为：执行器与传感器级、现场级、车间级、管理级。
　　三级总线从下到上依次为：AS-I总线，PROFIBUS总线以及MPI网络，工业以太网。
　　（1）AS-I
　　最底一级为AS-I（Actuator-Sensor Interface）总线。它是用于连接执行器、传感器、驱动器等现场器件，将信号传输至控制器实现通讯的总线标准，扫描时间为5ms，传输媒体为未屏蔽的双绞线，线路长度为300m，最多为31个从站。
　　（2）PROFIBUS
　　中间一级是PROFIBUS总线，它是一种工业现场总线，采用数字通讯协议，用于仪表和控制器的一种开放、全数字化、双向、多站、分布式I／O设备（远程I／O）的通讯系统，是应用于车间级和现场级的控制网络。应用了混合介质的传输技术以及令牌和主从的逻辑拓扑，使用RS-485标准双绞线，适合多段、远距离通讯。PROFIBUS网络常有一个主站和几个I／O从站。其传输媒体为屏蔽的双绞线（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可接127个从站。
　　同属于中间一级的MPI（Multi-Point Interface） 即多点接口，可以是主／主协议或主／从协议，是一种适用于小范围、少数站点间通讯的网络。在网络结构中属于车间级和现场级。它适用于SIMATIC S7／M7和C7系统，多用于对其编程，连接上位机和少量PLC之间近距离通讯。MPI网络是一种总线型网络，可以用来连接多个编程设备、操作面板和SIMATIC PLC（如S7-300／S7-400系列，也包括S7-200系列）。
　　（3）工业以太网（Industrial Ethernet）。
　　最高一级为工业以太网，使用通用协议，是依据IEEE 802．3标准建立的单元级和管理级的控制网络，利用CSMA／CD（载波监听多路访问／冲突检测）进行设备访问，负责传送生产管理信息。网络规模可达1024站，长度可达1.5km（电气网络）或200km（光学网络）。在同轴电缆、光纤以及屏蔽双绞线上进行传输，速率为100 Mbps，属于快速以太网。
　　在这一网络体系中，PROFIBUS总线是目前最成功的现场总线之一，己得到了广泛的应用。它是不依赖生产厂家的、开放的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。
　　
　　1.3Modicon的PLC网络
　　为了实现开放性的、基于标准化的联网和现场总线连接，Modicon TSX Quantum系列PLC提供多种解决方案。下面简介几种常用的方案。
　　（1）Remote I/O
　　在每个远程站中，有一个远程I／O（RIO）适配器通过同轴电缆与控制器中的RIO处理器通讯。RIO适配器通过I／O机架背板总线从I／O模块接收、发送数据，并通过RIO同轴电缆从控制器接收、发送数据。每个RIO适配器上均带有一个设定远程站地址的DIP开关。
　　根据站中的I／O系列和控制器中RIO处理器的类型，可选用不同的RIO适配器接口，
　　（2）Modbus网络
　　Modbus是一个事实上的工业标准主／从协议，任何计算机串行端口支持在线编程或数据采集，而且连接费用最低。所有Quantum CPU上均有RS-232的Modbus通讯口。
　　Modbus可用在只有两台装置的简单的点对点控制方式，或用在具有247台从设备的网络结构中。后者Modbus网络有一个主设备，从节点可以通过四线双绞电缆进行连接，最远可达15000英尺，也可以通过公共载体（电话线、无线电微波）进行远程连接。因为是一个主从网络，所有的通讯都是由一个Modbus主机来发送，在大于50英尺的长距离应用中，需要采用调制解调器。
　　（3）Modbus Plus网络
　　Modbus Plus是一个本地网络，兼有高速、对等通讯和容易安装等特性。这一局域网络允许主计算机、可编程序控制器和其它数据源，通过低价双绞线电缆或光缆，在整个工厂以对等方式进行通讯。Modbus Plus作为一个令牌传递网络以1兆波特率通讯，快速访问过程数据。每台Quantum CPU 控制器包括Modbus和ModbusPlus通讯口，需要使用140 NOM2xx00 Modbus Plus网络模块。
　　典型应用包括：在控制器之间进行数据传送；在控制器和主计算机之间进行数据传送；对控制器编程；从主机上对程序进行装入／转储／归档。
　　（4）TCP／IP Ethernet
　　
　　Quantum TCP／IP Modbus Ethernet模块兼有三种开放的、通用的网络标准：Ethernet，TCP／IP和Modbus。
