秦瓊

（大慶油田自動化儀表有限公司，黑龍江 大慶 163000）

在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中，PLC分散控制多應(yīng)用于大型而復(fù)雜的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，而多PLC之間程序通信相互協(xié)調(diào)與同步、數(shù)據(jù)以及參數(shù)之間共享成了工業(yè)生產(chǎn)控制中亟待解決的問題。在工業(yè)生產(chǎn)中，PLC之間都是通過工業(yè)以太網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以S7協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)間的通信和傳遞，并通過工程師站和中控室的監(jiān)控軟件來對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控與操作。通過現(xiàn)場傳感器、現(xiàn)場儀表等數(shù)據(jù)輸入，由中控室操作人員結(jié)合數(shù)據(jù)信息發(fā)出指令進(jìn)行閥門開關(guān)和變頻器大小調(diào)節(jié)。本文主要以西門子PCS7軟件和工業(yè)以太網(wǎng)來實現(xiàn)多PLC之間程序通信及相互協(xié)調(diào)與同步。

1 通信要求概述

在工業(yè)生產(chǎn)中通信模式指的是請求方向被請求方發(fā)出請求，被請求方對請求方發(fā)出的請求進(jìn)行響應(yīng)后按照請求方的指令運(yùn)行，請求方再根據(jù)被請求方提供的數(shù)據(jù)和參數(shù)來進(jìn)行自身參數(shù)的控制，在工業(yè)運(yùn)行中，通過程序描述的方式以及步驟按照請求方的請求啟動和停止自身程序，若是有多個程序同時發(fā)送請求則需要進(jìn)行排隊處理，整個操作依次進(jìn)行，如果請求方的要求被響應(yīng)，則在請求方的操作界面上彈出對話框，提示操作人員程序已經(jīng)按時啟動，如果請求方發(fā)出的請求沒有被響應(yīng)（例如由于程序正在運(yùn)行過程中或是程序基于連鎖的原因無法運(yùn)行）也會在操作界面上提示用戶正忙的信息，請求方可以選擇等待或是稍后重新發(fā)出請求。由于同一時間可能有多個請求發(fā)出，控制站會在響應(yīng)請求后在控制面板上提示哪個程序正在進(jìn)行。

另外，請求方和被請求方雙方的程序之間不但需要對一些重要的程序運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相互傳輸，還需要相互間的協(xié)調(diào)以及同步。例如，某企業(yè)清罐車間清罐請求清洗的長程序，通過順序控制程序中的編號來請求啟動CIP工作站中罐體清洗程序，并判斷該清洗程序運(yùn)行中還是已經(jīng)結(jié)束，然后進(jìn)行啟動或者停止該程序，其他各工作站也會有類似的請求數(shù)據(jù)過程。BBT、綜合間等多個工作站都可能會請求CIP清洗程序，雖然請求方和被請求方的程序運(yùn)行在不同的主機(jī)和PLC上，且各程序之間也是相互獨(dú)立的，但是，程序運(yùn)行開始可能會需要某些必要的手動操作，比如，需要對現(xiàn)場的某些手動閥門進(jìn)行開啟等，并做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，再由PLC程序進(jìn)行下步操作。本論文中以企業(yè)自動控制系統(tǒng)為例，其控制系統(tǒng)分為發(fā)酵、過濾和CIP也就是設(shè)備清洗四個主力車間，分別由西門子PCS系列的PLC進(jìn)行控制，在車間之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過S7協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，本文主要以各工作站請求CIP程序為例來介紹西門子PCS7的多PLC之間通信的具體操作過程。

