基于PLC自動化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)探究①

謝玉川

摘要：隨著科學技術(shù)水平的提高，PLC自動化控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，為實現(xiàn)各個設(shè)備的有效控制，需要做好通信技術(shù)設(shè)計。基于此，本文探究PLC自動化控制系統(tǒng)中通信技術(shù)的先進意義，重點探究該系統(tǒng)中的通信技術(shù)，以供相關(guān)工作參考。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù);PLC技術(shù);自動化控制系統(tǒng)

引言：目前，隨著自動化控制領(lǐng)域的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用PLC自動化控制系統(tǒng)，而通信技術(shù)作為該系統(tǒng)實現(xiàn)和運作的關(guān)鍵，直接影響整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。因此，為提高整體生產(chǎn)效率，實現(xiàn)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的緊密連接，探究該系統(tǒng)中的通信技術(shù)是必要的。

1.探討PLC自動化控制系統(tǒng)中的通信技術(shù)的先進意義

從當前工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀來看，相較于以往，其規(guī)?；?、機械化和自動化水平得到極大提高，其中，PLC自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮了不可替代的作用。該系統(tǒng)覆蓋工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)了物資的合理分配以及故障的及時檢測與處理，極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)效率與效果。通信技術(shù)作為PLC自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)運作過程中發(fā)揮著極大的作用，可以說，通信技術(shù)是PLC自動化控制系統(tǒng)有序運作的基礎(chǔ)。因此，應(yīng)探究該系統(tǒng)中的通信技術(shù)，不斷優(yōu)化技術(shù)使用，提高信息流通準確性，并為相關(guān)工作人員和工作提供技術(shù)支持，實現(xiàn)自行調(diào)控，進一步提高工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平[1]。

2.探究以PLC自動化控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的通信技術(shù)

2.1 PPI通信技術(shù)

所謂PPI通信技術(shù)，指的是目前PLC自動化控制系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)的一種通信方式，通過PORT0/1端口就能夠?qū)崿F(xiàn)通信。在該通信技術(shù)中，主站-從站協(xié)議就是PPI，由于二者存在于統(tǒng)一令牌環(huán)網(wǎng)中，所以，通過進行令牌的接收，主站就能夠獲得發(fā)送指令的權(quán)限，形成PPI網(wǎng)絡(luò)。因此，在PPI通信技術(shù)的應(yīng)用下，指令與請求的發(fā)出者就是主站，響應(yīng)者為從站，通過將PPI作為構(gòu)建主站網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，可以是該系統(tǒng)支持32個主站，并與從站進行友好通信。如果主站在與從站處于同一網(wǎng)絡(luò)但沒有接收令牌時，那么主站也可以響應(yīng)其他主站。從目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，編程設(shè)備、HMI設(shè)備以及觸摸面板等是構(gòu)成主站的主要設(shè)備，其中，編程設(shè)備指代系統(tǒng)，而擴展機架和CPU則是構(gòu)成從站的主要設(shè)備。對于西門子S7-200而言，在從站具有CPU的情況下，從站在某些時刻也可以發(fā)揮主站的作用，例如讀取或?qū)懭胂嚓P(guān)數(shù)據(jù)。除此之外，在該通信技術(shù)中還具有一種更高級的PPI協(xié)議，該協(xié)議將邏輯建立在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間，但是值得注意的是，該協(xié)議對設(shè)備具有較高要求，即不支持過多設(shè)備。

在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的構(gòu)建方面，PPI通信技術(shù)的基礎(chǔ)是PROFIBUS標準，基本結(jié)構(gòu)形式為總線型拓撲，為此，在該通信技術(shù)實際使用過程中，企業(yè)可以通過結(jié)合自身需求進行差異化PPI網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，比如復雜系數(shù)較高的PPI網(wǎng)絡(luò)，或是單主站PPI網(wǎng)絡(luò)等。除此之外，由于主站讀寫信息功能的實現(xiàn)是依靠讀寫指令，所以，在PPI網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)自身需要編寫讀寫程序。編寫前，需要掌握該要點，即掌握主站數(shù)據(jù)發(fā)出長度、位置、指向位置、數(shù)據(jù)接收長度、數(shù)據(jù)讀寫位置等，以此為基礎(chǔ)編寫讀寫程序[2]。

2.2 PROFIBUS技術(shù)

PROFIBUS通信技術(shù)整體應(yīng)用場景更加廣泛，所謂PROFIBUS，主要是指工業(yè)現(xiàn)場總線，是一種開放性數(shù)字通信系統(tǒng)，相較于PPI通信技術(shù)，PROFIBUS通信技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用可是實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的分散式發(fā)展。

首先，該通信技術(shù)的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)。該通信技術(shù)架構(gòu)為：RS-485窗口通信，協(xié)議結(jié)構(gòu)由三個子集組成，分別為PROFIBUS-FMS/DP/PA。其中，由于PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP的接口為物理連接，所以采用的電纜類型為單對雙絞銅線A型電纜。由于該技術(shù)由此組成，所以在協(xié)議結(jié)構(gòu)下，不同子集發(fā)揮的不同的功能作用，具體而言：首先是PROFIBUS-DP，作為技術(shù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層，是該通信技術(shù)的核心，應(yīng)用占比超80%。面向的主要對象包括傳感器、PLC系統(tǒng)以及執(zhí)行器等，傳輸速度較高。其次是PROFIBUS-FMS，其主要負責中等傳輸速率的通信工作，所以應(yīng)用場景多為車間級通信，為相關(guān)設(shè)備和人員提供中速周期性和非周期性的大范圍通信服務(wù)。最后是PROFIBUS-PA，該層次主要發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，應(yīng)用場景為總線供電相關(guān)場合。

