張保森

(中國(guó)化工集團(tuán)昊華宇航化工有限責(zé)任公司，河南 焦作 454000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算等前沿科技的飛速發(fā)展，人類正在走向高智能化時(shí)代。傳統(tǒng)工業(yè)急需跟上時(shí)代的變化，盡快完成自身轉(zhuǎn)型與升級(jí)，跟上科技發(fā)展的浪潮。在科技上游技術(shù)呼喚遠(yuǎn)程互聯(lián)互通與信息共享的大背景下，尋求適當(dāng)策略將目前仍大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的獨(dú)立封閉式系統(tǒng)接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和操控是當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1］。

可編程控制器(PLC)作為融合了微型處理器技術(shù)、通用外圍接口自動(dòng)控制技術(shù)和多模式通信協(xié)議的綜合控制設(shè)備，其自身具有靈活的編程模式，可靠性極高以及廣泛適用于各種工業(yè)環(huán)境等眾多優(yōu)勢(shì)。上世紀(jì)末和本世紀(jì)初是PLC技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)快速布局和發(fā)展的時(shí)期，以西門子和三菱等一大批實(shí)力雄厚的大公司退出的系列產(chǎn)品為代表，使諸多底層自動(dòng)加工流水線獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益［2］。但近年來，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展的大趨勢(shì)正在發(fā)生變化，功能更為強(qiáng)大和多樣、集成度更高，聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)是對(duì)PLC技術(shù)發(fā)展的更強(qiáng)烈的推動(dòng)。雖然各大PLC公司都投入大量的人力財(cái)力去開發(fā)自身的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但因?yàn)槠髽I(yè)間利益的糾葛，很難尋求到一種被各企業(yè)廣泛接受的一致性網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這一問題，本文提出基于多層網(wǎng)絡(luò)控制的PLC通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，即通過三層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與以太網(wǎng)的互通互聯(lián)，在底層仍采用各大公司自身的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在頂層借力當(dāng)前應(yīng)用最廣的以太網(wǎng)，著力研究和設(shè)計(jì)連接兩者通信的中間控制層，最終實(shí)現(xiàn)整體控制與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本研究以三菱Q系列PLC為例，進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提系統(tǒng)的可靠性與可行性。

1 多層網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的大潮流，結(jié)合PLC在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行需求，本系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)到遠(yuǎn)程監(jiān)控層的多集成度通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具體包括:基于CC-Link［3-4］現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備層，基于 MELSECNET/H［5-6］網(wǎng)絡(luò)的中間管理控制層和基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控層。各層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案的選取依據(jù)如下:

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層:現(xiàn)場(chǎng)總線具有極好的穩(wěn)定性，在小型網(wǎng)絡(luò)連接中被廣泛采用。CC-Link作為主流現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的一種更適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備連接，本設(shè)計(jì)采用CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)FX2N PLC，變頻器，工控觸摸屏，伺服控制器以及I/O接口直接的連網(wǎng)，可完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的變頻調(diào)速，觸摸設(shè)置，三維運(yùn)動(dòng)控制等控制任務(wù)。

中間管理層:MELSECNET/H網(wǎng)絡(luò)能夠提供不同過程間的線路互鎖和同步功能，并且具有高性能、低故障率以及可確定通訊等特點(diǎn)。最高可達(dá)25 Mbps的通信速度，雙重回路設(shè)計(jì)保障了通信的可靠性，減少了信息冗余，同時(shí)提供大容量軟文件連接功能。本設(shè)計(jì)以8個(gè)三菱Q系列PLC為例，在該層實(shí)現(xiàn)了8個(gè)控制對(duì)象的協(xié)同控制。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層:以IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)為支撐的以太網(wǎng)通信協(xié)議已經(jīng)從百兆級(jí)發(fā)展到了千兆級(jí)，而以光纖，石墨烯等新材料為推動(dòng)力的更高速的以太網(wǎng)通信速度也指日可待。本設(shè)計(jì)基于現(xiàn)有強(qiáng)大的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將中間管理層的多臺(tái)設(shè)備利用交換機(jī)進(jìn)行連接，利用組態(tài)軟件中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及上位控制界面的編程。

圖1是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備與參數(shù)設(shè)置

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)備及布局

本系統(tǒng)以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為背景，基本設(shè)備包含三菱Q系列PLC，控制柜、總線掛箱及各種單元模塊。具體由三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)綜合操控控制柜，一個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線掛箱和總控臺(tái)構(gòu)成。

三個(gè)控制柜分別以CC(Control cabinet)-1、CC-2、CC-3命名，8個(gè)PLC作為微控制器單位依次命名為CPU-1至CPU-8。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接直接的主要單元設(shè)計(jì)相應(yīng)的I/O接口電路。整個(gè)系統(tǒng)具備邏輯編程控制(以按鈕指示方式)、AD數(shù)據(jù)采集、DA數(shù)據(jù)輸出、變頻器調(diào)速、中間層控制、遠(yuǎn)程喚醒與關(guān)閉等功能。

