（机械工程专业论文）plc与上位计算机通讯监控系统的研究与应用.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在现代工业企业自动化中，计算机控制技术充当了较重要的角色，它是计 算机技术和控制理论有机的结合。可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 及其网络是构成c i m s 系统的基础，是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。 本文主要讨论了p l c 及其网络的工作机理和具体实现，重点研究了把个人计 算机开发成p l c 及其网络的超级终端，实现对p l c 工业控制系统的数据操作和 管理的技术。通过对p l c 的工作原理及p l c 网络通信的基本理论的研究，达到 在构建p l c 工业控制系统时掌握p l c 实现控制的要点、控制过程和控制方式以 及p l c 控制网络拓扑结构和各级子网通信协议配置原则的目的。重点介绍了个人 计算机与p l c 连网通信的条件、个人计算机的异步通信适配器、以及运用高级语 言编写个人计算机与p l c 通信的接口程序原理。计算机实时p l c 监控系统的构 建和软件设计方丽，针对p l c 网络通信技术在热处理生产线上的运用、个人计算 机与p l c 通信技术在轧钢厂监控系统中的运用实例，结合实时控制系统的程序设 计原理、处理方法、接口技术、增量式p i d 数字控制算法，全面探索整个p l c 及 其网络监控系统的程序设训核心控制开发技术。 关键词：p l c 及其网络，通信胁议，p i d 控制算法，p l c 监控 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m e n t e r p r i s ea u t o m a t i o n ，t h et e c h n i c a lo fc o m p u t e r c o n t r o lp l a ya i li m p o r t a n tr o l ei nm o d e mc o n t r o ls y s t e m ，c o m b i n gw i t hc o m p u t e r t e c h n i c a la n da u t o m a t i o nc o n t r o lt h e o r y p l ct e c h n i c a la n dn e t w o r ki st h eb a s eo f c i m s ，a tt h e s a m et i m e ，p l ct e c h n i c a li so n eo fm o d e ma u t o m a t i o nt h r e e s u p p o r t ( p l c ，r o b o t a n d c a d c a m ) ， t h ep a p e ri sm a i n l yd i s c u s s e da b o u tt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dr e a l i z i n gm e t h o d a n dt h e p a p e rs t u d y t h es u p e rt e r m i n a lo f c o n v e r t i n gp e r s o nc o m p u t e ri n t op l c a n d n e t w o r ka n dr e a l i z et h et e c h n i c a lo fp l cc o n t r o ls y s t e md a t am a n a g e m e n ta n d o p e r a t i o n t h r o u g h t h e s t u d y o fp l c w o r k i n gp r i n c i p l e a n dp l cn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nb a s i ct h e o r y , i ti sam a i np u r p o s et om a s t e rt h ec r u c e so f r e a l i z i n g p l cc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o lp r o c e s sa n dc o n t r o lm o d e ，p l ct o p o l o g ys t r u c t u r e a