（机械电子工程专业论文）基于can总线的网络化plc技术研究与实现.pdf

摘要 ，可编程控制器是高可靠性、使用灵活、功能丰富的工业自动化控制装置，在 工业中有着广泛的应用和发展前景。而网络化的可编程控制器应用技术对于实现 单机控制到流水线自动化，从集中控制系统到分散控制系统都具有十分重要的意 义本文对基于c a n 总线的网络化可编程控制器开发技术进行了系统研究，论文 的主要工作包括以下几个方面： l 、 介绍了可编程控制器的发展趋势和应用前景，阐述了可编程控制器 网络化的重要意并分析传统的可编程控制器通讯方式在现代工业化生产 、 。 、 的不足之处。上户。弋一 2 、 研究了现代工业控制的可编程控制器网络化结构，分析了现有可编 程控制器采用传统串行方式联网通讯的不足，即难以适应现代工业控制系统 对高速度、实时性和多主结构的要求。j 。一 3 、 分析了各种现场总线的特点和应用领域，针对c a n 总线和可编程控 制器的技术特点，研究了基于c a n 总线的网络化小型p l c 基本结构和实现 技术，开发了用于实现上层p c 机和底层可编程控制器网络化连接的c a n 总 线控制卡和接口器。 4 、 研究了网络化可编程控制器的软件技术，基于v c 开发了可编程控 制器的梯形图编程与仿真软件以及底层可编程控制器网络化通讯和实时控制 软件等。 5 、 将基于c a n 总线的网络化可编程控制器应用于d x d 系列自动包装 机的联网控制，验证了本系统的灵活性与优越性。 关键词： 可编程控制器；c a n 总线 梯形图编程? a b s t r a ct t h ep r o g r a m m a b l ei ，o g i cc o n t r o l l e rj si n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t r o ls v s t e r n w h i c hh a sh i g hr e l i a b i l t i t y ，r i c hf u n c t i o na n df l e x i b l eu s e i th a sb e e nw i d e l yu s e di n i n d u s t r y ，n e t w o r k i n go f t l ct e c h n o l o g yw i l ld og r c a tt oa c c o m p o l i s hc h a n g i n g s i n g l em a c h i n e t op i p e l i n ea u t o m a t i o n ，c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e mt os c a t t e r e ds y s t e m t h i sa r t i c l ed or e s e a r c ho n n e t w o r k i n go f p l c b a s e do nc a nb u sa n di n c l u d es m e a s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 、i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c ya n da p p l i c a t i o nf u t u r eo fp l c d oa n a l y s i so n s h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lp i 。cc o m m u i c a t i o n 2 、d or e s e a r c ho np l c n e t w o r k i n gs t r u c t u r eu s e di nm o d e r ni n d u s t r i a lc o n t r o la n d e x p o s ei tc a n tm e e t t h ec o m m a n do f h i g hs p e e d r e a l t i m ea n d m u t i h o s ti nm o d e m i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m 3 、a i ma tc a nb u sa n dp l c ss p e c i a l i t yt h i sa r t i c l ed or e s e a r c ho ns t r u c t u r ea n d r e a l i z a t i o no fn e t w o r k i n gm i n i a t u r ep l c d e v e l o pc a nb u sc o n t r o l c a r da n d i n t e r f a c eu s e db y u p p e rp c a n db o t t o mp l cn e t w o r k 4 、b a s e do nv c d e v e l o p i n g p l cl a