林嵐

（西安鐵路職業(yè)技術學院陜西西安710014）

基于Q系列PLC三層網絡及冗余控制系統(tǒng)的設計分析

林嵐

（西安鐵路職業(yè)技術學院陜西西安710014）

基于試圖設計出擁有比較完善的冗余功能的網絡控制系統(tǒng)，以便提供更加完善的實驗平臺的目的。采用了實際實驗和綜合調查的方法，結合基于Q系列PLC三層網絡及冗余控制系統(tǒng)進行的試驗?；赒系列PLC三層網絡及冗余控制系統(tǒng)具有很好的利用價值。當前我國的工業(yè)化水平正在不斷地發(fā)展進步，在的基礎之上建立起的控制系統(tǒng)能夠在未來的網絡化道路上更快更好地發(fā)展。

三層網絡；冗余控制系統(tǒng)；設計分析；PLC

現(xiàn)代社會中，工業(yè)控制系統(tǒng)已經不是由單一設備實現(xiàn)的簡單控制，它逐漸走向了更加完善的大型化以及復雜化，特別是與控制層網絡相連的已經不是單獨的網絡，而是兩個甚至更多個不同的網絡之間形成的集成化網絡體系。由此我們可以認為，控制系統(tǒng)與網絡之間的相互依賴也變得更強了。

1　冗余控制系統(tǒng)概述

假如在控制系統(tǒng)當中出現(xiàn)任何網絡故障，都可能會造成整個通訊系統(tǒng)錯誤，甚至可能會帶來巨大的財產或者人民群眾生命安全方面的損失。因此，提升控制系統(tǒng)所具備的可靠性以及安全性，設計完善的控制層網絡是非常有必要的。比方說，人們日常生活中會接觸到的電梯控制系統(tǒng)，乃至于大型場合例如電力、石油化工等，都需要對控制系統(tǒng)最關鍵的部分進行適當的冗余處理。

如今工業(yè)控制的系統(tǒng)規(guī)模正在不斷地擴大，需要控制人員監(jiān)視完整的生產流程，以此來達到協(xié)調生產以及控制生產的目標。因此在最近這些年以來，遠程控制在工業(yè)控制領域得到了更高度的重視。想要實現(xiàn)遠程操縱最需要做的就是將控制層以及信息層共同進行網絡通訊，而這也就會涉及到遠程控制穩(wěn)定性方面的問題，一旦在遠程控制的網絡當中出現(xiàn)任何故障，就會導致監(jiān)控無法真實反映情況，甚至發(fā)生誤動作導致事故發(fā)生。

2　在基于Q系列基礎上設計PLC三層網絡

2.1集成化設計

伴隨著PLC以及網絡信息技術的不斷發(fā)展，漸漸地單層網絡已經無法滿足大部分控制系統(tǒng)的需求，這是因為在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中處于上層位置的部分是主要進行生產管理信息的傳送的，通信報文相對比較長，傳送的信息量相對較大，不過對于通信所具備的實時性并沒有太高的要求；但是在底層則主要是過程的數據以及控制命令等，報文相對較短，通信的信息量自然也比較小，不過對信息的實時性以及可靠性有比較高的要求；中間層則處于這二者當中。由于在不同的層面中需要實現(xiàn)的功能不同，需要承擔的責任也不同［1］。在目前的控制系統(tǒng)當中常用的是三層網絡式的結構，這也是非常實用的一種結構，讓通信擁有高度的適應性，同時具有擴展性。

本次設計的控制系統(tǒng)主要分成3個部分，即控制機械手、控制傳送帶、控制分揀，在本次設計當中我們使用CCLink來現(xiàn)場連接總線（CC-Link全名：Control&Communic-ationLink），由于CC-Link屬于是一種能夠廣泛地使用在工業(yè)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)當中，還是一種高速系統(tǒng)，連接非常簡便，傳輸距離很遠。本設計中低層系統(tǒng)距離遙遠，多方考慮之后在低層設計中采用CC-Link現(xiàn)場總線來完成通信［2］。

另外，系統(tǒng)控制層當中，由于各高性能的PLC當中需要完成比較好的數據互聯(lián)，讓不同的低層網絡數據能夠很好地實現(xiàn)共享，并且保證相互之間的協(xié)調，考慮到MELSECNET/H網絡具有非常理想的實時性以及設置的簡單性等優(yōu)勢，在本次設計當中我們主要選擇MELSECNET/H。

信息層當中，能夠實現(xiàn)PLC系統(tǒng)以及生產、質量等方面的信息傳遞，由此在本設計的信息層中我們主要使用以太網來進行通訊，便于和Internet進行連接，并且能夠借助它來實現(xiàn)監(jiān)控企業(yè)生產的目的。