圖2是控制柜的現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制柜實(shí)物圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)備控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各單元模塊的硬件設(shè)計(jì)是較為龐大的工程，本文選取其中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.2.1 冗余系統(tǒng)切換模塊

前節(jié)提到，本設(shè)計(jì)底層由8個(gè)PLC構(gòu)成，需要設(shè)計(jì)8個(gè)CPU彼此手法指令之間的信息冗余處理模塊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)定系統(tǒng)主CPU和從CPU，三菱公司的產(chǎn)品為冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電源冗余，通信冗余，主控制器冗余，且所有模塊均具有雙熱備用的功能，可隨時(shí)被喚醒。當(dāng)某個(gè)模塊在系統(tǒng)中出現(xiàn)故障之時(shí)，其余系統(tǒng)可以繼續(xù)工作和接收控制指令，能夠有效保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但同時(shí)考慮到大規(guī)模停電或者某些突發(fā)自然災(zāi)害的情況，還設(shè)計(jì)了手動(dòng)切換功能，使整體系統(tǒng)更具操作性和靈活性。最終電路和手動(dòng)切換電路如圖3所示。

圖3 冗余系統(tǒng)手動(dòng)進(jìn)行切換電路

2.2.2 CC-Link 變頻調(diào)速電路設(shè)計(jì)

基于CC-Link變頻調(diào)速電路設(shè)計(jì)如圖4所示。CPU-4作為主站，其控制按鈕經(jīng)過CC-Link總線發(fā)送命令控制位于控制箱中的FX2N PLC，采用RS-485總線實(shí)現(xiàn)對(duì)FR-F740-5.5K變頻器控制;另一臺(tái)FR-A540-2.2K變頻器自帶CC-Link接口，可直接接收主站的控制命令。CPU-4還配備有按鍵式邏輯控制，AD數(shù)據(jù)采集和DA數(shù)據(jù)輸出儀表顯示功能，主站通過CC-Link方式控制遠(yuǎn)程的I/O站點(diǎn)。

圖4 CC-Link變頻調(diào)速電路

2.2.3 伺服運(yùn)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

CPU-3搭載伺服定位QD75M模塊，另外配有三個(gè)J2S B伺服系列驅(qū)動(dòng)器，以SSCNET總線實(shí)現(xiàn)兩者直接的連接。該接線方式方便快捷，操控性能良好，可完成對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)讀取，多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)等功能。CPU-3和CPU-4同樣具備邏輯控制，AD數(shù)據(jù)采集，DA數(shù)據(jù)輸出等基本功能。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。

3 三層網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 底層CC-Link通信實(shí)現(xiàn)

主站CPU與各從站之間的數(shù)據(jù)可采用遠(yuǎn)程輸入RX和遠(yuǎn)程輸出RY，按照N∶N的模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。信息傳送的具體流程如下:

圖5 伺服運(yùn)動(dòng)控制電路

(1)系統(tǒng)啟動(dòng)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并傳送給主站，自啟動(dòng)CCLink;

(2)自動(dòng)刷新CPU內(nèi)部定時(shí)器單元。將RY作為本地站點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù);

(3)將數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在RX緩沖存儲(chǔ)器或者其他本地子站點(diǎn)中;

(4)RX緩沖存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)用來自動(dòng)設(shè)置刷新參數(shù)，遠(yuǎn)程RX用在子站點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù);

(5)本地子站點(diǎn)向主CPU回饋一個(gè)完成指令;

(6)接通指定的繼電器單元，并訪問子站點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù);

(7)將讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主CPU的接收緩沖單元。

底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)后，其與中間控制層的連接通過三菱Q系列PLC自帶的MELSEC/H網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)兩層網(wǎng)絡(luò)間的硬件連接，具體協(xié)議設(shè)計(jì)在下一小節(jié)介紹。

3.2 中間控制層MELSECNET/H網(wǎng)的通信實(shí)現(xiàn)

在中間控制層設(shè)計(jì)基于MELSECNET/H網(wǎng)絡(luò)的雙環(huán)路網(wǎng)絡(luò)。一路網(wǎng)絡(luò)連接8個(gè)CPU構(gòu)成1號(hào)網(wǎng)絡(luò)或主網(wǎng)絡(luò)，另一路網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)冗余系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)之間的連接，稱為2號(hào)網(wǎng)絡(luò)或I/O網(wǎng)絡(luò)。具體實(shí)現(xiàn)過程是采用光纖將各CPU站點(diǎn)連接形成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，配置相應(yīng)的CPU參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)模塊，此光纖環(huán)路中一共可以連接64個(gè)子站點(diǎn)，并可以通過中繼實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的擴(kuò)展，完全能夠滿足各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

MELSECNET/H網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)如下:

(1)高速通信:MELSECNET/H通信速度有25 Mbps和10 Mbps兩種模式，其中25 Mbps只可用于光纖網(wǎng)絡(luò);

(2)系統(tǒng)配置靈活:系統(tǒng)可擴(kuò)展為239個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)站點(diǎn)鏈接點(diǎn)數(shù)最高可設(shè)置為2 000字節(jié);