d d e rd i a g r a mp r o g r a ma n ds i m u l a t i o ns o f t w a r e a n das e to fc o n t r o ls o f f w a r ef o rb o t t o mp l cc o m m u n i c a t i o na n dr e a lt i m ec o n t r 0 1 5 、w i t h a p p l i c a t i o nt o d x ds e r i a la u t o m a t i cp a c k e rw ea u 也e m i c a t et h ef l e x i b i l i t y a n d m e l i o r i t yo f n e t w o r k i n gp l c b a s e do nc a nb u s k e yw o r d ：p l c c a nb u sl a d d e r d i a g r a mp r o g r a m 南京航空航大人学硕十学悔论文 第一章绪论 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r 0 1 le r ) 简称p l c ，是一种将逻辑 运算、顺序控制、时序和计数以及算术运算等控制程序，用一串指令的形式存放到 存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设 备和生产过程进行控制的工业控制装置。p l c 不仅功能强大、控制灵活、使用方便， 能够实现各种逻辑运算、顺序控制、定时、计数及在线监控功能，而且具有可靠性 高、能经受恶劣环境的考验；此外，p l c 与网络技术相结合形成的网络化p l c 控制 系统便于集成和扩展、性能价格比高，使得p l c 在工业领域中获得广泛的应用。p l c 及其网络被公认为现代工业自动化三大支柱( p l c 、机器人、c a d c a m ) 之一，统计 表明在世界范围内p l c 产品的产量、销量、用量高居各种工业控制装置的之首。 1 1 可编程控制器的发展 可编程控制器诞! 于6 0 年代后期，传统的生产过程自动控制设备是基于继电 器的顺宁控制系统，复杂的系统需要成百上千各式各样的继电器不仅接线复杂而且 继电器控制系统有大量机械触点，可靠性不高，出现问题时的检查和排除非常困难。 特别是工艺发生变化，整个控制系统的元件和接线也需要做相应变化，耗费大量的 人力、时间和资金。因此需要发展新型控制装置来取代继电器控制系统，使电气控 制系统工作更可靠、易于维修，能更适应经常变动的工艺条件。 1 9 6 8 年，美国通用汽车公司首次提出把计算机通用、灵活、功能完备等优点 和继电器控制系统的简单易学、形象直观结合起来，制成一种通用控制装置，并将 计算机的编程方法和程序输入方式进行简化，用面向控制过程，面向问题的梯形图 语言进行编程。1 9 6 9 年，世界上第一台可编程逻辑控制器在美国数字设备公司研制 成功。 7 0 年代中期，可编程控制器进入实用化发展阶段。随着八位微处理器和位片 处理器的相继问世，可编程控制器技术获得了飞跃发展，增加了数值运算、闭环控 制功能，提高了运算速度，扩大了输入输出规模，并开始通过网络和小型计算机连 接，构成了以可编程控制器为重要部件的初级分散控制系统。 7 0 年代末，可编程控制器进入成熟阶段。十六位微处理器和5 1 系列单片机的 出现，使p l c 向大规模、高速度、高性能方面继续发展，形成多种产品。在程序编 制方面，p l c 还借鉴微机的高级语言，采用面向工程技术人员的图形语言。在功能 上，p i 。c 已经可以完全取代传统的逻辑控制装置和小型机的d d c 控制系统。 9 0 年代以来，现代可编程控制器的技术继续进步，主要表现在新系列不断涌 基丁c a n 总线的网络化p l c 技术研究与实现 现，编程软件的高级化和多样化，p l c 网络技术取得重要发展，具体体现在以下几 个方面： 1 产品规模向大、小两个方向发展 大规模方向：现已出现了i 0 点数达1 4 3 3 6 点的超大型p l c ，使用3 2 位微处 理器，多c p u 并行工作和大容量存储器，使p l c 的扫描速度高速化。如日本三菱公 司的a 3 h 的顺序指令执行速度达0 2 o 4 u s 。不少p l c 每毫秒可扫描1 0 2 4 点，比 许多d c s 快1 0 2 0 倍，为p l c 增加刀具精确定位、机床速度控制、阀门位置控制 以及p i d 过程控制等功能创了条件。 小型化方向：小型p l c 由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵 活性。最小配置的i 0 点为8 1 6 点，可以用来代替最小的继电器系统，例如同 本三菱公司的f x 系列p l c 。 2 p l c 向过程控制渗透与发展 微电子技术迅速发展，大大增强了p l c 的数学运算、数据处理、图形显示、联 网通讯等功能，使p l c 得以向过程控制渗透和发展。为美国一家炼金公司用一台双 机热备用的p l c ，控制由矿石到炼金的全部过程。该系统有3 0 个p i d 模拟调节回路， 4 5 0 个模拟量，1 0 0 0 个丌 关量。