n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e ns u bn e t w o r k t h e p a p e r i n t r o d u c et h e c o n d i t i o no fc o m m u n i c a t i n gb e t w e e n p e r s o nc o m p u t e r a n d p l c ，t h ep e r s o n c o m p u t e ra s y n c h r o n i s ma d a p t e ra n d t h eh i g hp r o g r a m m i n gl a n g u a g ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ep r i n c i p l eo fp l c f o r mp l cm o n i t o r i n gs y s t e me s t a b l i s h i n g ，a p p l i c a t i o n o nh e a tt r e a t m e n tp r o d u c tl i n eo fp l cn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n i c a l ，c o m b i n g w i t h p r o g r a n a m i n gd e s i g np r i n c i p l e ，p r o c e s s m e t h o d ，i n t e r f a c e t e c h n i c a la n d i n c r e m e n tp i dd i g i t a l c o n t r o l a r i t h m e t i c ，t h ep a p e rs t u d y o nt h ec o r ec o n t r o l t e c h n i c a lo f p l ca n dn e t w o r k m o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p l c a n dn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，p i dc o n t r o la r i t h m e t i c m ， p l c m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 可编程序控制器及其网络概述1 1 【2 1 【1 4 1 1 1 1 可编程序控制器及其网络的发展历史 1 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 根据市场形势与生产发展的需要，提出 了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。要实现这个战略决策，依 靠原有的工业控制装置显然不行，而必须有一种勰的工业控制装置，它可以随着 生产品种的改变，灵活方便地改变控制方案以满足对控制的不同要求。1 9 6 9 年， 著名的美国数字设备公司( d e c ) 根据g m 的功能要求，研制出了这种新的工业 控制装置，并在g m 公司的一条汽车自动化生产线上首次运行取得成功。根据这 种新型：工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控 制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) ，简称p l c 。 从1 9 6 8 年到现在，p l c 经历了四次换代：第一代p l c 大多用一位机开发， 用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能。在第二代p l c 产品中换成了8 位微处理 器及半导体存储器，p l c 产品开始系列化。第三代p l c 产品随着高性能微处理器 及位片式c p u 在p l c 中大量使用，p l c 的处理速度大大提高，从而促使它向多 功能及联网通信方向发展。第四代p l c 产品不仅全面使用1 6 位、3 2 位高性能微 处理器，高性能位片式微处理器，r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 精简 指令系统c p u 等高级c p u ，而且在一台p l c 中配置多个处理器，进行多通道处 理。