屈俊玲

摘要：文章將通信技術(shù)在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用作為研究對(duì)象，簡(jiǎn)單敘述了PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的原理，再?gòu)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議、信息檢錯(cuò)等維度，詳細(xì)分析了通信技術(shù)在PLC自動(dòng)化控制中的具體應(yīng)用，最后對(duì)PROFIBUS通信技術(shù)做了詳細(xì)分析，旨在為更多工業(yè)生產(chǎn)單位提供技術(shù)指導(dǎo)，提升通信技術(shù)在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù)；PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)；技術(shù)應(yīng)用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.033

中圖分類號(hào)：TN 91，TP 273? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

Research on the Application of Communication Technology

in PLC Automation Control System

QU Junling

（Shanxi Railway Vocational and Technical College， Taiyuan 030013， China）

Abstract： The article takes the application of communication technology in PLC automation control system as the research object， briefly describes the principle of PLC automation control system， and then analyzes in detail the specific application of communication technology in PLC automation control from the dimensions of communication network， communication protocol， information error detection， etc. Finally， a detailed analysis is conducted on PROFIBUS communication technology， aiming to provide technical guidance for more industrial production units， improve the application effect of communication technology in PLC automation control system.

Keywords： communication technology; PLC automation control system; technology application

1? ?PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作基本原理

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯），其作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)體系的重要組成部分。因?yàn)镻LC硬件設(shè)備使用數(shù)量較少，所以合理應(yīng)用PLC，可以有效降低硬件設(shè)備的接線數(shù)量，規(guī)避連接點(diǎn)接觸不良的運(yùn)行故障。并且，我國(guó)在PLC軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面逐漸完善，制造適合多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的硬件設(shè)備類型，可以適配于不同工業(yè)生產(chǎn)單位的生產(chǎn)需求，適用性較強(qiáng)，在安裝維護(hù)等方面具有較好的應(yīng)用效果。

其中，CPU（Central Processing Unit，中央處理器）作為PLC的核心零部件，主要工作是負(fù)責(zé)接收PLC軟件程序與生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行期間，CPU會(huì)接收來(lái)自機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，收集機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)，將運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)等內(nèi)容全部存儲(chǔ)到I/O映像區(qū)中。在這個(gè)工作過(guò)程中，PLC系統(tǒng)會(huì)和機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行信息交互，機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備會(huì)根據(jù)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的指令執(zhí)行邏輯，執(zhí)行預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行程序。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到I/O映像區(qū)，結(jié)束執(zhí)行運(yùn)行程序的任務(wù)后，機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備會(huì)接收I/O映像區(qū)的輸出數(shù)據(jù)，讓機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的全程控制下穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，使用PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，一般會(huì)啟用雙CPU冗余模式，即將兩套CPU系統(tǒng)投入到應(yīng)用中，一套投入生產(chǎn)應(yīng)用，一套作為備用。如果一個(gè)CPU出現(xiàn)運(yùn)行故障，可以及時(shí)切換到正常的CPU，讓PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)保持正常運(yùn)行狀態(tài)，讓機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)維護(hù)，保障穩(wěn)定的工業(yè)生產(chǎn)[1]。

2? ?通信技術(shù)在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)條件下應(yīng)用通信技術(shù)，可以細(xì)化為通信網(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議、信息檢錯(cuò)等幾項(xiàng)內(nèi)容。