所有的报警功能、p i d 调节功能和顺序控制功能都 【bp l c 完成。该公司一反常规不采用功能强的分散控制系统( d c s ) ，而采用p l c ， 是因为整个系统有许多电控功能，如果采用d c s ，只能解决p i d 调节功能，而电控 还要用p l c ，而选用p l c 系统解决所需的全部功能。结果，选用p l c 系统方案使投 资降为d c s 加p l c 的l 2 左右，其控制质量不但不逊于d c s 加p l c 的方案，而且 由于使用- i t 控制装置便于解决顺序控制、p i d 调节、联锁保护的协调配合，并大 大提高了产品的回收率。 3 p l c 加强了通信功能 为了满足柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f y s ) 和工厂自动化( f a ) 的要 求，近年来月：发的p l c 都加强了通信功能。系列化产品中最小的p l c 也具备了与上 位p l c 及其它计算机通信联网的功能。如著名的同本f a n u c 公司的p c j 型，用于 f a n u c 系统中作f m c 控制器，它可以顺序控制和协调c n c 机床、装料系统、机器人 的动作以及与主计算机通信。 4 新器件和模块不断推出 为满足工业自动化各种控制系统的需要，先后开发了不少新器件和模块。在处 理速度疗面，现在高档的p l c 一般都采用多c p u 以提高处理速度，用3 2 位微处理器 为c p l ，使每条指令处理速度达到微秒极的p l c 产品已为数不少，如日立公司生产 南京航空航犬人学硕十学位论文 的h i t a ( ：h 系列p l c 等。存储器得到很大扩展，如西门子公司的存储器，存储数 据达2 5 6 k 字节。一些带处理器、e p r o m 或r a m 的智能i 0 模块，既扩展了功能又 灵活方便。功能模块不断推出，如高速计数模块、温度控制模块、远程i 0 模块、 通讯和人机接口模块等。这些模块的开发和应用，不仅提高了功能，减小了体积， 而且大大地扩大了p l c 的应用范围。 5 编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 采用梯形图、功能块、语句表达等常用的编程语言编程，因其简单易懂，仍然 在广泛地使用，而采用p c 配置相应软件作为编程器，也得到了广泛的应用。美国 西屋公司首先推出以i b m 便携式计算机改装成的n l p l 1 5 0 型程序输入器，用来为 该公司的n e m a l o g ic 系列p l c 编程。随着生产技术的发展，用梯形图等传统的编 程语言来描述一个复杂的控制过程比较困难，而采用c 、c + + 、d e l p h i 等高级语言 编程具有传统编程手段无法比拟的优势：可以便利地描述复杂的控制思想；可以很 容易的实现具有浮点运算复杂过程算法；可以采用软件复用技术，重复利用已有的 模块：运行速度比传统梯形图程序快4 一l o 倍。为了统一p l c 的编程方法，加速p l c 的生产制造和推广，i e c ( 国际电工委员会) 发布了i e c l l 3 1 3 可编程控制器编程 标准，此标准是有关可编程控制器硬件、安装、试验、编程、通信等方面的国标标 准，其中的i e c l l 3 1 - 3 是有关编程的标准，共规定了5 种编程语言，其中三种是图 形化语言，两种是文体化语言。图形化语言有梯形图( l a d d e rd i a g r a m ) ，顺序功 能图( s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t ) ，功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) ，文 体化语言有指令表( i n s t r u c t i o i ll i s t ) 和结构文本( s t r u c t u r e dt e x t ) 。 6 发展容错技术 为了推出高度可靠的系统，一些公司发展了容错技术，采用双重、三重和双 双重冗余结构，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 i 2 可编程控制器的应用前景 可编程控制器作为一种很有特色的和发展前途的控制装置，它不仅可代替继电 器系统使硬件软化，提高工作可靠性以及系统的灵活性，另外还具有运算、计数、 调节、通讯、联网等功能，可以说它是控制装置的一个飞跃。尤其是配合发展中的 柔性制造单元( f m c ) 和柔性制造系统( f m s ) ，更显示出具有布线控制逻辑所不可 比拟的优点。适用于各种控制功能比较复杂，输入、输出点数较多的场合，也可以 在一个大型的集散控制系统中，作为前置控制装置，在上级计算机的统一调度下工 作。就目前的应用特点来看，尤其适用于有大量丌关量和少量模拟量的控制系统。 1 ，j 、型可编程控制器：e 要用于单机自动化，而大型可编程控制器主要用于自动生产 基丁c a n 总线的网络化p l c 技术研究与实现 线中。按应用类型划分，可把可编程控制器的应用归纳为如下几个方面： 1 用于丌关量逻辑控制 这是可编程控制器最基本的控制范围，可用来取代继电器控制装置，如机床电 气控制，马达控制等：还可用来取代顺序控制和程序控制，如高炉上料系统、电梯 控制、港门码头的货物存放与提取、采矿的皮带运输等。