同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代p l c 产品成为具有逻 辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真 1 f 名符其实的多功能控制器。同一时期，由p l c 组成的p l c 网络也得到飞速发 展。p l c 与p l c 网络成为工厂企业中首选的：1 ：业控制装置，由p l c 组成的多级 分布式p l c 网络成为c i m s ( c o m p u t e r - i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 系统不可 或缺的基本组成部分。入们高度评价p l c 及其网络的重要性，认为它是现代工业 自动化的三大支柱之。 1 1 2p l c 及其网络是现代工业自动化的支柱 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。从近年的统计数据看，在世界范围内，p l c 产品的产量、销量、用量高居 各种工业控制装置榜首，形成这一局面有其深刻的原因： p l c 集三电于一体。工业自动化通常分为三类：一类是控制开关量的逻辑控 制系统，一类是控制慢连续量的过程控制系统，一类是控制快连续量的运动控制 重庆大学硕士学位论文 系统。在传统上对于这三种控制系统使用不同的控制装置。逻辑控制用电控装嚣 ( 电气控制装置即继电器接触器控制柜) ，过程控制用电仪装置( 电动单元组合仪 表) ，运动控制用电传装置( 电气传动控制装置) 。所谓三电指的就是电控、电仪、 电传。 从现代控制装置来看，无论是逻辑控制、过程控制还是运动控制都使用计算 机开发的控制装胃，计算机成为三电一一体的物质基础。 有两种实现三电一体化的思路：一种是在网络一级实现三电一体化，逻辑控 制装置、过程控制装置、运动控制装置尽管各不相同，但他们通过网络载体实现 了三电一体化。另一种思路是在控制装置。级实现三电一体化，一台控制装置既 有逻辑控制功能，又有过程和运动控制功能。d c s ( d i s t r a b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系 统沿着前一种思路发展三电一体化，它花费较大，适合于大型自动化系统。p l c 则治黄后一种思路发展三电一体化，它灵活机动，三电集成度高，适合于各种规 模的自动化系统。 随着p l c 的处理器处理速度的不断提高，p l c 的功能不断增多，现在发展成 具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功 能的名符其实的多功能控制器。 p l c 网络的性能价格比高。p l c 网络经过多年的发展，已成为具有3 4 级子网的多级分布式网络。加上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流程 显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各类报表制作的多种功能的系统，所有 这一切使p l c 网络成为c i m s 系统非常重要的组成部分。而且p l c 网络仅在关 键部位配置冗余结构，在价格上大大低于d c s 等控制系统。 p l c 的高可靠性。p l c 是一种具有很高可靠性的控制装置，在硬件上采取 了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼 容性设计，采用了数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干 扰措施及故障诊断技术。 p l c 采用周期循环扫描方式工作，对输入输出集中进行，这种工作方式本身 具有抗干扰能力。通常，为了防止输入开关量丢失，把循环扫描的时间控制在 1 0 0 2 0 0 m s 之内，这个时间比p l c 所带的执行器的机电时间常数小得多，所以， 其纠f 错误输出的能力是十分强的。 1 2 p l c 控制系统 p l c 是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。通过运行存储 于p l c 内存中的程序，进行入出信息交换实现控制。 重庆大学硕+ 学位论文 1 2 1p l c 实现控制的要点 入出信息交换、可靠物理实现是p l c 实现控制的两个基本要点。入出信息 交换是靠运行存储于内存中的程序实现的。程序包含p l c 生产厂家提供的系统程 序和用户根据需要自行开发的应用程序。系统程序提供了运行平台，同时，还为 p l c 用户程序的可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。可靠物理实现 主要靠输入( i n p u t ) 及输出( o u t p u t ) 电路。