西門子PLC控制網絡的配置策略與應用

趙良皓，隋起先，李 強

（天津鞍鋼天鐵冷軋薄板有限公司，天津300400）

0 引言

隨著社會的不斷發展，自動化控制在生產生活中的應用越來越廣泛，PLC控制系統由于具有抗干擾能力強、穩定可靠性高、故障率低等優點，在工業生產中具有非常重要的應用價值。西門子PLC控制系統是一種較為常用的PLC控制系統，在實際應用中，為使系統發揮作用，需要對控制網絡進行合理配置。

1 西門子PLC控制網絡的配置策略

1.1 通訊接口

在西門子PLC控制網絡中，主要包括兩種通訊接口的方式，分別是模塊處理器和PG/PC通信卡。在系統中，模塊處理器通過和PLC的一側連接來進行工作。這種接口方式的特點在于其具有智能性，能夠使PLC自動接入到相匹配的網絡之中。通過這樣的方式能夠使PLC的功能得到充分發揮。同時，模塊處理器還具有一些功能上的特性，這就使得其能夠通過自身來解決一些問題，而不是過分地依賴于CPU，間接地減輕了CPU的工作壓力。目前，模塊處理器有多種不同類型，在功能特性上也存在一定差異，各具特點。西門子S7-200系列模塊處理器特點為，它有 PPI（point to point interface，PPI）和MPI（multi-point interface，MPI）兩個專門負責通信聯絡信號的接口。PG/PC通信卡能夠使PG/PC設備和與之相對應的網絡進行連接，一般在PLC主機上都設有專門進行PG/PC通信卡連接的接口。PG/PC接口能夠協助一些未設微處理器的設備來進行相應的連接工作，從而使設備的功能得到充分發揮。

1.2 網絡類型

西門子PLC中具有很多不同的網絡類型，功能各有差別，優缺點也不盡相同。設計這些不同網絡類型的目的是滿足不同層次控制網絡的實際需求。目前，可以將控制網絡分為符合國際標準的通訊網絡和西門子公司自行開發的專用通信網絡這兩類。前者包括工業以太網（indust rial ethernet）、傳感器-執行器接口（AS-i）和Profibus；后者包括了點對點接口（point to point connections）、MPI和 PPI。下面對這幾種不同的網絡類型進行介紹。

（1）點對點接口。其主要特點是可以讓用戶根據自身需求來進行通訊協議的定義，從而使S7-400和S7-300系列的PLC能夠和上位機、控制器等其它等通訊協議公開的設備進行通訊。

（2）PPI網絡。它是作為S7-200的通信協議而設計開發的，可以應用普通的雙芯屏蔽雙絞電纜來完成網絡的連接，主要特點是遵循主-從協議，即從站只能根據主站發出的要求而做出響應信息，而不能夠主動地進行信息的發送。

（3）MPI網絡。MPI其實是一種令牌網絡通訊協議，是基于西門子的內部標準來進行開發設計的。MPI通訊協議應用RS-485作為物理層，使其最大傳輸速率能夠接近12 Mb/s。通過MPI網絡能夠使PLC同時連接多個通訊對象，如計算機、人機界面等，而同時進行連接的對象數量是由CPU的類型來決定的。

（4）Profibus網絡。Profibus是種符合國際標準的通訊網絡，主要應用于生產車間的監控以及現場的指揮方面，其與MPI網絡都采用RS-485作為物理層，因此其最大傳輸速率也和MPI網絡相同。Profibus網絡具有開放性的特點，因此廠商可以根據自身需求在Profibus協議下進行產品的開發，并且將其連接到同一Profibus網絡來進行通訊，從而更好地適應現場的實際需求。Profibus的協議結構如圖1所示。

圖1 Profibus的協議結構

（5）工業以太網。其是為了滿足工業需求而專門設計的通訊網絡，工作原理是在ISO和TCP/IP的通訊協議之下，使用同軸電纜、光纜和雙絞線等實現互相間的通訊，其具有的一個重要特點是能夠支持廣域的開放型網絡模型。

