對基于PLC自動化控制系統的通信技術分析

高專科

（陜西延長石油興化集團電氣儀表公司，陜西 興平 713100）

1 可編程控制器

PLC自動化控制系統是基于PLC技術而構建的1種控制系統。PLC 技術就是1 種利用可編程邏輯控制器進行控制的技術，其可以對內部程序進行改變，并在一定用戶的指令下對自動化系統進行控制。該技術可以進行相關邏輯運算。在邏輯運算后，系統會生成模擬控制量，進而控制相關機械設備的運轉[1]。與傳統自動化控制技術相比，PLC 技術進一步融合了微機技術和繼電器技術，同時還對這2 項技術進行了進一步的升級。PLC 技術在實際應用中，系統接線更為簡便安全，同時工作效率也更高、更安全。通常情況下PLC 技術主要由計算處理CPU、數據儲存器、電源系統、固定程序、通信模塊以及處理模塊等共同構成。此外，由于PLC 可編程控制器以數字技術為基礎，因此，其可以與網絡數字技術相結合，實現生產中的信息化控制以及統一管理，這對于保證生產的穩定有序發揮了積極的作用[2]。由此可見，PLC 技術在現代工業化生產中是自動化控制的不二選擇。

PLC 可編程控制器經過長時間的發展，已經具備了數據處理、聯網以及運算等多種功能，形成了1 種分級網絡控制系統。這其中也有現代通信技術的身影。而當前的現場總線技術正是基于信息技術與PLC 控制系統在工業企業生產各環節中的應用而發展形成的1 種技術，其安裝在生產制造的相關設備、儀表和控制性的網站空間設備之間，用以連接各節點形成1 個完整的網絡與控制系統，而基于PLC 的通信技術正是實現現場總線技術的基礎。

2 PLC 網絡通信技術分析

PLC 網絡擁有獨立的通信模塊，這是其實現數據傳輸的基礎。而不同的PLC 類型，其所使用的通信模塊是不同的。例如采用西門子S7-200 系列PLC 的生產線，其CPU 就可以同時支持點對點接口（PPI）、多點接口（MPI）、現場總線（PROFIBUS）、工業以太網（PROFINET）和自由口協議等多個不同的通信方式[3]。為了進一步分析PLC 網絡通信技術，該處主要圍繞PPI 通信技術和PROFIBUS 通信技術展開探討。

2.1 PPI 通信技術

PPI 通信技術是西門子S7-200 系列PLC 中最基礎的通信方式，其實現通信依靠的是PORT0 或PORT1 端口。這里的PPI 是指主站-從站協議。由于主、從站存在于同一令牌環網中，因此，主站通過接收令牌來獲得向其他從站發指令的權限，從而形成1 個PPI 網絡。在該協議下，主站是請求與指令的發出者，從站則是相應者。以PPI 為基礎構建的主站網絡最多可以支持32 個主站，所有主站都通過PPI 協議所管理的連接來進行與從站的通信[4]。

在同一網絡中，主站如果沒有接收令牌，則與從站一樣，也可以對其他主站進行響應。其中主站設備主要包括自帶系統的編程設備、觸摸面板以及文本現實等HMI設備。從站設備則主要有CPU 和擴展機架等。對S7-200來說，其從站由于包括CPU，因此，在用戶程序為PPI 主站模式的情況下，其從站也可以充當主站，進而獲取讀取或寫入其他CPU 數據的權限。此外，在PPI 通信技術中還有1 種更高級的PPI 協議，即在網絡設備間建立邏輯連接的協議。但該協議所支持的設備是十分有限的。在S7-200CPU 中，僅有EM277 模塊可以支持該協議。PPI的傳輸速率一般在1.2 kbps～115.2 kpbs。

PPI 在網絡組態的構建上主要以PROFIBUS 標準為基礎，以總線型拓撲為基本結構形式。實踐中，企業可以根據需求建設不同的PPI 網絡，例如單主站PPI 網絡、多主站PPI 網絡以及復雜PPI 網絡等。