p l c 的输入电路要对输入信号 进行滤波处理，去掉高频干扰，在内部与计算机电路进行光隔离，靠光耦元件或 继电器建立连接。输出电路需进行功率的放大，以带动一般的工业控制元器件， 如电磁阀、接触器等。图1 1 对p l c 数据流程进行了说明。其中框图代表信息存 储的地点，箭头代表信息流向及实现信息流动的手段。 输出电路i o 刷新 图1 1p l c 数据流程图 f i g 1 ，1t h ed i a g r a mo f p j 2d a t af l o w 运行 1 2 2p l c 的控制过程 p l c 实现控制的过程一般是：输入刷新运行用，o 程序输出刷新 再输入刷新再运行用户程序再输出刷新反复循环进行。同时系统还 会作公共处理，如循环时间监控、外设服务及通信处理等。具体如图l _ 2 所示。 1 2 ，3p l c 的控制方式 p l c 实现控制的方式是以扫描方式为主，中断方式为辅的控制方式。大量控 制都用扫描方式，个别急需的处理，可通过中断这个扫描运行的程序的方式来执 行。 霞庆大学硕士学何论文1 绪论 图1 2p l c 控制过程图 f i g 1 。2t h ed i a g r a mo f p l c c o n t r o lp r o c e s s 4 i o 刷新 外设 及通 讯服 务 初始化一系统自检 一运行程序 一解帅牌 重庆大学硕十学位论文 1 3 研究意义 通过对p l c 工业控制系统的基本理论研究和实践，掌握p l c 工业控制系统 的基本结构和控制方法，以及把个人计算机连入p l c 控制网络系统，通过个人计 算机与p l c 网络系统的通信，实现对p l c 工业控制网络系统的数据读写和基水 管理、质量管理等，以及工艺过程动态图像监控和工艺参数模拟运行，提高工艺 参数的准确性和可靠性，从而直观地实现对整个p l c 工业控制系统控制过程的图 像化管理。 1 4 研究内容 通过对p l c 工业控制系统的基本结构、p l c 基本控制理论和架构p l c 工 业控制系统的基本方法以及个人计算机与p l c 的通信方法、p l c 网络拓扑结构、 p l c 实现工业控制的命令帧结构、p i d 增量式控制算法在p l c 工业控制系统中的 运用等的研究，达到指导和实现把个人计算机建设成为p l c 工业控制系统的超级 终端的目的； 研究通过v i s u a lc + + 编程工具，编写p l c 工业控制系统超级终端的通讯控 制软件的核心方法，达到编制p l c 工业控制通讯软件的目的； 通过对上述基本理论的研究，实现对熏庆新生机电有限责任公司热处理生 产线p l c 工业控制系统、攀钢热轧钢厂设备监控系统的设计和构建，达到将理论 运用现场控制实践中的目的。 1 5 国内外研究现状 可编程序控制器及其网络是构成c i m s 系统的基础，是现代工业自动化支柱 之。从世界范围来看，p l c 及其网络的产量、销量等都非常的高，在我围也呈 直线上升，几乎在国民经济的所有部门得到了迅速的普及与推广。 全世界p l c 及其网络系统的研究与制造达2 0 0 多家公司，生产着4 0 0 多个系 列的产品。但若按其发展的历史渊源和所受的地域影响来划分，大体可分为三个 流派，即美国产品、日本产品及欧洲产品。美国产品中以卜b 公司的p l c 及其 网络产品为代表，日本产品则以o m r o n 公司的产品为代表，欧洲产品则以著名 的德国s m e n s 公司的产品为典型代表。 从技术层面上看，目前全世界的p l c 及其网络正朝着工作速度越来越快、控 制规模越来越大、内部器件越来越多、内存容量越来越大、模块化和高可靠性等 方向发展。微电子技术、计算机技术及通讯技术的发展，为p l c 的发展提供了基 础，目前的p l c 已具备热备份、分散化和丌放性等高级功能，尤其是把个人计算 机连入p l c 网络的技术，个人计算机被建设成为p l c 网络的超级终端或协议转 重庆大学硕士学位论文 换网桥的技术发展十分的迅速，各种与之配套的软件的功能已非常的强大，p l c 及其网络正逐步具备相当一部分n c 和d c s 等系统的功能，其技术发展非常的迅 猛。本研究课题正是为了推动p l c 及其网络技术的发展而作出的，具备一定程度 的现实意义。 熏庆大学硕士学位论文2 可编程序控制器系统配置 2 可编程序控制器系统配置 2 1 系统配置的基本原则1 2 1 1 4 1 5 】【1 0 1 1 ”3 】 p l c 控制系统的配置应遵循以下五条原则： 完整性原则。一般来讲需配置c p u 模板、电源模板、内存配置、i o 模板、 特殊模板、机架及连接单元和连接电缆、外设的配置等。 可靠性原则。可靠性可从4 个方面考虑：一是p l c 自身产品质量；二是 产品技术服务情况；三是重要场合下的可靠性要求；四是冗余配置。 发展性原则。即要求系统配最时要留有扩展的余地等。 继承性原则。