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)分布距離、組成規(guī)模等因素有著直接關(guān)系，通信技術(shù)在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以根據(jù)其組成規(guī)模，劃分為簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)和多級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)兩種類型。對(duì)于簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，即將PC（Personal Computer，個(gè)人計(jì)算機(jī)）作為通信網(wǎng)絡(luò)的主體角色使用，根據(jù)一臺(tái)或多臺(tái)相同型號(hào)的PLC建設(shè)簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)規(guī)模較小時(shí)，可以考慮構(gòu)建一個(gè)內(nèi)容相對(duì)完善、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的集散化控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，PC作為操作站使用，負(fù)責(zé)顯示PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行情況，根據(jù)使用需求進(jìn)行系統(tǒng)的編程作業(yè)，并對(duì)各類工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)化監(jiān)控。在遇到突發(fā)安全事故時(shí)，工作人員可以直接通過(guò)控制PC的方式，對(duì)問(wèn)題工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行有效控制。除此之外，也可以考慮用PLC設(shè)置主站，以相同型號(hào)若干臺(tái)PLC設(shè)置從站，建設(shè)主從化的PLC通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。多級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是在大型工業(yè)生產(chǎn)單位中廣泛應(yīng)用的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，不同的PLC生產(chǎn)工藝存在一定差異，實(shí)現(xiàn)功能也有所不同，這會(huì)導(dǎo)致PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)在運(yùn)行功能、結(jié)構(gòu)層數(shù)等方面出現(xiàn)較大程度的差異。PLC的制造商一般會(huì)使用金字塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PLC產(chǎn)品，將底層作為工業(yè)生產(chǎn)控制的工具，將中間層作為生產(chǎn)過(guò)程中控制與生產(chǎn)程序優(yōu)化的工具，上層則作為管理、控制生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的工具。以PLC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多級(jí)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)，則是以三級(jí)子網(wǎng)或四級(jí)子網(wǎng)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的一種復(fù)合型通信結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)互連、功能互通作為底層運(yùn)行邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生產(chǎn)區(qū)域的不同工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)化控制?？紤]到不同層次使用的通信協(xié)議存在較大差異，為合理匹配工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的差異化控制需求，可以考慮啟用多層次的控制網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于多級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)做進(jìn)一步細(xì)化處理[2]。

2.2 通信協(xié)議

為保障通信網(wǎng)絡(luò)在通信過(guò)程中，通信雙方可以保持正常的數(shù)據(jù)傳輸與信息交流，需要設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，從而有效保障PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。這也是通信技術(shù)的重點(diǎn)處理內(nèi)容。對(duì)于通信協(xié)議來(lái)說(shuō)，其本質(zhì)是一種通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的規(guī)章制度，通信雙方可以正常識(shí)別通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容，保障通信的同步性。并搭配與通信協(xié)議功能配合的信息檢錯(cuò)機(jī)制，對(duì)通信數(shù)據(jù)信息做相應(yīng)的檢測(cè)，從而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，一般會(huì)選擇通用型通信協(xié)議或?qū)Ｓ眯屯ㄐ艆f(xié)議。通信網(wǎng)絡(luò)的中層與底層子網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)選擇面向工業(yè)生產(chǎn)單位的專用型通信協(xié)議。以底層子網(wǎng)絡(luò)為例，其需要控制通信網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程，維持正常的數(shù)據(jù)傳輸。盡管在信息量方面，底層子網(wǎng)絡(luò)傳輸信息量要低于中層子網(wǎng)絡(luò)、高層子網(wǎng)絡(luò)，可是其對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性具有較高標(biāo)準(zhǔn)。專用型通信協(xié)議存在應(yīng)用層、鏈路層、物理層等層次，在信息傳輸效率方面表現(xiàn)良好，可以滿足底層子網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行需求[3]。PROFIBUS（PROcess FIeld BUS，程序總線網(wǎng)絡(luò)）是一種使用頻率相對(duì)較高的專用型通信協(xié)議，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于保障信息傳輸效果具有較好的表現(xiàn)效果。通用型通信協(xié)議主要應(yīng)用在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的高層子網(wǎng)絡(luò)，其負(fù)責(zé)各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的相互連接，并將PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)建的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。對(duì)于高層子網(wǎng)絡(luò)，其主要負(fù)責(zé)管理傳輸信息數(shù)據(jù)，通用型通信協(xié)議可以極大提升數(shù)據(jù)傳輸效率，提高數(shù)據(jù)傳輸量，更符合高層子網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行需求。

