基于Profibus實(shí)現(xiàn)netLINK網(wǎng)關(guān)與PLC的通訊

宋婉貞，田洪濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

作為一臺(tái)生產(chǎn)線上運(yùn)行的設(shè)備而言，如果只有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，將無(wú)法對(duì)生產(chǎn)工藝中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保存。在不失運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的同時(shí)，采用穩(wěn)定的總線平臺(tái)、合理的通訊接口和通訊方式，為設(shè)備配備上位機(jī)，將會(huì)使設(shè)備具有更加便捷的操作性以及穩(wěn)定性。以下是我們本次實(shí)驗(yàn)各種接口、平臺(tái)的選型以及具體通訊方法的實(shí)現(xiàn)。

1 Profibus控制系統(tǒng)的選型

Profibus總線是由西門子公司提出并極力倡導(dǎo)，己先后成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)din19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50170，是一種開(kāi)放而獨(dú)立的總線標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率從9.6 kB/s到12 MB/s，傳輸距離從1 200 m到l00 m。在機(jī)械制造、工業(yè)過(guò)程控制、智能建筑中充當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)。profibus是一種比較成熟的總線，在工程上的應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否具備Profibus接口可分為3種形式：

(1)總線接口型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不具備Profibus接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)初期容易推廣。如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能分組，組內(nèi)設(shè)備相對(duì)集中，這種模式會(huì)更好地發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

(2)單一總線型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具備Profibus接口。這是一種理想情況。可使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進(jìn)技術(shù)所帶來(lái)的的利益。新建項(xiàng)目若能具有這種條件，就目前來(lái)看，這種方案設(shè)備成本會(huì)較高。

(3)混合型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分具備Profibus接口。這將是一種相當(dāng)普遍的情況。這時(shí)應(yīng)采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加分散式I/O混合使用的辦法。無(wú)論是舊設(shè)備改造還是新建項(xiàng)目，希望全部使用具備Profibus接口現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的場(chǎng)合可能不多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，是一種靈活的集成方案。

我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是速率快、穩(wěn)定性高的混合型Profibus總線，這將為上位機(jī)與PLC通訊提供最適合的底層平臺(tái)。

2 計(jì)算機(jī)與PLC通訊方式的選型

為了適應(yīng)PLC網(wǎng)絡(luò)化要求和外界控制需求，幾乎所有的可編程控制器都被開(kāi)發(fā)了與上位機(jī)通訊的接口或?qū)Ｓ猛ㄓ嵞K。可編程控制器與計(jì)算機(jī)之間的通訊正是通過(guò)可編程控制器上的RS422或RS232C接口和計(jì)算機(jī)上的RS232C接口進(jìn)行的。可編程控制器與計(jì)算機(jī)之間的信息交換方式，一般采用字符串、雙工或半、異步、串行通信方式。因此可以說(shuō)，凡具有RS232C口并能輸入輸出字符串的計(jì)算機(jī)都可以用于和可編程控制器的通訊。運(yùn)用RS232C和RS422通道，可配置一個(gè)與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的系統(tǒng)。該系統(tǒng)中可編程控制器接受控制系統(tǒng)中的各種控制信息，分析處理后轉(zhuǎn)化為可編程控制器中軟元件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。可編程控制器又將所有軟元件的數(shù)據(jù)和狀態(tài)送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)采集這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，用計(jì)算機(jī)可改變可編程控制器的初始值和設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)可編程控制器的直接控制。

面對(duì)眾多生產(chǎn)廠家的各種類型PLC，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，能夠滿足用戶的各種需求。目前，人們主要采用以下幾種方式實(shí)現(xiàn)PLC與PC的互聯(lián)通信：

(1)通過(guò)使用PLC開(kāi)發(fā)商提供的系統(tǒng)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)適配器，來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)的互聯(lián)通信。但是由于其通信協(xié)議是不公開(kāi)的，因此互聯(lián)通信必須使用PLC開(kāi)發(fā)商提供的上位機(jī)組態(tài)軟件，并采用支持相應(yīng)協(xié)議的外設(shè)。可以說(shuō)這種方式是PLC開(kāi)發(fā)商為自己的產(chǎn)品量身定作的，因此難以滿足不同用戶的需求。