2 通信網(wǎng)絡(luò)概述

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在西門子PCS7的多PLC之間通信程序的實現(xiàn)大都采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，其在工業(yè)生產(chǎn)中廣為應(yīng)用，具有普遍認(rèn)可性，與OSI的7層協(xié)議相比，其層次相對較少，具有底層網(wǎng)絡(luò)較為透明以及對網(wǎng)絡(luò)的具體物理實現(xiàn)并不涉及等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。在網(wǎng)絡(luò)IP層的協(xié)議主要負(fù)責(zé)傳送和連接互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)參數(shù)，而數(shù)據(jù)參數(shù)在各IP協(xié)議中是相互獨(dú)立存在的，其傳輸路徑以及相關(guān)的控制信息和參數(shù)都在IP報頭中得以表現(xiàn)。IP服務(wù)在傳輸控制層TCP中的主要作用就是為虛擬電路和面向數(shù)據(jù)流提供服務(wù)，同時，可以自主對各種網(wǎng)絡(luò)BUG進(jìn)行糾正。

2.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的S7通信

基于工業(yè)以太網(wǎng)的S7通信可以使用通信SFB/FB模塊，該模塊與已經(jīng)組態(tài)成功的PCS7相互連接，通過編好的程序進(jìn)行通信控制。每次作業(yè)指令發(fā)出后可以傳輸高達(dá)64KB的用戶數(shù)據(jù)信息。而以太網(wǎng)作為“PCS7通信中繼器”，可對PCS7進(jìn)行傳輸。在工業(yè)以太網(wǎng)上，數(shù)據(jù)傳輸主要是通過ISO傳輸或是ISO-ON-TCP協(xié)議兩種方式進(jìn)行傳輸。但是，以用戶的視角了來分析，標(biāo)準(zhǔn)總線和工業(yè)以太網(wǎng)在PSC7通信實現(xiàn)上幾乎完全一致。

3 通信程序?qū)崿F(xiàn)過程概述

3.1 通信雙方的通信數(shù)據(jù)模塊

在被請求方及CIP控制站PLC程序中首先確定了DB880和DB881兩個數(shù)據(jù)模塊，CIP運(yùn)行參數(shù)通過BBT進(jìn)行接收并保存于DB880模塊上，而CIP運(yùn)行參數(shù)則通過綜合間進(jìn)行接收并保存于DB881模塊上。二者之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式和內(nèi)部變量定義方式都與DB13模塊相同。

如果在通信方的程序中調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的通信模塊GET(從對方讀取數(shù)據(jù))以及PUT(向?qū)Ψ絺魉蛿?shù)據(jù))都需要代表遠(yuǎn)程CPU中的數(shù)據(jù)塊并定義在本地，并且其遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模塊中與其同名的數(shù)據(jù)模塊在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量上必須完全一致。此外，還需要定義相應(yīng)的本地數(shù)據(jù)模塊與前面的數(shù)據(jù)模塊相互對應(yīng)，也必須保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及變量定義完全一樣。通過PUT、GET模塊將本地程序?qū)嶋H讀寫的內(nèi)容寫入本地映像數(shù)據(jù)模塊，再將其寫入遠(yuǎn)程CPU數(shù)據(jù)模塊中。在請求方PLC程序中需要定義相應(yīng)的程序向CIP發(fā)出請求，但是，系統(tǒng)只能對其中一個請求進(jìn)行響應(yīng)，并只接受來自某個請求方傳送出的數(shù)據(jù)。因此，每個請求方需要分別定義自身的數(shù)據(jù)模塊，并且在本地CPU中編寫相應(yīng)的功能模塊來解決模塊間的沖突。

3.2 基于PCS7通信程序的數(shù)據(jù)模塊

在請求方的程序中通過使用GET通信模塊和PUT通信模塊來使得本地讀寫遠(yuǎn)程模塊與讀寫本地數(shù)據(jù)一致。GET的主要功能是將遠(yuǎn)程CPU數(shù)據(jù)模塊中指定字節(jié)數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，從某個地址讀寫到本地數(shù)據(jù)模塊中，而PUT的主要功能則與GET恰恰相反，其將某個地址中的本地數(shù)據(jù)模塊中指定字節(jié)數(shù)的內(nèi)容寫入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模塊中。在被請求方的程序中，則不需要向請求方調(diào)用系統(tǒng)中的通信數(shù)據(jù)模塊。

