鈑金加工行業低成本總線式電氣改造遠傳控制方案

劉緒哲

（濟南綠園供熱有限公司，山東 濟南 250022）

隨著IoT 物聯網的興起，市場上不斷涌現出功能豐富、性價比高的總線式控制、信號采集模塊。在鈑金加工行業中，某些年代久遠的電氣控制系統存在著元件老化、停產斷供的問題，同時也無法滿足相關行業對多廠區、多設備無人值守、遠程調控、運行數據監控等日漸增多的需求。在系統改造預算有限，部分老舊柜體和元件仍可使用，整體改造條件不允許的情況下，本文提出一種布線簡潔、元件空間占用少、配置靈活的總線式控制架構方案。

1 總線控制框架概述

總體架構是以PLC 主機或X86 工控機作為運算、控制核心，通過RS485 總線與外圍各個帶有RS485 接口的信號IO 模塊、儀表傳感器、運動控制、電機拖動等電氣元件設備進行通信并實現控制需求的架構。總線通信協議通常采用ModbusRTU。PLC 主機或X86 工控機其中之一作為主站,其他各個總線元件作為從站。各個從站、主站之間在通訊距離較遠，總線掛接元件較多時，需通過RS485 中繼集線器隔離。PLC 主機或X86 工控機采集的運行數據可通過VPN/4G 遠傳工業路由器，將數據經公網遠傳到異地調控中心。調度中心的指令也可遠程下發控制現場設備?？傮w框架如圖1 所示。

圖1 總線控制框架結構圖

2 框架主要優點

相比較傳統的以PLC 主機后面集中堆疊PLC擴展模塊作為整體控制單元的方式，在大多數控制實時性要求不是很苛刻的應用場合下，此架構具有以下優勢：

（1）硬件成本成倍降低。單個PLC 主機可擴展的原廠PLC 模塊數量、每個模塊的IO 點數通常有上限。在模塊數量受限、IO 點數不夠的情況下，無論是采用增加PLC 主機繼續擴展互聯的方式，還是采用更高階，可掛載更多模塊和IO 點的PLC 系統，都會導致硬件成本的成倍增加。如果采用第三方市場口碑較好的總線擴展模塊，在485 總線和Modbus通訊協議下，按尋址空間理論上可擴展256 個總線元件（實際考慮到總線負載、通訊距離、通信波特率的影響，一般在300m 內較低波特率下，掛接32 個總線元件基本沒有問題）。在模塊IO 點數近似的情況下，總線模塊的市場價格通常只有PLC 擴展模塊的幾分之一。

（2）配置靈活?？偩€擴展模塊可與任何品牌、型號的集成有485 接口的PLC 主機組成系統。不同廠商規格近似的總線擴展模塊選擇較多。遇到某廠商產品停產的情況可個別更換其它廠商近似型號，只需注意不同廠商模塊不同的寄存器設置。通常每個廠商的模塊都附帶有專用的上位機配置軟件，方便使用串口或USB 轉串口數據線將模塊與PC 機連接以讀取數據、設置參數、排查故障等。因此，除了PLC主機外，總線模塊也可與集成有通訊接口的X86 工控機組成系統。

（3）分布式、就地部署方便。傳統PLC 主機與擴展模塊通常集中插接在一起組成控制系統，并置于總控制柜內，因此連接的相關功能的每根輸入、輸出信號線也都需要從PLC 及其擴展模塊通過橋架、穿線管布線至外圍終端設備處。如果總控柜距離多組終端設備較遠，地點較分散，則信號布線也會繁瑣很多。而總線模塊可就地部署在各組終端設備附近，每組終端設備的信號線統一匯集到就地總線模塊上，再通過485 總線連接到總控柜處，使每組終端設備到總控柜的信號線簡化為了1 條485 總線。一方面降低了布線成本，另一方面出現故障時線路排障也簡化了很多。此外，若后期某組終端設備需要升級改造、擴展功能，可就地在總線上掛接總線模塊或總線元件，而不必從總控制柜再次布信號線。

（4）節約PLC 原生擴展資源以用于實時性要求高的場合。對于系統中少數實時性要求較苛刻，IO 速度、信號采集頻率高的信號，在PLC 主機IO 不夠用、種類不全的情況下，可在PLC 后掛接原廠擴展模塊。而其他沒有特殊要求的普通信號可部署給低成本總線模塊。

（5）運行數據監控、參數設置方便。如果總線掛接的是儀表傳感器、變頻器、伺服驅動、軟啟動器等器件，通過總線Modbus 協議可讀取、設置它們的參數寄存器。如實時讀取終端拖動設備的電壓、電流、運行功率，根據工況設置運行頻率，啟動時間等。運行數據可遠傳到本地X86 工控機的數據庫存儲，方便統計一段時間以來設備的運行情況。

