基于最優同變估計的PLC工業控制網絡

張斌

摘 要：本文提出基于最優同變估計的PLC工業控制網絡的最優同變估計解決方案，實例驗證MODBUS/TCP工業以太網和EPA工業以太網集成PLC現場總線。依據電力設備故障診斷系統的需求，實例驗證基于工業以太網和PLC現場總線的嵌入式數據采集與故障診斷系統的設計方案。

關鍵詞：工業以太網 PLC現場總線 網絡集成

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0086-02

近幾年工業控制網絡是最新發展形成的自動控制領域的網絡技術，它是計算機網絡、通信與自動控制技術相結合的產物。隨著自動控制、計算機、通信網絡等技術的發展，企業信息集成系統也在快速增長，為了適應企業管理和控制應用的集成將涵蓋從現場控制監控市場、各級管理層次、采購原料、生產加工的各個方面，一直延伸到成品的儲運銷售，甚至世界各地市場的供需鏈的整個過程中[1-2]。企業信息系統的開發對開放式的工業數據通信，底層控制網絡的功能和性能都提出了更高的要求。這也是PLC現場總線在國內應用較少的一個重要原因[3]。盡管PLC現場總線發展多年，但從經濟、安全與現有的DCS或PLC相比，沒有明顯的優勢，因此PLC現場總線系統目前應用集中在小的系統和舊系統改造上較多。這導致了一方面，小系統一般不加入管理自動化和遠程診斷功能，不能發揮PLC現場總線系統功能，減少了運行和維護成本的優點；另一方面，大系統或關鍵系統在小型系統不能被反射的問題，PLC現場總線優勢不能充分體現，這也阻礙了PLC現場總線的發展[4]。

1 基于最優同變估計的PLC工業控制網絡的系統架構設計

在圖1所示的工業以太網PLC現場總線系統的集成架構。該架構是基于流行的嵌入式平臺上，主要使用ARM和x86的嵌入式系統的硬件平臺，嵌入式硬件平臺，研究了MODBUS楊磷、環保局、MODBUS、INTERBUS、PROFIBUS和其他工業以太網和PLC現場總線技術。

該平臺分為三層。支持工業以太網或PLC現場總線的智能I/O設備組成設備層。目前這款智能I/O設備已經在工業領域非常流行，較多地應用于工業現場。通過不同的網絡協議轉換網關實現設備層的不同網絡，這樣的設備也比較受歡迎，而且還可以自己開發。控制層由一個基于控制器的嵌入式平臺構成。控制器通過工業以太網PLC現場總線與現場設備通信，或通過工業以太網設備與監控層面進行交流，主要用于數據采集，數據處理，狀態監視和網絡通信等功能。操作站、工程師站、Web服務器和數據庫服務器等組成監控層，主要完成現場設備、數據存儲、Web發布等功能的操作與監控。

2 應用程序

嵌入式數據采集和故障診斷平臺作為例，研究工業以太網集成PLC現場總線的具體實現。對于大型汽輪發電機組的電力設備，實現了電廠主機和輔機的數據采集和故障診斷。

本系統廣泛采用自動化技術，計算機技術，網絡通信技術，嵌入式技術和互聯網技術，它是在PLC現場總線、工業以太網和Interact基礎上的應用系統。MODBUS/TCP工業以太網和PLC現場總線的MODBUS可以實現無縫集成，但MODBUS/TCP協議采用TCP/端口的數據包的校驗機制，而不是使用MODBUS的CRC或LRC校驗機制。MODBUS的綜合通信網絡監控系統可以分為監控層和設備層兩個部分，通信網絡由MODBUSPLC現場總線網絡和MODBUS/TCP工業以太網兩部分組成，這兩層網絡通過協議轉換網關連接。圖1所示的系統結構。圖中工程師站、操作站等由PC機作為監控層計算機監控整個網絡。Modbus/TCP協議轉換網關和現場設備的嵌入式系統中實現。

如圖1所示，混合網絡有支持MODBUS/TCP協議數據的設備節點，也有Modbus和Modbus/TCP協議轉換網關。

支持MODBUS/TCP協議的數據采集節點包括：信號采集、數據處理和數據傳輸三部分，在某些情況下還需要有數據顯示功能。嵌入式數據采集系統以Philips公司的LPC2220微控制器為主控芯片進行硬件設計。LPC2220微控制器是基于支持實時仿真和嵌入跟蹤的32位ARM內核，采用144腳封裝，功耗極低，有多個32位定時器，8路10位ADC，PWM輸出以及9個外部中斷管腳。它適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和電子收款機（POS）等。通過配置總線，最多可提供76個GPIO。

3 結語

本文提出一個工業以太網集成PLC現場總線的嵌入式系統架構設計方案，該方案采用工業以太網和PLC現場總線混合網絡的方法，適用于各種工業應用，設計了多種工業以太網集成PLC現場總線的應用，以及直接利用工業以太網或PLC現場總線的應用方案。

參考文獻

[1] F Dopatka，R Wismüller.Achieving realtime capabilities in Ethernet networks by edge-coloring of communication conflict-multigraphs[A].International Conference on Parallel and Distributed Computing and Networks[C].2006：180-185.

[2] M Felser.Real Time Ethernet industry prospective[J].Proc. of the IEEE，2005，93（6）：1118-1128.

[3] I Holyer.The NP-completeness of edge-coloring[J].SIAM Journal on Computing，1981，10（4）：718-720.endprint