此外，在PPI 網路中，因為主站讀寫信息依靠的是相關讀寫指令，所以需要對其讀寫程序進行編寫。但在實際編寫前，需要首先明確主站所發出數據的長度、數據發出的指向位置、數據發出的位置、主站接收數據長度以及讀取數據的位置等相關問題。這些數據問題的確定可以以系統工作的具體需求為依據。在這些問題確定之后，就可以進行讀寫程序的具體編寫。

2.2 PROFIBUS 通信技術

2.2.1 PROFIBUS 通信協議結構

與PPI 通信相比，PROFIBUS 即工業現場總線在當前工業自動化領域的應用更為廣泛。其屬于1 種開放性的數字通信系統，可以實現自動化系統的分散式發展。PROFIBUS通信實際上是1 種RS-485 串口通信，其協議結構主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS 以及PROFIBUS-PA 3 個子集構成，具體如圖1 所示。

其中DP 和FMS 的物理連接接口為RS-485，可采用屏蔽單對雙絞銅線A 型電纜。PROFIBUS 協議結構中各子集有以下3 個特點：1） PROFIBUS-DP 主要負責分布式系統中各設備之間的數據傳遞。DP 的應用層為工廠現場層，其通信服務主要面向PLC、自動公職設備、傳感器以及執行器，擁有較高的傳輸速度，并被用在單站或多站系統的建設中。在整個PROFIBUS 結構中，DP 的應用占比高達80%，是PROFIBUS 技術的核心所在。2） PROFIBUS-FMS 在車間級的通信上具有通用性，所以可以幫助完成各種中等傳輸速率的通信工作。基于此，PROFIBUS-FMS 可以在車間大范圍的信息交換中發揮作用，明確主站之間的通信規范，進而為車間級控制提供大范圍的中速周期性通信或非周期性通信服務。3） PROFIBUS-PA 在自動化過程中起著基礎性作用，因此常用在總線供電等場合。

2.2.2 PROFIBUS 通信參考模型

OSI 開放系統互連模型是PROFIBUS 的通信參考模型。在該模型中，FMS、DP 和PA 又各自采用不同的層與行規。

DP 采用的物理層、現場總線數據鏈路層FDI 以及用戶層，而其總線控制及數據傳輸則依靠Token-Passing 主從分時輪詢協議。

FMS 與DP 在物理層和用戶層上類似，同時由于其在現場總線鏈路層上采用報文規范，因此，它提供的通信服務更為強大。

PA 在數據鏈路層的擴展協議應用上與DP 相同，但在物理層上則采用IEC 1158-2 標準。同時，因為在物理層上存在差異，所以PA 與DP 網段間需要依靠耦合器進行連接，如圖2 所示。

2.2.3 PROFIBUS 總線訪問控制分析

在PROFIBUS 系統中，DP、FMS 和PA 都以單一總線訪問來進行相關的控制操作，同時整個系統的總線控制則涉及令牌傳遞和主從傳遞2 種不同的方式。在實際運行中，每個時刻發送數據的站點都是唯一的，同時要求系統內部必須能夠盡可能地實現實時傳輸，PROFIBUS 總線訪問控制利用令牌傳遞方式解決該問題。令牌屬于特殊報文，其應用僅面向主站間的通信，同時期在主站之間的循環周期還可以被提前設定。PROFIBUS 總線控制就是通過令牌的傳遞來保證各主站在規定時間間隔內獲取令牌，以此擁有總線訪問權。令牌環在系統中充當著各主站間的組織鏈，主、從站間的主要通信方式為主站獲得令牌后，向從站發送或索取信息。依靠該方式就可以將整個系統根據需求組態為不同形式的系統。