在选型、外设配置、软件等方面考虑技术的发展和可继承性。 经济性原则。从p l c 本身和系统配置等方面考虑经济性问题。 2 2p l c 控制系统的基本配置 p l c 控制系统的基本配置根据p l c 的类型可分为模板式( 主流配置) 、箱体 式。模板式般由c p u 、电源、内存、i o 模板及地板或机架和简易编程器。 c p u 模板确定了可进行控制的规模、工作速度、内存容量等等。选得合适与 否至关重要，是系统配置中首先要进行的。内存模板是在c p u 规定范围内选择， 以满足存储用户程序的容量及其它性能要求。电源模板可以与c p u 模板合二为 一，也可是分开的，是依据p l c 用的工作电源种类、规格，和是否为i o 模板提 供工作及信号电源，以及容量需要来选择的。i o 模板是依据i o 点数确定模板规 格及数量。i o 点数可多可少，但其最大数量受c p u 所能管理的基本配置能力限 制。 2 3p l c 控制系统的扩展配置 p l c 控制系统的扩展配置是在基本配景的基础上，增加扩展机架或扩展机箱， 从而增加i o 点数的配置。扩展配置可充分利用c p u 、内存、外设资源，使p l c 的单点费用降低。且通过扩展配置还可实现远程安装，简化接线，便于维护等。 扩展配置可分为远程扩展配置、当地扩展配置等。 2 3 1 当地扩展配置 箱体式p l c 扩展配置较简单，即按所要增加的i o 点数加接相应的扩展箱体。 扩展箱体在外形上与主箱体差别不大。但它只有i o 电路及有关显示，无c p u 和 内存，有的可能配有电源。 扩展模板i o 地址的分配规律：( 以同本o m r o n 公司p l c 为例) 重庆大学硕+ 学位论文2 可编程序控制器系统配置 输入：从零通道开始，主箱体占两个通道，即0 0 ，0 1 。其机箱上对应接线端 子都注明有它的接点编号。最靠近主箱体的扩展箱体为0 2 通道，依次类推。 输出：从1 0 通道开始，主箱体占一个通道。其箱体上接线端子也注明有接点 编号。最靠近主箱体的扩展箱体为1 1 通道，依次类推。 模板式p l c 扩展配置可扩展配置i o 点数、机架、电源等。 扩展机架的t o 地址分配是：主机架号为o o ，依次最靠近主机架的机架号为 o l ，依次类推。 机架间用专用电缆相连。扩展机架要另外配扩展电源，以供i o 单元工作。 电源有交流和直流两种。直流为2 4 v 电源，为输入点提供输入电压。 2 3 2 远程扩展配置 远程扩展配置也可增加i o 点数，但它的扩展部分安放在远处。扩展部分与 主体部分通过传输介质靠通讯实现数据交换。同时，远程扩展配置还可使p l c 之 间实现主从控制，扩展部分可以是下位p l c ，其受主机控制。 远程扩展使对地域分布较广的系统进行综合控制成为可能，而且实现时既简 单又可靠。远程扩展种类较多，依传输介质分，有光纤、双绞线、同轴线等；依 远程部分分，有远程机架、远程终端、远程p l c 及混合的远程系统等。 2 4p l c 控制系统的特殊配置 配置特殊单元，实现特殊功能。根据功能划分，特殊单元大体为：高速计数 器单元、位置控制单元、模入模出单元、温度检测单元等。 2 4 1 高速计数器单元 中、大型高速计数信号用特殊的高速计数单元处理。该单元自配c p u ，可独 立处理计数、甚至中断输出等。但它是通过总线与p l c 连接，因此，c p u 也可 向它读写数据，实现对高速计数的控制。 具体的高速计数单元有很多类型，有单路的，仅处理一路高速计数；有两路 的，可处理两路高速计数；甚至更多路数。 2 4 2 位置控制单元 位最与运动控制单元用于运动部件的位置及速度控制，是数控( n c ) 技术在 p l c 控制系统中的运用。位控单元有单轴、双轴等类型，其有十一种命令实现位 置及速度控制，如s t a r t ( 起始命令) 、o r i g i ns e a r c h ( 原点查找命令) 、o r i g i n r e t u r n ( 原点返回命令) 、s t o p ( 停止命令) 、r e l e a s ep r o h i b i t ( 禁止释 放命令) 、r e a d e r r o r ( 读出错命令) 、r e s e t o r j g i n ( 复位原点命令) 、r e a c h ( 示敦命令) 、r e a n s f e rd a t a ( 传送数据命令) 、m a n u a l o p e r a t i o n ( 手 重庆入学硕士学何论文2 可编程序控制器系统配置 工操作命令) 、e x t e r n a li n t e r r u p tc o m m a n d ( 外部中断命令) 等。 2 4 3 模入模出单元 p l c 最初只能处理开关量，随着模入、模出单元的成功开发，现在也可处理 模拟量。 模入单元用以把模拟量转换成数字量。