3 框架核心控制部分軟硬件配置說明

如圖2 所示，左起依次為4G/VPN 路由器、X86工控小主機、PLC 主機、485 總線數字量IO 模塊、485總線模擬量IO 模塊。部分功能單一的元件如485 集線器沒有列出。

圖2 框架核心控制部分硬件

3.1 工業路由器

工業路由器應附帶方便其固定在電氣導軌上的卡扣，至少3 個LAN 口（用來連接PLC，X86 主機，HMI 觸控屏等），1 個WAN 口，WIFI 天線及帶有延長線的4G 天線（天線可磁吸附在控制柜外部的柜體上，減少對信號的屏蔽）。可根據現場網絡情況靈活選擇連網方式。近些年市面上已有無需固定IP 即可異地組建虛擬局域網的VPN 路由器，通過普通寬帶或4G 網絡即可像在局域網環境中那樣遠傳數據和調試程序。

3.2 X86 工控機

工控機在整個框架中并非必須存在。一般用來輔助PLC 來處理除邏輯控制、信號采集、數據運算之外PLC 不太擅長的工作。工控機通?？勺鳛榈统杀镜木偷卮笕萘繑祿鎯Ψ掌鳌eb 服務器來使用，實時存儲、查詢各種系統運行數據，備份數據并遠傳，還可通過Web 在異地登錄工控機查看本地運行數據。在某些控制實時性、穩定性要求不苛刻的場合，工控機可取代PLC 運行生產相關的業務邏輯控制程序。以上功能需要基于相應操作系統的開發環境、工具進行專門開發。工控機操作系統可采用Linux 或Windows。考慮到開發環境和配套資源的因素，采用Windows Server 操作系統，微軟“.Net”開發環境中的C#語言來開發數據存儲、后臺邏輯控制、上位機、Web 服務程序是較理想的選擇。數據庫采用輕量級、開源免費的Sqlite。上位機前臺用戶界面可采用微軟WPF 用戶界面框架，其對不同尺寸的觸控屏人機界面縮放有很好的自適應性。

工控主機硬件配置方面主要由低功耗處理器（功耗10W 以內），4GB 內存（基本滿足64 位操作系統低負載開銷），低功耗、高速讀寫、小體積的固態硬盤組成。由于運行功耗很低，主機都是無風扇密閉設計，粉塵不易進入機體。鰭狀散熱片一般集成在主機外殼上，增大了散熱面積，可長期不間斷運行。主機尺寸通常在長10cm、寬10cm、高5cm左右，體積較小。機殼背面帶有電氣導軌支架安裝孔，方便掛接。接口方面，集成有RJ45 以太網口、RS485 接口、HDMI 視頻接口。RJ 網絡接口用于連路由器遠傳數據，RS485 口用于與PLC 或總線模塊通信。HDMI 口可用來外接顯示器調試主機程序，但更多的用途是外接大尺寸觸控屏。市場也有部分集成多個網口的軟路由的主機。在主機負荷不高，資源允許的情況下可代替路由器使用。為應對主機遭遇意外斷電的情況，可部署一臺小功率UPS。斷電發生時，可通過PLC 采集外置繼電器觸點通斷信號，并將信號通過總線發送給X86 主機，以便及時自動保存數據并根據需求做出進一步動作。

3.3 PLC 及其他總線模塊

前面已經介紹了由PLC 主機及總線模塊構成的框架的主要優點。為確保此框架在實際生產環境中能穩定運行，還需要注意可能發生的總線通信故障。通訊故障通常是由于意外斷電、線路設備故障、電磁干擾等原因導致。有以下需要注意的問題。

（1）應使用屏蔽雙絞線連接各個模塊及元件，屏蔽線需可靠接地。布線盡量遠離大功率器件、電纜。安裝條件允許情況通訊線走金屬穿線管，盡可能避免總線信號受電磁干擾的影響。當總線受到強電磁干擾時，會導致信號誤碼率增加，通訊延遲，對控制實時性造成影響。當總線長度超過300m 且總線掛接元件數目超過32 個時，應在關鍵節點使用隔離中繼集線器隔離信號，一方面避免總線過長、信號衰減過多可能導致的信號丟失。另一方面，因接錯線、雷擊等意外因素導致強電串入總線時，能有效隔離各個總線，有效降低掛接在總線上元件損壞的可能性。

（2）在Modbus 程序設計方面，需要有總線故障處理、狀態監控程序。當程序通訊邏輯為主站輪詢各個從站總線元件時，如果某個元件的通訊響應時間過長或超時，軟硬件設計上應有相應的報警提示和容災處理機制，確保其它元件的通信依然能正常進行。與此相關的總線通訊異常數據應存入X86 工控機的數據庫。為提前發現問題和后期排障提供數據支持。

4 方案總結

通過此框架方案的實施，對于鈑金加工及其他相關機械加工行業，能有效降低電氣控制系統維修、改造成本，增強設備互聯、遠程調控、數據存儲功能，減少設備的日常運維人力成本，具有較好的社會效益和經濟效益。