PLC網絡通訊系統的研究與應用

焦英偉

【摘 要】以太網和通信技術的飛速發展，工業以太網技術也有了長足的進步，它已經漸漸的融入到PLC系統的各個通訊領域中。本文對PLC網絡通訊系統進行了分析。介紹了以太網技術引入到PLC控制系統后所帶來的優點。研究探討工業以太網從冗余系統到以太環網的發展歷程。并介紹了本公司的所使用的PLC以太環網。

【關鍵詞】PLC 以太網 冗余 環形網

【中圖分類號】S972.7+6【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0080-01

1、前言

好多年前工業自動化應用主要關注的是控制技術，工程師們主要依靠電力繼電器來發展自動化應用。然而，經濟的增長要求那些關心控制技術發展的工程師增加對大規模產品和質量的更高程度的關心。作為被關注的這個變化中的一部分，開發出了不可編程的邏輯控制器。但是自動化工程師們很快發現，這些設備的不可編程特性，給設計真正的自動化系統帶來了難處。因為這個，就發明了PLC，PLC被設計為獨立進行操作，但是它同時還提供了一個控制端口，來與計算機進行連接和配置。從PLC的歷史可以看出，自動化的發展更關注的是控制技術，而不是通訊技術。

2、通訊網絡的引入

在最近的十幾年中，各種PLC系統的規模越來越大，為了更好的使用這些PLC自動化系統從而應用了不同的通訊技術，比如Fieldbus，Ethernet和Profibus。工程師們開始考慮將所有的設備連接到一個平臺下的方案，這樣就可以直接從所有的設備收集信息，而不需要協議之間的轉換。從這個道理來看，通訊和網絡成為未來自動化發展的最重要的部分。將設備網絡化帶來了眾多的好處，它增加了數據分析，性價比，提高了通訊的質量，大幅度的增加了生產力。時下的網絡中Ethernet是目前最為流行的網絡技術，其在PLC網絡通訊系統中的應用也非常廣泛。

3、工業以太網的眾多優點

首先，很多的工程師對以太網都比較熟悉，這樣他們就不需要花費額外的時間來學習新技術。其次，以太網的協同工作能力可以方便的與商業應用進行連接，如ERP和CIM，可以跨越距離通過廣域網來進行遠程控制。再次，利用不同的媒介，比如無線，光纖，交換機，可以實現以太網的冗余應用。最后，以太網的帶寬未來將可以從10M達到10G。有了上面這些好處，控制工程師將會樂意采用以太網技術來進行他們的自動化應用，通過以太網來連接他們的PLC。在自動化技術中采用以太網技術的趨勢被稱作“工業以太網”。

4、典型的工業以太網

典型應用以太網的拓撲網絡是星形拓撲：

圖1

從圖1我們可以看到，PLC直接與工業以太網交換機相連接。交換機提供了可靠的控制網絡，特別是他們的堅固的設計，無風扇特性和高MTBF來確保連續的操作。

此外，如果需要更加可靠的媒介連接，我們可以建立雙星形網絡拓撲來實現媒介的冗余，如圖2所示：

這種雙星形冗余網絡提高了整個系統的安全性，減少了各個PLC之間的通訊故障率。

5、帶冗余的以太環網

盡管在雙星形冗余網絡系統有了媒介冗余，特別是使用了光纖之后，費用將會更多。為了解決這個兩難的局面，環形拓撲就出現了。如圖3所示為單環PLC以太網：

圖3

單環拓撲為系統提供了冗余，并且隔離了通訊的錯誤。在使用工業以太網交換機時，以太冗余環網將自動的修復連接。這種類型的基礎構架性價比更高，但是卻與雙星形拓撲網絡有著同樣效果的媒介冗余。此外，它的恢復時間少于1秒，這為網絡的穩定性提供了保障。

6、最高級別的冗余系統

圖4

圖4中我們為PLC應用建立一個最高級別可靠性的冗余系統，即雙環冗余PLC系統。在工業以太網應用中，最重要的是網絡的可靠性。控制工程師們可以通過雙環網上的RJ45端口來將設備連接到兩個獨立的環上，從而建立個雙環網實現最高級別的冗余，來同時提供服務器的冗余，媒介的冗余和設備的冗余。

7、PLC冗余系統在我公司的應用

我公司是高速線材的生產企業，采用了西門子的S7-400加S7-300遠程的PLC。其中有最主要的三個400型PLC負責主要數據運算，每個400型PLC借助Prifibus-DP網連接到遠程300型PLC。三個400型PLC通過單環冗余系統連接，借助交換機和服務器組成穩定的網絡拓撲。三個PLC每天24小時不停的進行數據交換和程序控制，由于冗余和環形網的存在，很好的保證了系統的穩定性。系統從投入運行后故障率很低，大大的保證了我公司的生產作業率。