(3)RAS功能:當(dāng)子站故障排除重新啟動(dòng)后，可自動(dòng)返回?cái)帱c(diǎn)處，保證記憶數(shù)據(jù)不丟失;

(4)網(wǎng)絡(luò)兼容性高:利用MELSECNET/10模式，可以與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)模塊一起使用。

圖6 光纖雙環(huán)路網(wǎng)絡(luò)示意圖

利用專用以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，可快速實(shí)現(xiàn)中間控制層接入頂層以太網(wǎng)監(jiān)控層。

3.3 頂層以太網(wǎng)監(jiān)控通信設(shè)計(jì)

經(jīng)專用HUB可快速實(shí)現(xiàn)中間控制層數(shù)據(jù)接入以太網(wǎng)，現(xiàn)將組網(wǎng)過程中主要設(shè)置步驟加以說明［7-9］:

(1)I/O配置:通過三菱公司提供的GX-Developer軟件對(duì)按照在基板上的模塊數(shù)據(jù)類型和輸入、輸出信號(hào)范圍進(jìn)行設(shè)置;

(2)MNET-10H以太網(wǎng)卡號(hào)設(shè)置:設(shè)置內(nèi)容主要包括其它站訪問有效模塊數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)編號(hào)、起始I/O、組號(hào)、站號(hào)等;

(3)操作設(shè)置:主要對(duì)傳輸數(shù)據(jù)格式、初始化時(shí)序、IP地址、發(fā)送楨、運(yùn)行時(shí)寫入權(quán)限等進(jìn)行設(shè)置。

4 系統(tǒng)功能調(diào)試

整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，我們基于組態(tài)軟件MCGS［10］開發(fā)了一套上位機(jī)監(jiān)控程序，通過調(diào)用不同的子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。下面以閉環(huán)無級(jí)調(diào)速和多段調(diào)速實(shí)時(shí)監(jiān)控功能為例對(duì)整體系統(tǒng)的允許情況進(jìn)行展示，具體上位機(jī)界面如圖7所示。

圖7 閉環(huán)無級(jí)調(diào)速控制上位機(jī)界面

我們?cè)O(shè)計(jì)了多段速控制面板和無級(jí)調(diào)速控制面板。遠(yuǎn)程監(jiān)控者不需要在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，只要在任意一個(gè)接通了互聯(lián)網(wǎng)的電腦上，都可以通過瀏覽器登陸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況。在多段速控制功能設(shè)計(jì)中，可以通過選擇正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等操作，對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并可選擇電機(jī)的段速，而選擇的數(shù)據(jù)將直接顯示在輸入框中。相應(yīng)的，在無級(jí)調(diào)速調(diào)速功能中，通過輸入規(guī)定范圍內(nèi)的任意頻率，并點(diǎn)擊寫入運(yùn)行頻率按鈕，就可以將頻率傳送至現(xiàn)場(chǎng)的PLC設(shè)備，對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速控制，如果想要讀取電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，則可以直接點(diǎn)擊讀取運(yùn)行頻率按鈕，電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行頻率將顯示在對(duì)應(yīng)的輸出框中。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制的時(shí)代需求，設(shè)計(jì)了一套基于三層網(wǎng)絡(luò)的PLC通信系統(tǒng)。具體包括:基于CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線的底層設(shè)備層，基于MELSECNET/H網(wǎng)的中間控制層和基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制層。在文中給出了整體系統(tǒng)詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，最終利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了上位控制系統(tǒng)。經(jīng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)演示，驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方案的可行性。后續(xù)工作將針對(duì)越來越普及的智能手機(jī)操作平臺(tái)，開發(fā)相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控APP，擺脫現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)必須在PC機(jī)上運(yùn)行的弊端，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

［1］王俊明，蘇記華，薄昌盛，等.基于PLC和CC-Link總線的工業(yè)機(jī)器人控制的實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用2013，32(7):44-47.

［2］江天亮，張少波.基于S7-200 PLC飲料混合機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(13):102-104，107.

［3］李世偉，鄭萍，邵子惠，等.基于HMI與PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(19):105-106，109.

［4］黃河，曾鵬，劉福華，等.基于Q系列PLC和CC-Link總線的煤礦井電機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(16):165-168.

［5］王海濤，呂曉亮，黃亞勤，等.MELSECNET/H遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)絡(luò)在環(huán)縫焊接設(shè)備中的應(yīng)用［J］.電焊機(jī)，2011，41(4):29-32.

［6］方清城，羅中良，張志飛.三菱Q系列PLC多層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25(12):79-81.

［7］吳云，徐建明，俞立，等.嵌入式三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(7):1846-1848.

［8］郭家星.三菱Q系列PLC與安規(guī)測(cè)試儀的串口通信［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013，42(5):185-186.

［9］王文強(qiáng).基于西門子PLC以太網(wǎng)模塊與WinCC實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013，26(4):34-36.

［10］潘益玲，羅坤明.基于MCGS和三菱PLC的五層電梯控制仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，11(3):68-72.