可见它既可用于单机控制， 又可用于多机群控制以及生产自动线的控制。 2 用于闭环过程控制 现代的大型可编程控制器，都配有p i d 子程序，某些厂家把p i d 功能独立出来， 如g e 公司的p r o l o o p 过程控制器，可执行p i d 控制、比例控制和级联控制。有单 回路、8 回路和自动调试三种方式供选择。每一回路计算时间为3 6 m s ，用g e i i 系 列可编程控制器最多可监控2 5 6 个回路。此外可编程控制器还可用于闭环的位置控 制和速度控制中。 3 c n c 与p c 组合一体实现数值控制 用于与机械加工的数字控制( n c ) 及计算机数控( c n c ) 组成体，实现数值 控制功能。如同本f a n u c 公司推出的s y s t e m l 0 、1 1 、1 2 系列，已将c n c 控制功能 与可编程控制器融为一体。为了实现可编程控制器和c n c 设备之问内部数据自由传 递，通过窗口软件，用户可以独立编程，由可编程控制器送至c n c 使用。同样，美 国g e 公司的n c 新机种也使用了具有数值处理的可编程控制器。日本东芝t o s n u c 6 0 0 也已将c n c 和可编程控制器组合在一起，实现数值控制。有关专家预言，今后几年 c n c 系统将变成以p l c 为主体的控制和管理系统。 4 用于机器人控制 随着工厂自动化网络的形成，使用机器人的领域将越来越广。机器人同样可选 用可编程控制器来进行控制。例如德国西门子公司制造的机器入就采用该公司生产 的1 6 位可编程控制器。一台控制设备可对具有3 6 轴的机器入进行控制，自动地 处理它的各种机械动作。又如美国j e e p 公司焊接自动线上使用的2 9 个机器人，每 台都有一个可编程控制器进行控制。 1 3 本课题的研究的目的及主要内容 可编程逻辑控制器经过3 0 多年的发展，其功能已经从单一的逻辑控制扩展到 复杂过程控制领域，并可以与工业控制计算机组成自动化控制网络，能够满足各种 ： 业现场的控制要求。p l c 有强大生命力的关键在于它更适合工业现场和市场的要 南京航空航人人学硕十学位论文 求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装、使用简便、坚固耐用、性能价格 比高。随着p l c 和现代通信技术、网络技术的发展，网络化p l c 控制系统的应用前 景更广阔。传统p l c 之间的网络互连主要通过r s 2 3 2 串行总线，传输速度慢，距离 短，远不能满足现代工业现场控制的需求。现场总线的出现打破了网络化p l c 控制 发展的瓶颈，基于现场总线的网络化p l c 控制系统是在分布式控制系统的基础上发 展起来的，突破了分布式控制采用通信专用网络的限制，采用了公丌化、标准化的 解决方案；而且，把分布式控制系统的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了 新型全分布式结构：把控制功能从上层和下层结合控制，变成彻底下放到现场实现 下层控制。因此，将现场总线技术与p l c 相结合，实现基于现场总线的网络化p l c 控制系统充分发挥了p l c 和现场总线的优势，有利于控制过程的网络化、智能化、 实时性和灵活性。 本文主要针对采用现场总线技术的网络化p l c 控制系统的控制结构、应用软件 和硬件进行了研究，提出并详细设计了一种基于c a n 总线的网络化p l c 控制系统的 软、硬件。具体包括以下几方面 1 对各种现场总线的性能特点进行分析比较，确定合适的现场总线： 2 提出一种基于c a n 总线的网络化p l c 控制系统结构： 3 开发调试了基于梯形图的p l c 编程及仿真软件： 4 设计开发了c a n 总线适配器和基于c a n 总线的网络化p l c 系统样机 基tc a n 总线的网络化p l ( 技术研究与实现 第二章可编程控制器的网络结构分析 2 1 可编程控制器网络的概念和结构 p l c 网络有p l c 控制网络和p l c 通信网络两种，分别具有不同的定义。p l c 控 制网络是指只传送开关量，且一次传送的数据量较少的网络。例如p l c 的远程i o 链路，通过l i n k 区交换数据的p l c 同位系统。这种网络的特点是尽管要传送的开 关量远离p l c ，但p l c 对他们的操作就跟自己的7 0 区操作一样简单方便。p l c 通 信网络又称高速数据公路，这类网络既可以传送开关量又可以传送数字量，次通 信的数据量较大。这类网络的工作过程类似于普通局域网，比如a - b 的d h + 网络， 西门子的s i n e c h l 网络，m o d i c o n 的m o d b u s + 网络等都属于p l c 通信网络。 随着通信技术的发展，p l c 控制网络只传送开关量不传送数字量的限制正在突 破，因为刀= 关量和数字量本身并没有界限，多位的开关量并在一起就是数字量。因 此这两种p l c 网的本质区别在于通信网类似于普通局域网工作过程，而控制网的工 作过程就像p l c 对自己i o 区操作一样。 