2.2.4 PROFIBUS 通信協議

PROFIBUS 通信協議的研究需要從物理、網絡連接以及數據鏈路層等方面進行分析。其中PROFIBUS 的物理層主要采用RS-485 物理連接的方式進行連接，例如DP 與FMS 都采用該種連接方式。同時RS-485 又采用平衡差分傳輸的方式。同時PROFIBUS 中RS-485 總線段結構中利用有屏蔽層的雙絞電纜來傳輸相同大小但方向相反的信號，該方式可以有效降低環境噪聲對信號的影響。基于該物理連接所構建出的拓撲結構，其單一網段最大可接入32 臺設備，且網段距離最高可達1 200 m。同時其傳輸速率可以在9.6 Kb/s～12 Mb/s進行自由選擇。PROFIBUS 數據鏈路層以OSI 參考模型為基礎，對總線存取控制、數據安全、傳輸協議以及報文處理等進行規定，進而建立、維持及拆除鏈路連接，最終保證傳輸的準確性。

圖1 PROFIBUS 協議結構

圖2 PA 與DP 網段連接圖

3 基于PROFIBUS 的系統故障診斷

3.1 硬件診斷方式

PROFIBUS 總線的物理層采用RS-485 雙絞線作為通信介質；釆用標準DP 電纜進行站點連接；網絡擴展使用信號中繼器、網關或鏈接模塊等設備。基于底層物理線路的通信診斷通常采用硬件診斷工具進行工作。

3.1.1 BT200硬件測試

BT200 為手持式測試設備，在總線系統線路網絡安裝鋪設和站點安裝階段，可以用它來測試PROFIBUS 線路的連接是否正確、所用站點端口的通信是否正常。BT200 主要用來測試A、B 以及Shield 線路是否出現斷路短路或AB 線接反的情況，也可以對帶電的主站或從站站點進行RS-485 通信口、通信質量以及總線網絡可用站點數量的檢測等。

BT200 診斷工具具有電池供電、操作簡單以及測試快速準確的優勢，是PROFIBUS 系統初期安裝階段不可或缺的工具。

3.1.2 Profitrace 在線診斷

Profitrace 為PROFIBUS 系統短時在線監測設備，是PROFIBUS 總線系統進行物理信號監測、報文捕捉、站點電壓監測、網絡線路拓撲診斷的專用工具，可實現捕捉總線報文、動態顯示信號的波形圖、實時顯示通信站點的端口電壓、網絡拓撲診斷、主站診斷等主要診斷功能。

3.2 軟件診斷方式

3.2.1 系統功能塊診斷

為了能夠檢測和獲取PROFIBUS 總線系統運行的信息，S7V5.5 編程軟件提供了多個系統信息功能塊和系統數據處理功能塊。通過對這些功能塊的條件引用及數據分析，可獲得大量且內容詳細的系統信息。這些信息包括各個站點的工作狀態、故障時故障信息、網絡拓撲信息、主站診斷緩沖區的診斷信息等。

3.2.2 專用診斷功能塊診斷

FB125和FB126診斷功能是西門子提供給S7-300/400PLC程序開發者用于診斷總線系統故障及獲取總線系統運行狀態的功能塊。FB125/FB126 是封裝多個診斷功能的智能系統診斷功能塊，可提供詳細的系統信息、系統診斷信息、網絡架構信息、總線診斷模塊診斷信息、診斷報文信息等。合理而有效地使用FB125/FB126，可以多用途、多層次、多角度地診斷總線系統。EB126 包含FB125 功能。FB125 是針對PROFIBUS 系統的診斷功能塊，FB126 在此基礎上還可診斷ProfinetI/O 系統。

4 結語

通過上述分析可以發現基于PLC 自動化控制系統的通信技術在現代社會已經取得巨大發展，現場總線通信方式的出現，更是為工業自動化增添了更強勁發展動力。在實踐中，PROFIBUS 通信技術的優勢無疑更為突出，其能夠完成工業現場更多操作的訪問與控制。因此在新通信系統研究與應用中，不但要基于此項進行創新設計，更要采用多種故障診斷模式，以使其在現代工業自動化中發揮更大作用。