模拟量一般是指标准电信号，电流或 电压。电流为4 m a - 2 0 m a ，电压为0 - 1 0 v ，或者i - 5 v 或+ 1 0 v 等。转换后的数 字量可以为2 进制8 位、1 0 位、1 2 位或更高，对应的分辨率分别位量程的2 5 6 分之一、1 0 2 4 分之一、4 0 9 6 分之一等。模出单元用以把数字量转换成模拟量，模 拟量也是标准信号，电压、电流等。电流为4 m a , 一2 0 m a ，电压为0 1 0 v ，或者 1 5 v 等。数字量也是2 进制8 、1 0 、1 2 位，有不同的分辨率。此外模出单元还 可为输出脉冲，脉冲的充填系数或脉宽比j f 比于输出量。 2 4 4 温度检测单元 温度量是模拟量的一种，只要能用变送器将其变换成标准电信号，模入单j i 即可对其进行处理。但温度单元与用模入单元相比有以下几个特点： 可不用变送器，从热电偶或热电阻上直接读取信号即可。 读入的温度值为b c d 码，可直接用作显示。 从接线上可解决冷端补偿或导线阻值的影响。 温度检测单元有温度传感单元、温度控制单元、温度数据链接单元等几种类 型，分别用于输入、输出和数据传输等。 2 5p l c 控制系统配置应用实例 2 5 1 行车运动控制 行车的运动控制较复杂，涉及到停靠位置的识别和停止定位，p l c 通过配嚣 模入、模出模块，实现对位置传感器信号的采集和脉冲输出，达到控制行车驱动 电机的目的。 2 5 2 行车p l c 系统配置 行车p l c 控制系统的主要配置包括p l c 本身的单元配置以及与计算机的通 讯配置和电机控制与信息反馈装置。如表2 1 所示。 9 重庆大学硕士学位论文2 可编程序控制器系统配置 表2 1p l c 工业控制系统部分主要配置表 序号名称型号单位数量厂家 1工控机 p 8 0 0 ，2 5 6 m b ，8 0 g ，1 9 ” 1 台湾研华 2 组态于无限点套 1 j b 京亚控 3c p u 单元a 3 a c p u 套 1 三菱 4c p u 基板a 3 8 b 套 l 三菱 5 扩展底板a 6 8 b套 3三菱 6电源a 6 1 p4三菱 7输入模块a x 4 1套1 3三菱 8 输出模块 a y l 3套1 3三菱 9 模拟输入 a 6 8 a d套1三菱 1 0计算机连接模块a j 7 l u c 2 4套j三菱 1 1 高速计数模块 a d 6 1 套 1 三菱 1 2 编码器e 4 0 h 8 2 0 0 0 3 2 1a u t o n l c s 1 3连接电缆a c l 2 b 根 3 三菱( 原装) 1 4 编程电缆s c 一0 9根 1 三菱( 原装) 1 5中文编程软件g p pf o rw i n d o w s套1三菱 1 6 开关电源s 3 0 0 ，2 4 1 明纬 1 7 输出继电器 h c 2个3 0 0松下 1 8 光电开关 e 3 j m 一1 0 m 4 t个2 00 m r o n 1 9 变频器、刹车单元及电阻 6 1 6 g 54 5套2 安川 2 0操作台1 从表2 1 可知，该系统运用了p l c 系统的基本配置、位控配置、模入模出模 块配置以及通讯模块的特殊配置。事实上，工业上的p l c 控制系统，往往都是各 种配置模式混合运用。 0 重庆大学硕士学位论文3p l c 网络的拓扑结构及通信协议配置 3p l c 网络的拓扑结构及通信协议配置 3 1 控制系统模型简介m 1 9 【2 0 】【2 2 】【2 4 】 p l c 制造厂常常用金字塔p p ( p r o d u c t i v i t yp y r a m i d ) 结构来描述它的产品所 提供的功能。( 图3 ，1 a 为s i e m e n s 公司的生产金字塔) 。表明p l c 及其网络在工 厂自动化系统中，由上到下，在各层都发挥着作用。这些金字塔的共同点是：上 层负责生产管理，底层负责现场控制与检测，中间层负责生产过程的监控及优化。 国际标准化组织( i s o ) 对企业自动化系统的建模进行了一系列的研究，提出 了6 级模型( 如图3 1 b ) 。它的第1 级为检测与执行器驱动，第2 级为设备控制， 第3 级为过程监控，第4 级为车间在线作业管理，第5 级为企业短期生产计划及 业务管理，第6 级为企业长期经营决策规划。 图3 1 as i e m e n s 的生产金字塔 f i g 3 1 a t h ep r o d u c t i o np y r a m i d o f s i e m e n s 翁麓2 船厂i 再磊磊r 制 第级i墨竺竺型 i 土竺! 竺匪翌苎翌圈 图3 1 bi s o 企业自动化系统模型 f i g 3 1 bt h ea u t o m a t i o ns y s t e mm o d u l eo f l s o 3 2p l c 网络的拓扑结构 由于p l c 各层对通信的要求相差很远，所以只有采用多级通信子网，构成复 合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信 的要求。