2 1 1 p l c 网络中的常用通信方式 1 p l c 控制网络的“周期i o 方式”通信 可编程控制器的远程i o 链路就是一种p l c 控制网络，在远程u o 链路中采用 “周期i o 方式”交换数据。远程i 0 链路按照主从工作方式，可编程控制器带的 远程i o 主单元在远程i 0 链路中担任主站，其它的远程i 0 单元皆为从站。在主 站中设立一个“远程i o 缓冲区”采用信箱结构，划分为几个信箱与每个从站一一 对应，每个分箱再分为两格，一格发送一格接收。主站中负责通信的处理器采用周 期扫描方式，按顺序与各从站交换数据，把相应的分箱中发送分格的数据送至从站， 从从站中读取数据放入对应的分箱的接收分格中。这样周而复始，使主站中的“远 程i o 缓冲区”得到周期性的刷新。 在主站中p l c 的c p u 单元负责用户程序的扫描，按照循环扫描方式进行处理， 每个周期都有一段时间集中进行i o 处理，这段周期用来对本地i 0 单元及远程i 0 缓冲区进行读写操作。p l c 的c p u 单元对用户程序进行周期性循环扫描，该项工作 与p l c 负责通信的处理器对各远程i o 单元的周期性扫描是异步进行的。 j ：站中负责通信的处理器采用周期扫描方式与各个从站进行数据交换，使主站 中“远程i o 缓冲区”得到周期性刷新，被称为“周期i o 方式”，其主要特点是， 堕室堕窒堕垄叁鲎堡兰! 垡堡圣 一一 l 自于通信要占用p l c 的t o 区，所以只适用于少量数据的通信；而从表面看远程i 0 链路的通信就好像是p l 。c 直接对远程i o 单元进行读写操作，因此简单方便。 2 p l c 控制网络的“全局i o 方式”通信 全局i 0 方式是一种串行共享存储区通信方式，主要用于带有链接区的p l c 之 p l cip l c 2 p l c3 链接区链接区 链接区 l l 发送区 i l t 接收区 l i 接收区 l l 2 接收区l l z 发送区 i l2 接收区 l3 接收区ll ：接收区i i3 发送区 p l c 网络 图2 1 全局i o 方式的工作 全局i o 方式的通信原理如图2 一l 所示，在p l c 网络的每台p l c 的i 0 区中 各自划出一块链接区，每个链接区都采用上图的邮箱结构。相同编号的发送区和接 收区大小相同，占用相同的地址段，一个为发送区其它为接收区，采用广播方式通 信，如p l c l 把l 号发送区的数据在p l c 网络上广播，p l c 2 、p l c 3 收听到后把信息 放在各自的l 号接收区中，同样p l c 2 、p l c 3 把它的发送区中的数据采用广播的形 式发送网络上，由另外的两台p l c 分别放在自己对应的接收区中，这样通过上述的 广播通信过程，p l c l 、p l c 2 、p l c 3 的各个链接区中数据是相同的，这个过程称为等 值化过程。通过等值化通信使得p l c 网络中的各台p l c 的链接区中的数据保持一致， 既包含自己发送的数据，也包含着其它p l c 送来的数据，由于每台p l c 的链接区大 小一致，占用的地址段相同，每台p l c 只要访问自己的链接区就等于访问了其它p l c 的链接区，也就相当二f 与其它p l c 交换了数据。这样链接区就变成了共享存储区， 成为各p l c 交换数据的中介。 链接区可以采用异步方式刷新( 等值化) ，也可以采用同步方式刷新。异步方 式刷新与p l c 中用户程序无关，由各个p l c 所带的通信处理器按顺序进行广播通信， 周而复始使其所有的链接区保持等值化。同步方式刷新是由用户程序中对链接区的 基rc a n 总线的刚络化p l c 技术研究与实现 发送指令启动一次刷新。 3 主从总线1 ：n 通信方式 主从总线通信方式又称为l ：n 通信方式，在总线结构的p l c 子网上有n 个站， 其中只有1 个主站，其它都是从站，这也是这种通信方式被称为1 ：n 通信方式的 原因。 主从总线通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮 询表法，轮询表是一张从机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照轮询表的 排列顺序对从站进行询问，看它是不是要使用总线，从而达到分配总线使用权的目 的。为了保证实时性，轮询表中至少包含每个从站号一次，在周期轮询时，每个从 站在个周期中都有机会取得总线的使用权，从而保证了每个站的基本实时性。对 于实时性要求较高的从站点可以在轮询表中存贮一个从机号的多个拷贝，这样就可 以用静态的方法使实时性要求高的从机获得较高的优先权。还可以采用动态的方 式，比如将轮询表和中断的方式结合使用，让紧急任务可以打断正在进行的周期轮 询而获得优先服务等等。获得总线使用权的从站可以有两种基本的数据传送方式： 一种是只允许主从通信，不允许从从通信，从站之间的数据交换必须经过主站的中 转。另一种是既允许主从通信也允许从从通信，从站获得使用权后先安排主从通信， 再处理自己与其它从站的通信。 4 令牌总线n ：n 通信方式 令牌总线通信方式在总线结构上的p l c 子网中有n 个站，和1 ：n 不同的 是，这些站点没有主从之分，每个都可以作为主站与其它站点通信，即各个站之间 的地位是完全平等的，所以称之为n ：n 通信方式 这种通信方式采用令牌总线存取控制技术，在物理总线上组成个逻辑环，让 一个令牌在总线中按一定方向顺次流动，获得令牌的站取得总线的使用权。