3.3 CIP數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

本文以某企業(yè)清罐車間舉例說明，首先，需要在組織模塊中調(diào)用PUT和GET模塊來實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)模塊設(shè)計。調(diào)用PUT模塊把BBT清洗程序?qū)懭隒IP運(yùn)行參數(shù)中（比如，系統(tǒng)是進(jìn)行何種模式的清洗以及每次清洗時間），在將得到的參數(shù)傳輸給CIP工作站中的數(shù)據(jù)模塊中。如果分別來自BBT和綜合間的數(shù)據(jù)模塊對罐體清洗程序的請求位同時為1時，則需要對排在梯形圖中最前方的請求進(jìn)行響應(yīng)，把對應(yīng)模塊中的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)模塊后，BBT中的清洗程序?qū)ζ溥M(jìn)行循環(huán)往復(fù)讀取其中的變量來進(jìn)行程序的運(yùn)行，從而進(jìn)行整個CIP程序運(yùn)行狀態(tài)的判斷。

FBI一旦對某個請求進(jìn)行響應(yīng)后就需要保持其與請求方之間的數(shù)據(jù)連接，并不斷將請求方傳輸而來的數(shù)據(jù)傳送到本地數(shù)據(jù)模塊中來進(jìn)行CIP程序的運(yùn)行控制。但是，任意一個請求方可以在所有時間和所有情況下通過讀取CIP中的數(shù)據(jù)來對目前程序運(yùn)行狀態(tài)和某些重要參數(shù)進(jìn)行判斷，F(xiàn)BI等不能限制這些功能模塊的數(shù)據(jù)請求。在BBT程序中，清洗長程序啟動時，要啟動CIP罐清洗程序，由操作人員在控制面板上選擇并填寫好清洗參數(shù)，通過對CIP罐清洗程序發(fā)出請求，這時CIP工作站的CPU上會率先處理排在梯形圖最前面的請求，并進(jìn)行響應(yīng)，程序運(yùn)行結(jié)束后BBT通過GET得到當(dāng)前程序已經(jīng)結(jié)束的信息從而做出響應(yīng)。

3.4 西門子PCS7的多PLC之間程序協(xié)調(diào)實現(xiàn)的難點(diǎn)

西門子PCS7的多PLC之間程序協(xié)調(diào)實現(xiàn)的難點(diǎn)主要在于如何使設(shè)計同步進(jìn)行，關(guān)鍵通信信號如何定義能使系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制整個程序的運(yùn)行；系統(tǒng)運(yùn)行時發(fā)生的請求沖突等問題來如何解決，請求方和被請求方通信方式的選擇，以及對整個通信過程中各個模塊的動作和狀態(tài)如何進(jìn)行完善以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。PLC相較C++語言對每個通信對象沒有較為完善的建模工具和語言，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中用PLC進(jìn)行編寫程序，對于較為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)流程還應(yīng)當(dāng)采取面向?qū)ο蟮姆治龇椒?，通過流程圖、結(jié)構(gòu)圖、交互圖等把參與交互的各個元素作為對象進(jìn)行分析，將復(fù)雜、多對象交互通信問題描述清楚、邏輯自洽，以更好地表現(xiàn)設(shè)計人員的設(shè)計思路，幫助企業(yè)實現(xiàn)自動化發(fā)展，節(jié)約勞動力成本。

4 結(jié)語

本文主要介紹了西門子PCS7的多PLC之間程序協(xié)調(diào)運(yùn)行以及數(shù)據(jù)通信等功能的實現(xiàn)，并給出了相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)方式，經(jīng)過測試在生產(chǎn)運(yùn)行中穩(wěn)定性較高，并且較為完善的滿足了工藝需求，取得了良好的生產(chǎn)運(yùn)行效果，值得在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛推廣。