總的來說在本文中在基于Q系列基礎之上對PLC三層網絡進行集成化設計大概結構圖如圖1所示。

圖1　在基于Q系列基礎之上PLC三層網絡基本結構圖

2.2冗余設計

在最近這些年，遠程操控系統(tǒng)漸漸地已經成為了工業(yè)控制領域當中非常有用的一部分，想要很好地實現(xiàn)遠程操控就必須將控制層以及信息層與網絡相聯(lián)并實現(xiàn)通訊，而這就涉及到了安全性方面的問題［3］，因此設計冗余是非常重要的?；诖耍驹O計將在原有CPU基礎以及電源冗余基礎之上，加以對H網以及以太網的模塊進行了冗余，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2　冗余整體框架示意圖

2.3在基于Q系列進行PLC三層網絡的設計具體方式

Q系列PLC能夠提供出具有非常清晰的層次的三層網絡，本設計中選擇Q系列三層網絡作為本設計的主要結構，也就是設備層（CC-Link）、控制層（MELSECNET/H，即H網）以及信息層（以太網）。具體的結構圖基本如圖3所示。

圖3Q系列基本網絡框架示意圖

以上設計思路基本參數設置情況如下。

設備層（CC-Link）硬件連接參數：主站號0，一號站1，占1個站位；二號站2，占1個站位。安排適當的位置。傳送速度約為2.5 Mbp，最大的傳送距離在不考慮中繼的情況下為200米。在主站模塊當中設置為在線模式，模式設置2，速率約為2.5 Mbp。

控制層（MELSECNET/H，即H網）硬件參數：從PLC開始到PLC網絡當中有效站號為1～64之間，在同一個網絡環(huán)境下不能使用相同的站號［4］，只要是有效站號就可以將任何站點作為主站點，設置站號不需要保證連貫，不過如果沒有站號的時候需要設置保留站。另外，在同樣的網絡環(huán)境當中，全部模塊的模式都要將開關設置在一樣的位置上，待網絡模塊進行獨立檢測完全結束之后，設置成在線模式，在使用10 Mbp的時候將模式開關設置成0，在使用25 Mbp的時候將模式開關設置為4。

信息層（以太網）網絡參數：針對以太網的具體參數，僅需要依靠與其相連的PLC來完成網絡參數的設置，基本上主要的設置內容包括網絡類型以及模塊的起始號、站號等，根據現(xiàn)實情況有所改變。

3　在基于Q系列進行PLC控制冗余的系統(tǒng)設計具體方式

本設計主要針對電源、CPU以及MELSECNET/H網進行冗余，通過上一課題我們可以發(fā)現(xiàn)，在PLC系統(tǒng)當中，控制層始終有一臺PLC需要和控制層不斷地進行數據的交互［5］，同時還要和信息層隨時通信，在網絡系統(tǒng)當中處于一個比較重要的位置上，因此本設計針對這幾個模塊進行設計。

首先我們需要確定冗余所需的硬件，主要包括：

電源模塊為S64RP；CPU則為Q12PRHCPU以及Q25PRHCPU兩種；MELSECNET/H模塊為QJ71LP21-25以及QJ71BR11兩種；Ethernet接口為QJ71E71-100。

在PLC系統(tǒng)中的冗余結構大致如圖4，其控制系統(tǒng)以及待機系統(tǒng)是包括硬件的組成以及軟件編寫都完全一致的系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)借助熱備電纜相互連接，保證數據能夠隨時交互，冗余系統(tǒng)的切換需要根據實際情況來設置切換系統(tǒng)的觸發(fā)原因、切換優(yōu)先等級以及切換的具體時機等，在電源模塊或者CPU發(fā)生任何故障的時候，系統(tǒng)自動切換，新系統(tǒng)立刻開始運作［6］；如果是網絡模塊發(fā)生故障，那么首先要將切換請求發(fā)送到控制系統(tǒng)當中，之后才可以開始切換（切換過程如圖5所示）。

圖4　完整的冗余系統(tǒng)基本結構示意圖

圖5　控制系統(tǒng)冗余基本示意圖

在冗余過程當中，CPU以及備用系統(tǒng)的CPU均正常運行，二者之間借助跟蹤電纜來完成數據的跟蹤，以此保證出現(xiàn)故障之后系統(tǒng)數據不會流失，控制系統(tǒng)當中的CPU進行正常運算以及控制，在備用系統(tǒng)當中的CPU則單純運行程序不輸出數據。但是在前者出現(xiàn)了故障的情況下，備用的CPU立即切換，這種方式成本低、維護方便且高度兼容。在通訊模塊當中，它的冗余含有H網的通訊冗余以及以太網通訊冗余，二者配置了基本一致的網絡模塊［7］，一旦控制系統(tǒng)中網絡出現(xiàn)故障，就可以讓待機系統(tǒng)保證正常工作。