令牌总 线存取控制方式限定每个站的令牌持有时间，保证令牌循环一周时每个站都有机会 获得总线使用权，并提供优先级服务，因此具有较好的实时性。 对实时性有很大影响的是站采用的数据传送方式，如果采用无应答数据传送方 式，取得令牌的站就可以立即向目的站发送数据，发送结束通信过程随之完成，不 需要等待数据传送结果的确认。如果采用有应答数据传送方式，取得令牌的站向总 线发出数据后并不算通信过程的完成，但随后会释放令牌并依次向下传递，知道目 的站获得令牌并把应答帧发送回发送站后，整个通信过程才结束，这样比无应答方 式响应时间明显增长，实时性下降。 5 浮动主站n ：m 通信方式 南京航空航天人学硕七学位论文 浮动主站通信方式在总线上设有m 个站，其中n 个为主站，其余为从站，采用 令牌总线与主从总线相结合的存取控制方式。茸先把n 个主站组成逻辑环，通过令 牌在逻辑环中依次流动，在n 给主站之间分配总线使用权，获得总线使用权的主站 再按照主从方式来确定在自己的令牌持有时间内与那些站通信。一般在主站中配置 有一张轮询表，可以按照轮询表上排列的其它主站号及从站号进行轮询，获得令牌 的主站对于用户随机提出的通信任务可按优先级安排在轮询之前或之后进行。 6 c s m a c d ( c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 通信 方式 c s m a c d 是一种随机通信方式，适用于总线结构的p l c 网络，总线上各站地位 相等，没有主从之分。使用总线的各个站点，在发送数据之前必须监听，看总线是 否空闲，确认总线空闲后再向总线发送数据。这样并不能完全避免冲突，发送信息 的站点采用边发送边监听的方式，发现冲突要立即停止发送，并发出阻塞音，通知 网上其它站发生了冲突，然后冲突双方采用取随机数代入指定函数的退避算法来决 定重新上网时间，解决冲突。c s m a c d 存取控制方式不能保证在定时间周期内， p l c 网上每个站都可以获得总线使用权，也不能用静态方式赋予某些站以较高的优 先权，不用用动态方式赋予某些紧急通信任务以较高优先权，故不能保证任务响应 的实时性。但是这种通信方法采用随机方式，通信资源利用率高，因而在p l c 网络 中c s m a c d 通信法适合用于上层生产管理子网。 2 1 2 几种常用控制网络的分柝比较 对于工业现场的联网控制系统，所选的网络要满足两个主要要求：时间要求和 保证发送要求，即在满足实时性的条件下必须保证数据准确无误的发送。例如，从 现场p l c 传来的输入触点的变化必须能够及时准确的传到上位机上以满足监控需 要，如不能及时到达，可能会导致现场的信息不能反馈，从而使整个系统工作性能 恶化。为满足控制系统的这些要求，有几种常用的控制网协议包括以太网 ( e t h e r n e t ，i e e e8 0 2 3 ：c s m a c d ) ，令牌总线( t o k e nb u s ，i e e e8 0 2 4 ) 令牌 环( t o k e nr i n g ，i e e e8 0 2 5 ) 和控制器局域网( c a n ) 。下面将简单叙述一下这三 种网络协议并加以比较。 l 、以太网 以太网诞生于7 0 年代的实验室，在8 0 年代中期已经确立了局域网市场上的主 导地位，以太网使用具有冲突检测的载波侦听多路访问机制( c s m a c d ) 解决通信 介质上的冲突， 即一个节点要发送一个帧时，先要侦听信道上是否有信息在传递， 如果有必须等到信道空闲；否则，它立即发送。如果有两个以上节点侦听到网络空 闲并同时开始传送数据，这些传送节点的报文发生冲突，报文被破坏。侦听到冲突， 基于c a n 总线的网络化p l c 技术研究与实现 发送节点停止发送报文，等待段随机时间后重新发送。 以太网帧格式图2 2 所示，其中p r e 为前导，s f d 为帧起始，d a 为目的地 图2 2 以太网帧格式 址，s a 为源地址，p a d 为填充字节，f c s 为校验和，h e c 为信头差错控制，e x t e n s i o n 为扩充字节。其中的扩充字节是半双工的g e 帧格式所特有的。8 0 2 3 帧格式分为数 据字段和附加信息段。数据字段最少为4 6 个字节，最多为1 5 0 0 个字节。标准中规 定从目的地址段到校验序列的长度不小于6 4 个字节，所以数据段有非零最小数据 长度要求，对于数据小于4 6 个字节的情况，则填充数据字节，使其达到最小长度。 附加信息段包括前同步信号、起始界定符、目的地址、源地址、长度和校验序 列等，总长度为2 6 个字节。 以太网用作控制网时。一般采用l o m b p s 标准，而高速( 1 0 0 m b p s 或1 g b p s ) 以 太网主要用作数据传送网络。以太网是一种非确定性协议，不支持报文优先级。网 络负担重时，会产生信道截获情况，信道截获导致短暂的不公平，在这期间内某 些节点将丧失对信道访问的竞争。因为有最小有效帧长度的限制，以太网要用大的 报文传送少量的数据。 2 、 令牌总线网 令牌环是i b m 公司推出的一种网络技术，环上的多个工作站逐个与环相连，相 邻站之间是一种点对点的链路。令牌环网的工作站以串行方式顺序连接，行成一个 封闭的环路结构。