(2)使用目前通用的上位機(jī)組態(tài)軟件，如組態(tài)王、InTouch、WinCC、力控等，來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)的互連通信。組態(tài)軟件以其功能強(qiáng)大、界面友好、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)在PC監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是一般價(jià)格比較昂貴。組態(tài)軟件本身并不具備直接訪問(wèn)PLC寄存器或其它智能儀表的能力，必須借助I/O驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，I/O驅(qū)動(dòng)程序是組態(tài)軟件與PLC或其它智能儀表等設(shè)備交互信息的橋梁，負(fù)責(zé)從設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將操作命令下達(dá)給設(shè)備，它的可靠性將直接影響組態(tài)軟件的性能。但是在大多數(shù)情況下，I/O驅(qū)動(dòng)程序是與設(shè)備相關(guān)的，即針對(duì)某種PLC的驅(qū)動(dòng)程序不能驅(qū)動(dòng)其它種類的PLC，因此組態(tài)軟件的靈活性也受到了一定的限制。

(3)利用PLC廠商所提供的標(biāo)準(zhǔn)通信端口和由用戶自定義的自由口通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)的互連通信。這種方式由用戶定義通信協(xié)議，不需要增加投資，靈活性好，特別適合于小規(guī)模的控制系統(tǒng)。

(4)借助其他輔助工具進(jìn)行通訊，我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用的是netLINK網(wǎng)關(guān)，netLINK擁有唯一的MPI地址，因此當(dāng)PLC的MPI口已經(jīng)連接了觸摸屏，netLINK仍然可以通過(guò)MPI口進(jìn)行通訊。netLINK提供公開(kāi)的底層通訊庫(kù)，可以將西門子的PPI協(xié)議、MPI協(xié)議Profibus-FDL協(xié)議轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)協(xié)議，換句話說(shuō)，netLINK既可以取代PLC傳統(tǒng)的編程電纜和編程方式，可以成為PLC產(chǎn)品編程的又一解決方案。同時(shí)netLINK還支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊，采用無(wú)線路由器，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線監(jiān)控，減少?gòu)?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)布線。

以上幾種普遍的通訊方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們綜合以上幾種通訊方式，借助我們良好穩(wěn)定的底層Profibus總線接口平臺(tái)，利用netLINK網(wǎng)關(guān)，掌握PLC廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)通信端口和自由口通信方式以及編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC之間的實(shí)時(shí)通信。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

3 上層軟件具體實(shí)現(xiàn)方法

利用此種工作方式，上位機(jī)除了與PLC進(jìn)行的通訊，各種復(fù)雜的算法和各種繁瑣的數(shù)據(jù)都可以在上位機(jī)上進(jìn)行計(jì)算和保存，將提高算法的正確性和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。我們可以通過(guò)netLINK提供的接口函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行二次封裝，細(xì)化到對(duì)PLC內(nèi)部的各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行讀寫操作，甚至細(xì)化到各個(gè)數(shù)據(jù)位，最大限度的對(duì)應(yīng)用層提供最方便的函數(shù)。

具體封裝接口函數(shù)和設(shè)置參數(shù)如下：

netLINK網(wǎng)關(guān)消息頭是數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤幔_的設(shè)置不僅能夠有效地傳遞數(shù)據(jù)，而且能偶提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫约肮ぷ餍省etLINK網(wǎng)關(guān)消息頭的設(shè)置如表1所示，消息擴(kuò)展信息中包含了所有要編輯和已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)，具體設(shè)置如表2。

表1 netLINK網(wǎng)關(guān)消息頭的設(shè)置

表2 netLINK網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展信息的設(shè)置

根據(jù)以上設(shè)置，我們封裝出了自己的接口函數(shù)（見(jiàn)表 3）。

表3 函數(shù)表

應(yīng)用以上函數(shù)，即可運(yùn)用編程語(yǔ)言，對(duì)PLC各個(gè)區(qū)域的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫訪問(wèn)了。這種通訊方案有效地利用了Profibus混合型現(xiàn)場(chǎng)總線的靈活、多功能的特性，在通訊上最大限度地優(yōu)化了上層軟件對(duì)命令的應(yīng)用過(guò)程，此種通訊方式支持市面上絕大多數(shù)PLC與上位機(jī)的通訊，達(dá)到了對(duì)設(shè)備的有效、穩(wěn)定控制。發(fā)揮上位機(jī)操作設(shè)備良好的穩(wěn)定性和便捷性。

[1]西門子公司.西門子PLC編程手冊(cè)[M].2007，28(5):866-892.

[2]赫優(yōu)訊公司.netLINK網(wǎng)關(guān)說(shuō)明手冊(cè)[M]2010，25(1):13-54.

[3]田宗憲.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制類別[M].北京:中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，2005.

[4]網(wǎng)絡(luò)資源.中國(guó)Plc論壇[C].http://www.plcbbbs.com，2002-02-21.