2.3 信息檢錯(cuò)

對(duì)于PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，需要保證其可以正常使用檢錯(cuò)功能、糾錯(cuò)功能，實(shí)現(xiàn)誤碼的有效控制目標(biāo)，進(jìn)而提升工業(yè)生產(chǎn)體系運(yùn)行的穩(wěn)定性。而這種檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能，也是通信技術(shù)在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用的重要考核標(biāo)準(zhǔn)，需要確保通信技術(shù)可以有效識(shí)別數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中的各類錯(cuò)誤，并根據(jù)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)與程序，對(duì)錯(cuò)誤做出合理糾正，避免最后接收的數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，進(jìn)而達(dá)到對(duì)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)有效的信息糾錯(cuò)效果。在普通的通信技術(shù)信息檢錯(cuò)功能中，一般會(huì)通過(guò)奇偶校驗(yàn)等方法實(shí)現(xiàn)。如果是一些生產(chǎn)高精密機(jī)械設(shè)備的PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以考慮使用CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn)）與通信技術(shù)的組合方式，根據(jù)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，作為技術(shù)組合的啟動(dòng)與關(guān)閉指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢錯(cuò)，可以極大縮減檢錯(cuò)的時(shí)間成本，穩(wěn)定提升數(shù)據(jù)信息檢錯(cuò)準(zhǔn)確率[4]。

3? ?PROFIBUS通信技術(shù)分析

3.1 總線訪問(wèn)控制

對(duì)于PROFIBUS系統(tǒng)，其DP總線（Data Path Bus）、PA總線（Address Path Bus）均采用單一總線訪問(wèn)模式，開(kāi)展PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的相關(guān)控制，主要控制形式可以細(xì)分為令牌傳遞、主從傳遞兩種形式。在PROFIBUS運(yùn)行過(guò)程中，在每個(gè)時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)信息的站點(diǎn)具有唯一性，對(duì)于PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸具有較高標(biāo)準(zhǔn)，一般會(huì)通過(guò)令牌傳遞形式滿足訪問(wèn)控制需求。對(duì)于令牌，其僅與主站之間的通信需求有直接關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)定主站之間通信周期的方式，強(qiáng)化令牌的傳遞控制，確保各個(gè)主站可以在預(yù)先設(shè)置的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，獲取相應(yīng)的令牌，主站會(huì)在這個(gè)時(shí)間內(nèi)獲得相應(yīng)的總線訪問(wèn)權(quán)。由令牌構(gòu)成的令牌環(huán)，在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)則以各個(gè)主站中的組織鏈形式存在。在主站獲得令牌后，會(huì)向從站發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主站與從站的有效通信。利用這種令牌傳遞+主從傳遞的組合方式，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求，對(duì)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)做整合處理，以若干通信子系統(tǒng)的方式，提升PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的靈活性。

3.2 通信協(xié)議

對(duì)于PROFIBUS的物理層，可以使用RS-485物理連接形式連接，比如DP物理連接或FMS物理連接。對(duì)于RS-485，其也會(huì)通過(guò)平衡差分傳輸模式，強(qiáng)化通信協(xié)議的穩(wěn)定性?？紤]到PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境噪聲，可以通過(guò)鋪設(shè)擁有屏蔽層的雙絞電纜，對(duì)大小相同、方向相反的信號(hào)進(jìn)行傳輸，合理控制環(huán)境噪聲對(duì)于PROFIBUS信號(hào)造成的負(fù)面干擾。以RS-485物理連接形式形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單一網(wǎng)段可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)接入32臺(tái)設(shè)備，擁有1 200 m的網(wǎng)段距離，最大傳輸速率可達(dá)12 Mbps。以O(shè)SI參考模型設(shè)計(jì)的PROFIBUS數(shù)據(jù)鏈路層，可以對(duì)數(shù)據(jù)安全、傳輸協(xié)議等做有效規(guī)定，進(jìn)而對(duì)鏈路連接的構(gòu)建、拆除等行為進(jìn)行有效控制，確保PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)傳輸[5]。