数据顺序经过每个工作站直至到达数据的原发者停止。令牌总线 网是一种确定性网，因为令牌循环时间可以确保在最大等待时间内发送报文。在网 络运行中，有令牌的节点发送数据帧，直到数据帧被发送完或拥有令牌时间用完。 然后，节点重建令牌并传送给逻辑上的后继节点。如果某个节点没有帧要传送，它 就将令牌传送给后继节点。因为一次只有一个节点可以传送报文，所以不会出现冲 突。 控制网( c o n t r o i n e t ) 是一种典型的令牌总线网，它的帧结构如图2 3 所示， 附加信息总长度为7 个字节，包括前同步信号、帧起始界定符、源介质访问控制i d 、 循环冗余校验( c r c ) 和帧结束界定符。数据分组帧可包含数个链路数据包，每个 南京航空航犬人学硕士学位论文 数据包由大小、控制、标识、数据，总长度为。一5 1 0 字节。 在网络负担重时，令牌总线协议效率比较高。但是，如果在一个逻辑环上有许 多节点且数据通信量不大，那么将有很大一部分时间用于节点间传送令牌，它的效 率相比以太网等竞争协议网络有定差距。 节2 前同 l 起始帧 l 源介质访问 步信号 j界定符i i d 源介质访问 i d c r c 校验l帧结束 序列i界定符 3 、c a n 总线网 字节 i l 大于2 0 - - 5 0 6 图2 3 令牌总线帧结构 c a n 总线是8 0 年代初由德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪 器之间的数据交换而开发出的一种串行数据通讯协议，它是一种多总线，应用范围 遍及从高速网到低成本的多线路网络，由于其优越的性能，c a n 现在已经不仅仅是 用于汽车工业，也被广泛地用于其它对时间有苛刻要求的应用场合。c a n 协议根据 报文的优先级仲裁介质访问，适用于传送短报文。c a n 协议是面向报文的协议，报 文中没有源地址和目的地址，只有标识符。标识符不但起标识报文的作用，而且确 定了报文的优先级。 c a n 协议中，附加信息包括帧起始位、仲裁场、控制场、c r c 校验场、应答场 和间歇场，总长度为4 7 位，数据场长度为o 一8 个字节。如图2 4 所示。 图2 4m a c 数据帧 协议的比较与分析 三种典型控制网络的比较如表2 一l 所示。 基于c a n 总线的网络化p l c 技术研究与实现 表2 - 1典型控制网络系统参数 i 以太网令牌环网c a n 网 l波特率( b l b p s )l o51 位时间( “m ) o 10 2l 最大长度( m )2 5 0 01 0 0 04 0 最大数据长度( 字节) 1 5 0 05 0 48 最小报文长度7 2 字节7 字节4 7 位 最大节点数大于i 0 0 09 91 1 2 c a n 总线由于波特率比较低，所以每位传送的时间比较长，在传送相同长度的 报文时会比其它网慢。在数据长度大于2 0 个字节时，以太网使用较少的传送时间， 而当数据量很小时，以太网协议由于存在最小有效帧长度的限制，所以需用大报文 传送少量数据。尽管在发送少量数据时令牌环网使用较少的传送时间，但是它要一 些网络更新时间( n u t ) 来获得网络访问权。但是c a n 总线对于少量数据的编码效 率在三种控制网络中是最高的，这里的编码效率是指数据长度和报文长度的比值， 针对p l c 控制系统中数据长度一般都比较短而且对时间要求比较严格的情况下，采 用c a n 总线作为p l c 通信网络是非常合适的。 2 2 p l c 之间的网络互连及p l c 与上位机的通讯 2 2 1 上位计算机与p l c 之间的通讯 目前大多p l c 均带有r 8 2 3 2 4 8 5 通讯口，可方便的与p c 机通过r s 2 3 2 口进行 串行通讯，构成上下位机主从控制系统，如图2 - - 5 所示。 通常上位p c 机只有r s 一2 3 2 接口，对于带有r s - 2 3 2 接口的p l c 可以直接与计 算机串口相连，而当p l c 上只有r s 一4 8 5 接口时，就要使用一个r s 一2 3 2 到r s - - 4 8 5 转换器进行连接。这种p l c 联网系统采用屏蔽双绞线作为通讯介质构成双线通讯网 络可以连接多达3 1 台控制器，并可以以高达3 8 4 0 0 位的通讯速度交换信息。要使 下位p l c 可和上位p c 机正确交换数据，不仅要保证波特率一致、数据格式一致， 而且要求上位机严格按照各个不同系列可编程控制器的专用协议发送信息，这样 p l c 才能理解上位机发来的命令帧，上位机也可以理解p l c 发回的响应帧。当上位 p c 向网络发送信患时，连接到网络的所以p l c 都会接收到，为了区别每个p l c 需要 一个控制器识别码( 由两个a s c i i 字符表示一个1 6 进制的号码，范围0 0 - - f f ) ，这 样上位机可以通过r s 一4 8 5 通讯线对挂在上面的所有控制器进行操作。在r s 一4 8 5 通 讯网络中，标准串口通讯可设置为9 6 0 0 波特率，每帧信息由8 位二进制，j 位停止 位组成，无奇偶校验位。p l c 的命令块由字符“ ”和双字节十六进制识别码i d ( 0 0 南京航空航天入学硕十学位论文 一f f ) 丌始，并以双字节“帧校验数据f c s ”和中止符来结束。