另外，冗余系統(tǒng)切換的時間需要在整個控制系統(tǒng)當中進行檢測，檢測到系統(tǒng)切換具體的原因，將其作為開始，直到新的控制系統(tǒng)開始工作，這就是冗余系統(tǒng)進行控制最重要的一項性能指標，而對系統(tǒng)切換的具體時間進行計算的主要方法是：

在這個公式當中，指無法進行具體的信號流儲存熱備傳送的實際時間，為20.5毫秒，能進行信號流儲存熱備傳送的實際時間則為1.5毫秒；Tαm則是MELSECNET/H以及CCLink的具體刷新時間，按照不同程序的特征會出現(xiàn)一些變化；Trc指的是按照待機系統(tǒng)當中的CPU進行熱備傳送數據所花費的反應時長，也就是熱備傳送處理所要花費的時間，在進行熱備傳送的時間分析當中已經描述完畢。

4　結束語

文中針對基于Q系列PLC三層網絡及冗余控制系統(tǒng)進行了設計分析，在當前的社會環(huán)境下，科學技術得到了飛速的發(fā)展以及自動化水平的不斷提升，在我們日常生活以及工作當中也隨處可見不同形式的控制系統(tǒng)，而它們是否具有可靠的安全性也得到了越來越廣泛的重視。例如在2011年，從北京出發(fā)的D307動車組與D3115動車組發(fā)生嚴重追尾事故，導致四十人身亡，一百余人受傷，造成直接經濟損失達1.9億，盡管諸如此事件的發(fā)生原因當中都含有一定的人為原因，不過從中我們也可以發(fā)現(xiàn)，安全控制系統(tǒng)往往與人民生命的安全以及國家財產安全有非常密切的聯(lián)系，因此，對控制系統(tǒng)而言，其本身是否具有安全性和可靠性是極其重要的。如今計算機信息技術以及互聯(lián)網都在不斷地發(fā)展，在工業(yè)當中安全控制系統(tǒng)也在向著更大規(guī)模以及更完善的網絡化前進著，多層網絡的控制系統(tǒng)也開始在各個領域當中得以應用，冗余系統(tǒng)也正是解決系統(tǒng)本身安全性以及穩(wěn)定性的最有效辦法。

［1］朱光燦.基于Citect和冗余PLC的煤層氣集輸控制系統(tǒng)［J］.機械工程與自動化，2015（4）:172-174.

［2］鄧富文.基于PLC控制的生活污水處理控制系統(tǒng)設計探討［J］.科技創(chuàng)新與應用，2015（23）:190.

［3］鄧明華，葛蓁，熊瓊，汪小志，等.基于嵌入式PLC的秸稈切割力動態(tài)控制方法研究［J］.農機化研究，2016（2）:44-48.

［4］劉志林，張衛(wèi)江，羅紅英.基于PLC和WINCC的水力機械模型試驗臺控制系統(tǒng)設計［J］.大電機技術，2015（4）：55-58.

［5］錢稷，周娟，張廣華，等.基于模糊控制的溫室內土壤濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.華中農業(yè)大學學報，2015（5）:121-126.

［6］仵理帆.基于PLC的軸流風機控制軟件的設計與實現(xiàn)［J］.電子技術與軟件工程，2015（15）:65-66.

［7］仝衛(wèi)衛(wèi)，郝建新，王少輝.基于PLC的吹脫法脫氨塔內污水溫度模糊控制器的設計［J］.鄭州輕工業(yè)學院學報:自然科學版，2015（Z1）:128-132.

Based on the Q series PLC three layer network and the redundancy control system design and analysis

LIN Lan
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Based on trying to design have comparative perfect redundant functions of network control system，in order to provide more perfect experiment platform.Adopted the approach of practical experiments and comprehensive investigation，combined with three layers based on Q series PLC network and redundancy control system test.Three layers network and redundancy based on Q series PLC control system has good use value.The current our country's industrialization level is constantly progress，on the basis of establishing the control system can better and faster development in the future network roads.

three layer network；redundancy control system；design and analysis；PLC

TN99

A

1674－6236（2016）17-0125-03

2015-08-07稿件編號：201508031

林嵐（1982-），女，山東煙臺人，講師。研究方向：圖像處理。