其次，該通信協(xié)議的通信參考模型。PROFIBUS通信技術(shù)的通信參考模型為OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)模型，在該模型中，PROFIBUS通信技術(shù)子集具有不同的層與行規(guī)。比如，PROFIBUS-DP所采用的是用戶層、現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層FDI以及物理層，Token-Passing主從分時輪詢協(xié)議是各項信息數(shù)據(jù)傳輸和總線控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。而PROFIBUS-FMS與PROFIBUS-DP在用戶層和物理層上較為相似，但是因為該子集負責的功能作用不同，其現(xiàn)場總線鏈路層上采用了報文規(guī)范，因此，相較于PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS提供的通信服務(wù)功能更為強大。最后，PROFIBUS-PA在數(shù)據(jù)鏈路層擴展協(xié)議應(yīng)用方面與PROFIBUS-DP相同，但其物理層使用了IEC 1158-2標準，并使用耦合器將PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP網(wǎng)段進行連接。

另外，PROFIBUS通信技術(shù)的總線訪問控制分析。在PROFIBUS通信技術(shù)系統(tǒng)中，無論是PROFIBUS-DP還是PROFIBUS-PA，亦或是PROFIBUS-FMS，控制操作的實現(xiàn)均以單一總線訪問方式進行，但是涉及主從、令牌傳遞相關(guān)操作，系統(tǒng)總線控制共有兩種方式。在該技術(shù)系統(tǒng)實際運作過程中，數(shù)據(jù)發(fā)送站點有且只有一個，外加相關(guān)工作和人員對數(shù)據(jù)傳輸提出的實時傳輸要求，在該情況下，令牌傳遞方式成為該通信技術(shù)總線訪問控制的主要方式。相較于主從傳遞，令牌傳遞屬于特殊報文，其應(yīng)用范圍不大，僅復雜主站之間的通信，若是處于主站之間的循環(huán)周期，相關(guān)工作人員還可以提前對其進行設(shè)定，從而滿足通信需求。簡單來說，通過令牌的傳遞，PROFIBUS總線控制能夠在規(guī)定時間間隔內(nèi)獲取令牌，從而獲得總線訪問權(quán)，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的發(fā)送和索取，并將整個系統(tǒng)組態(tài)為不同形式的系統(tǒng)，以此滿足具體需求。

最后，PROFIBUS通信技術(shù)的通信協(xié)議。不同于PPI通信技術(shù)，PROFIBUS通信技術(shù)的通信協(xié)議分析需要從多個方面進行，分別為網(wǎng)絡(luò)連接、物理以及數(shù)據(jù)鏈路層。其中，當PROFIBUS物理層采用的連接方式為物理連接時，即RS-485接口，在PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS都采用該連接方式時，RS-485需要采用平衡差分傳輸方式。與此同時，其總線段結(jié)構(gòu)中，為實現(xiàn)相同大小但方向相反的信號沒需要使用帶有屏蔽層的雙絞電纜進行連接與傳輸，一方面滿足信號傳輸需求，另一方面降低環(huán)境噪聲對信號傳輸質(zhì)量的影響。此外，在該物理連接的基礎(chǔ)上進行拓撲結(jié)構(gòu)的搭建，能夠使該系統(tǒng)大單一網(wǎng)段接入32臺設(shè)備，而且，網(wǎng)段距離高達1200m，雖然距離較遠，但其傳輸速率并未受到較大影響，甚至可以根據(jù)使用要求進行數(shù)據(jù)傳輸速率的自由選擇，一般情況下可選擇區(qū)間為：9.6Kb/s-12Mb/s。而PROFIBUS通信技術(shù)的數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)為OSI參考模型，在該情況下，能夠明確規(guī)定傳輸協(xié)議、總線存取控制以及報文處理等，還能夠?qū)崿F(xiàn)信息數(shù)據(jù)的安全傳輸，并通過結(jié)合自身實際需求將鏈路連接進行建立、拆除或是維持等，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸準確性。此外，通過在PLC自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用PROFIBUS通信技術(shù)，還能夠使用多種方法實現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷，就目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，主要有硬件診斷方式、軟件診斷方式，前者包括BT200硬件測試和Profitrace在線診斷，后者則包括專用診斷功能塊診斷方式和系統(tǒng)功能塊診斷方式。

結(jié)論：綜上所述，科學技術(shù)的發(fā)展使得基于PLC自動化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)已經(jīng)取得良好發(fā)展成果，極大的提高工業(yè)自動化水平。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)深入研究該系統(tǒng)的通信技術(shù)，積極使用PROFIBUS通信技術(shù)，以此為基礎(chǔ)進行創(chuàng)新設(shè)計，尤其是故障診斷方面，從而推動企業(yè)更好發(fā)展。

參考文獻：

[1] 肖蕾蕾，史二娜，姬冠妮. 基于PLC技術(shù)的軌道交通信號燈自動化控制系統(tǒng)[J]. 自動化與儀器儀表，2020（11）：96-98，102.

[2] 顧波. 談PLC冶金自動化控制系統(tǒng)中通信技術(shù)的應(yīng)用[J]. 百科論壇電子雜志，2019（3）：311-312.