其中f c s 为校验串行 二进制位序列通讯中是否出错提供了依据。当p l c 控制器接收到上位机发送的命令 块时，首先即使该命令块的帧校验数据，并强计算结果与该命令中帧校验数据( f c s ) 位置的进行比较，如果二者不一致，则产生“帧出错”信息，并将特定格式的帧出 错信息块给上位机。 图2 5p c 与p l c 通过r s 4 8 5 通讯 2 2 2 p l c 间的通讯 p l c 之间的通讯可以分为下位连接系统和同位连接系统。下位连接系统又称远 程i o 系统，是以一台可编程控制器为主，通过远程i o 链路把远程i o 单元、远 程终端及i 0 链接单元互连在一起构成的系统。同位连接系统是把数台可编程控制 器互连在一起构成的系统，从通信角度看，每台p l c 地位相同，没有主从之分。 当现场控制点比较分散而要求进行集中控制被控对象时，这时常选用一台可编 程控制器作为主控制器利用远程i 0 单元构成p l c 控制系统。这种控制系统的通信 子网采用主从式总线，主p l c 的远程i o 主单元为通信的主站，其它的远程i o 从 单元、i o 链接单元、光传送i o 单元及远程终端皆为从站。主站与从站之间采用 周期t o 方式通信，从站与从站之间没有数据交换。一般在主站中设立两台处理器， 一台负责用户程序和 o 信号的扫描处理，另一台负责远程i o 链路的通信。在主 站的远程i o 主单元内开辟一块集中的数据缓冲区用于存放每台从站的数据，负责 远程通讯的处理器按周期扫描的方式工作，每个周期顺次与各个从站交换一次数 据，以刷新数据缓冲区中的从站点数据。负责用户程序和i o 信号扫描的处理器不 仅与本地t o 单元直接交换数据，还从远程i 0 缓冲区中读写数据，这就达到了跟 从站交换数据的目的。主p l c 的处理器单元对用户程序的扫描与远程i o 主单元处 理器对远程i o 链路上各从站的扫描异步进行，一般情况下对从站的扫描要比对程 基于c a n 总线的网络化p l c 技术研究与实现 序的扫描快，这就保证了远程1 o 数据的及时性。为了使远程! o 扫描能快速进行， 各从站把主站要读耿的数据放在指定区域准备好，并为主站要写入的数据准备好存 放区域。连接方式如图2 6 所示 图2 6 远程i 0 系统的组成 同位连接系统又称p c l i n k 系统，以p c l i n k 单元作为通信单元，经电缆把数 台可编程控制器互连在一起构成的p l c 网络，每台p l c 的地位相同，它们通过 p c l i n k 单元中的l r 公共数据区实现p l c 之间的数据交换。在同位连接系统中，每 台p l c 上至少装一个p c - l i n k 单元，设某一层同位连接系统有n 台p l c ，首先为每 个p c l i n k 单元设单元号，从0 到n l 不等。在每个p c l i n k 单元中都有一个链 接继电器区l r ，同位连接系统把每台p l c 的l r 区地址重合在一起作为公共数据区 共享。其中每台p l c 的l r 区划分成邮箱结构，即把每个l r 区都分成n 个分格，如 果第0 个分格被定义为0 号p l c 的发送区，则1 ( n 1 ) 编号的p l c 同样的地址即第 0 个分格为接收区。当0 号p l c 发送数据时，所有的p l c 的0 分格都会接收到此数 据。每台p l c 上只可以设置一个发送区，当一台p l c 把要发送的数据写入自己的发 送区，经过同位连接系统的等值化通信过程，把该发送的数据传送到其它p l c 的p c 链接单元对应的接收区中，这样每台p l c 访问自己的l r 区就可以获得其它p l c 的 数据。 由于r s 一2 3 2 串行接口采用单端非平衡式线驱动器和接收器，当传输线路较长 时，传输线上的电容增大，传输速度较高式，线电容的充放电电流就要增加，这会 导致接受端的信号减弱，甚至无法辨认。故其最大传输速率限制再2 0 k b p s 以下， 最大通讯距离不超过2 0 m ，难以适应工业现场的要求。 南京航空航大人学硕十学位论文 2 3 基于p l c 网络技术的分布式控制系统设计 8 0 年代以来各种专用分布式控制系统产品在电力、石化、化工等行业发挥了 重大的作用，但这些产品实行专有化生产，价格很高，阻碍了分布式控制系统的普 及和技术改造。现在随着计算机技术的发展，可编程控制器、通讯联网技术也获得 了长足的进步，为工业自动化控制注入了前所未有的生机和活力。现在的p l c 发展 已经向高功能、高速度和大容量发展，具备了较为完善的网络化通信能力，因此采 用p l c 完成分布式控制系统的设计的基础条件已经成熟。 2 3 1 控制网络的构成 基于p l c 的分布式控制系统建设，关键问题是实现控制网络的建设，在工业现 场存在大容量和需要快速响应的大量信息，网络设置不当会导致通讯网络堵塞，严 重影响现场的生产和监控。控制网络的主要功能包括数据采集、数据存储、信息管 理和实时监控等，可以将基于p l c 的分布式控制系统通讯网络分为三层：监控管理 层、信息服务层和过程控制层。 其中监控管理层包括多台运行工作站、工程师站和提供i n t e r n e t 远程访问的服 务器，其标准可以采用目前通用的商用冗余以太网，其速率可以达到1 0 0 m b p s 。信 息服务层包括冗