4? ?PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的故障診斷

在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，應(yīng)用PROFIBUS通信技術(shù)的故障診斷可以細(xì)分為硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)兩種類型。

4.1 硬件設(shè)備診斷

對(duì)于PROFIBUS總線，其使用RS-485雙絞線進(jìn)行通信，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)DP電纜做相應(yīng)的站點(diǎn)連接處理，利用信號(hào)中繼器等硬件設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。針對(duì)底層物理線路的通信故障診斷，一般會(huì)使用硬件設(shè)備診斷工具完成。比如工作人員手持式BT200，在鋪設(shè)總線線路網(wǎng)絡(luò)、安裝站點(diǎn)期間，測(cè)試PROFIBUS線路各個(gè)位置是否保持正常連接狀態(tài)，檢查當(dāng)前應(yīng)用的站點(diǎn)端口能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定通信。一般情況下，可以通過(guò)BT200測(cè)試A線與B線是否出現(xiàn)接反問(wèn)題，或是測(cè)試Shield線路是否產(chǎn)生斷路或短路故障。也可以直接將BT200應(yīng)用到主站或從站站點(diǎn)，檢查整個(gè)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量，確認(rèn)總線網(wǎng)絡(luò)可以投入使用的站點(diǎn)數(shù)量。相比于其他硬件設(shè)備診斷工具，BT200操作難度偏低，可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試，測(cè)試結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確率，在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中安裝PROFIBUS初期發(fā)揮重要作用。除此之外，也可以考慮使用Profitrace在線診斷的硬件設(shè)備診斷工具，其主要功能是短時(shí)監(jiān)測(cè)，是針對(duì)PROFIBUS監(jiān)測(cè)物理信號(hào)、站點(diǎn)電壓等專用工具。技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際工作的需求，利用硬件設(shè)備以動(dòng)態(tài)形式顯示PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)的波形圖，從而診斷網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠癖３终９ぷ鳡顟B(tài)，并對(duì)主站當(dāng)前運(yùn)行情況做相應(yīng)的診斷處理[6]。

4.2 軟件系統(tǒng)診斷

對(duì)于PROFIBUS的軟件系統(tǒng)診斷，可以細(xì)分為系統(tǒng)功能塊與專用診斷功能塊兩種形式。可以使用S7V5.5編程軟件，利用其內(nèi)置的系統(tǒng)功能塊診斷功能，獲取PROFIBUS運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)功能塊的工作條件，分析獲取的數(shù)據(jù)信息，確認(rèn)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)各個(gè)工作環(huán)節(jié)是否保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)信息包括站點(diǎn)的當(dāng)前工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌葍?nèi)容。對(duì)于專用診斷功能塊，則是由PLC生產(chǎn)單位，向工業(yè)生產(chǎn)單位的程序開(kāi)發(fā)人員提供的功能模塊，可以對(duì)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行故障進(jìn)行有效診斷，分析PROFIBUS的運(yùn)行狀態(tài)。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

在升級(jí)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，除本文提及的幾種通信技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)用內(nèi)容外，也可以從PROFIBUS通信技術(shù)角度，對(duì)其在PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做更全面的分析。在具體應(yīng)用中，可以對(duì)工業(yè)生產(chǎn)單位當(dāng)前生產(chǎn)需求、未來(lái)發(fā)展規(guī)模等做詳細(xì)分析，結(jié)合本文理論內(nèi)容，設(shè)計(jì)一套匹配實(shí)際生產(chǎn)條件的通信技術(shù)應(yīng)用方案，確保PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效運(yùn)行，向社會(huì)輸出高品質(zhì)的工業(yè)產(chǎn)品，助力各個(gè)領(lǐng)域的穩(wěn)定發(fā)展。

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