　　Ethernet在全世界范围内得到大量的第三方产品和服务的支持。TCP／IP是事实上的标准协议，也是正在进行的Internet技术革新的基础协议。Modbus的简单化和灵活性使其成为事实上的工业网络协议，有第三方产品的广泛支持。
　　图3是一个较为典型的Ethernet拓扑配置。以太网节点通过以太网集线器与基干线路实现连接，基干线路是覆盖很大距离的同轴导线或光缆。
　　
　　1.4A-B公司的PLC网络
　　A-B（Allen-Bradley）公司是美国最大的PLC制造商，占据全美市场份额的45％，产品在国际市场上很有竞争力。它的网络品种很多，有远程I／O链路、DH+网、管理信息网、DH485网等。
　　A-B公司的PLC网络采用的是三级总线复合型拓扑结构。最底一级为远程I／O系统，负责收集现场信息，驱动执行器，在远程I／O系统中配置周期I／O通讯机制。中间一级为高速数据通道DH+（或DH，DHⅡ），它负责过程监控，在高速数据通道中配置令牌总线通讯协议。最高一级可选用Ethernet（以太网）或MAP网，这一级负责生产管理。在Ethernet网中配置以太网协议，在MAP网中配置MAP规约。
　　
　　1.5GE公司的PLC网络
　　美国通用电气公司（GE）与日本的数控之王FANUC公司合并成立了GE-FANUC公司，它的PLC产品在美国市场所占份额居第三位。GE-FANUC的PLC网络产品是在标准化方面进展最快的产品。GE-FANUC公司的PLC网络有两种结构：一种是四级总线复合型拓扑结构，一种是二级总线复合型拓扑结构。网络最高一级子网为GenetMAP宽带局域网，采用MAP3.0协议，通讯速度10Mb/s，用于传输生产管理信息。Genius网是GE二级结构的底层子网，负责与现场单元交换数据，采用GE-FANUC专用协议。
　　
　　1.6三菱公司的MELSEC NET网络
　　三菱公司是日本最大的PLC生产厂家，它的MELSEC NET网络是为MELSEC可编程序控制器配备开发的数据通讯网络。其主控站通过光缆或同轴电缆可与64个本地从站或远程I／O站进行数据通讯，而每一个从站又可以作为第三层数据通讯系统的主控站，与这一层的64个从站或远程I／O进行通讯。MELSEC NET具有三层数据通讯的能力，该网络能配置成一个很大的数据通讯系统。
　　MELSEC NET网络还是一种高可靠性的系统，数据通讯有两个环路：主环路和副环路。两个环路均可用作主环路，但在一个数据通讯系统中仅允许有一个主环路。正在通讯的主环路若发生电缆断路，从站故障，回送功能（Loopback function）将通讯从主回路切换到副回路，并将从站故障断开，以保证整个通讯系统继续运行。也就是说，只要主环路中哪怕一处发生断路，数据通讯继续由副环路进行。
　　
　　2 PLC网络结构的共同特点
　　
　　通过上面的分析可以看到，PLC网络通常采用三级或四级子网构成的复合型拓扑结构，各级子网中配置不同的通讯协议，以适应不同的通讯要求。
　　（1） 在PLC网络中配置的通讯协议分两类：一类是通用协议，一类是公司专用协议。
　　（2） 在PLC网络的高层子网中配置的通用协议主要有两种，一种是MAP规约，一种是Ethernet协议，这反映了PLC网络标准化与通用化的趋势。PLC网的互连，PLC网与其它局域网的互连将通过高层进行。
　　（3） 在PLC网络的低层子网及中间层子网采用公司专用协议。其最底层由于传递过程数据及控制命令，对实时性要求较高，常采用周期I／O方式通讯；中间层负责传送监控信息，信息长度位于过程数据及管理信息之间，对实时性要求也比较高，其通讯协议常用令牌方式控制通讯，也有采用主从方式控制通讯的。
　　（4） 个人计算机加入不同级别的子网，必须按所连入的子网配置通讯模板，并按该级子网配置的通讯协议编制用户程序，一般在PLC中不需要编制程序。
　　（5） PLC网络低层子网对实时性要求较高，其采用的协议大多为坍塌结构，只有物理层、链路层及应用层。高层子网传送管理信息，与普通网络性质接近，高层子网的通讯协议大多为7层。
　　以上得出PLC通讯网络的共同特点，可为PLC联网的实际应用提供指导和参考性意见。
　　
　　参考文献
　　[1]Schneider Automation，Inc．Modicon TSX Quantum 硬件手册，2002．
　　[2]孙平.可编程控制器原理及应用[M]．北京：高等教育出版社，2003．
　　[3]徐世许.可编程序控制器原理•应用•网络[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2002．

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