（6）（AS-i）。這是一種符合國家和歐洲標準的接口，這種網絡類型是應用于網絡控制最低層的，具有比較簡單的特點，只能進行少量數據的傳輸。

1.3 傳輸介質

PLC控制網絡中存在多樣化的傳輸介質，在材料和性能上都有所差別，在實際工作中往往不是應用單獨的傳輸介質，而是使用不同介質的組合，使這些介質充分發揮各自的功能和特性，促進PLC控制網絡效率的提升。例如，在Profibus-DP網絡的實際應用過程中應用了多種傳輸的介質。無線短距離傳輸主要依靠紅外線的導向作用來實現，光纖材料傳輸是目前主要的網絡數據傳輸的方式，光纖材料具有優良的特性，能夠實現遠距離、高速率的傳輸，不僅能應用于短距離傳輸中，也可以應用于長距離的傳輸中。電氣數據的傳輸方式是通過具有屏蔽作用的雙絞線電纜和地下電纜的相互配合來實現的。

1.4 通訊能力

在西門子網絡控制系統之中，能夠實現S5兼容通訊、S7基本通訊、標準通訊以及OP通訊等通訊功能。這些通訊接口的主要功能和實現方式各不相同，如S7通訊的特點是能夠提供簡單、功能強大的通訊任務，在實現方式上，其可以通過MPI、Profibus以及工業以太網等來實現。由于這些通訊接口在功能上的差異性，因此在實際應用過程中需要根據實際情況來解決具體問題。

2 西門子PLC控制網絡配置的具體應用

鋼鐵企業生產過程中涉及到很多對象，其中包含許多需要進行控制的對象，如拉矯機、工作輥和索尼磁尺等在軋鋼生產過程中應用的重要設備。由于生產過程中需要控制的設備種類較多，在功能上差別較大，因此鋼鐵企業在進行控制時面臨的難度較大，加之需要傳輸的數據量非常大，因此在選擇西門子PLC控制網絡的類型時，最好能和國家標準相適應。綜合上述條件，選擇Profibus網絡是較為適合的，其能夠在鋼鐵生產過程中起到較好的控制效果，保證鋼鐵生產的正常進行。

在完成網絡類型的選擇之后，企業需要對自身的狀況進行評估，根據設備在生產車間中的實際位置進行控制系統的劃分，確定出多個PLC控制站，保證數據通訊能夠正常運行，不同點之間的數據通信都能夠利用連鎖控制技術來完成，從而實現正常的生產。除了上述工作外，還需要進行Profuse-DP網絡數據鏈路層中數據存儲方式的選擇。Profuse-DP網絡在現場鏈路層中包含了令牌總線方式和混合方式兩種方式，前者能夠通過令牌將數據信息傳送到總站上，然后總站在收到信息之后能夠向主站獲取信息或者進行信息的發送，而從站卻不具備索取信息的功能，其只能被動的反應或者向總站進行信息的發送，這就導致了信息的傳輸工作難以保證其穩定性和準確性。為了解決這一問題，需要對控制站進行重新的設置，將所有的控制站都設置成主戰，從而實現信息在控制系統內部的自由交換，保證信息傳送的準確性和高效性。

在鋼鐵企業生產過程中工藝流程較長，每個主站所控制的設備距離其自身都有較長的距離，并且還具有分散性的問題，為了有效的節約成本，減少昂貴的信號線的使用并保證系統的可靠性，在主站的選擇時選用S7-400，s7-300系列 PLC，這一類型的主站集成的Profibus-DP能夠作為主站，而且形成下一級的Profibus-DP子網，此在遠程I/O從站的選用上可以使用ET200M。按照上述方式完成Profibus-DP控制網絡拓撲結構的構建，如圖2所示。

圖2 Profibus控制網絡拓撲結構

通過從整體角度對西門子PLC控制網絡進行分析，可以發現：整個控制網絡從本質上是由兩級子網結構組成的，其中處于底層的子網作用是進行通訊服務，保證主站和遠程從站之間的通訊服務，從而使信息能夠合理地進行傳遞。而位于頂層的頂層Profibus-DP子網的主要功能是為上位機和PLC主站提供相應的通訊服務。此外，在不同的主站和上位機之間的數據傳輸量非常大，為保證數據傳輸的準確性以及運行的合理性，最好應用多協議混合模式來對運行進行操作。

3 結語

通過對鋼鐵企業的生產情況進行長時間的研究可以發現，在應用西門子PLC控制網絡后，其生產效率和自動化控制水平方面均得到極大提升，有效地降低了企業的生產成本，使企業獲得了更多的經濟效益。從中可以看出，合理的應用和配置PLC控制網絡有助于促進工業生產的自動化，提高企業的經濟效益，促進工業領域的健康發展。