而且采用复合型结构不仅使通信具有适应性，而且具有良好的可扩展性， 用户可以根据投资和生产的发展，从单台p l c 到网络，从底层向高层逐步扩展。 下面以s i e m e n s 公司的p l c 网络为例，描述p l c 网络的拓扑结构和协议配置。 西门子公司是欧洲最大p l c 制造商，在大中型p l c 市场上享有盛名。图3 - 2 萤庆大学硕士学位论文3p l c 网络的拓扑结构及通信协议配置 表示了西门子公司的s 7 系列p l c 网络，它采用3 级总线复合型结构，最底一级 为远程i o 链路，负责与现场设备通信，在远程i o 链路中配置周期i o 通信机制。 在中间一级是p r o f i b u s 现场总线或主从式多点链路。前者( p r o f i b u s ) 是一种新型 的现场总线，可承担现场、控制、监控三级的通信，采用令牌方式或轮循相结合 的存取控制方式；后者为一种主从式总线，采用轮循式通信。最高层为工业以太 网，它负责传送生产管理信息。在工业以太网通信协议的下层中配置以8 0 2 - 3 为 核心的以太网协议，在上层向用户提供接口，实现协议转换。 图32s i e m e n s 公司的s 7 系列p l c 网络 f i g 3 2t h en e t w o r ko f s i e m e n s s 7p l c 3 3p l c 网络各级子网通信协议配置规律 通过典型p l c 网络的介绍，可以看到p l c 各级子网通信协议的配置规律如f ： p l c 网络通常采用3 级或4 级予网构成的复合型拓扑结构，各级子网中配 置不同的通信协议，以适应不同的通信要求。 在p l c 网络中配置的通信协议有两类：一类是通用协议，一类是专用协议。 在p l c 网络的高层子网中配置的通用m 议主要有两种：一种是m a p 规约 ( m a p 3 0 ) ，一种是e t h e r n e t 协议，这反映p l c 网络标准化与通用化的趋势。 p l c 问的互联、p l c 网与其他局域网的互联将通过高层协议进行。 在p l c 网络的低层子网及中间层子网采用专用协议。其最底层由于传递过 程数据及控制命令，这种信息很短，对实时性要求较高，常采用周期i o 方式 通信；中间层负责传递监控信息，信息长度居于过程数据和管理信息之间，对 实时性要求比较高，其通信协议常采用令牌方式控制通信，也可采用主从式控 制通信。 重庆人学硕士学位论文 3p l c 网络的拓扑结构及通信协议配置 个人计算机加入不同级别的子网，必须根据所连入的子网要求配嚣通信模 板，并按照该级子网配置的通信协议编制用户程序，一般在p l c 中不需编制程 序。对于协议比较复杂的子网，可购置厂家提供的通信软件装入个人计算机中， 将使用户通信程序的编制变得比较简单方便。 p l c 网络低层子网对实时性要求较高，通常只有物理层、链路层、应用层； 而高层子网传送管理信息，与普通网络性质接近，但考虑到异种网互联，因此， 高层子网的通信协议大多为7 层。 3 4 p l c 通信方法 在p l c 及其网络中存在两大类通信：一类是并行通信，另一类是串行通信。 并行通信一般发生在p l c 内部，它指的是多处理器之间的通信，以及p l c 中c p u 单元与各智能模板的c p u 之间的通信。本文主要讲述p l c 网络的串行通信。 p l c 网络从功能上可以分为p l c 控制网络和p l c 通信阔络。p l c 控制网络 只传送o n o f f 开关量，且一次传送的数据量较少。如p l c 的远程i 0 链路，通过 l i n k 区交换数据的p l c 同位系统。它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，就象直接对自己的i 0 区操作一样的简单、方便迅速。p l c 通信网络又称为高速数据公路，这类网络传递丌关量和数字量，一次传递的数据 量较大，它类似于普通局域网。 3 4 1 “周期i 0 方式”通信 p l c 的远程1 1 9 链路就是一种p l c 控制网络，在远程i o 链路中采用“周期i o 方式”交换数据。远程i o 链路按主从方式工作，p l c 的远程i 0 主单元在远程i o 链路中担任主站，其他远程i o 单元皆为从站。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，把与其对应的命令数据发送给从站，同 时，从从站中读取数据。 3 4 2 “全局0 方式”通信 全局i 0 方式是一种共享存储区的串行通信方式，它主要用于带有连接存储 区的p l c 之间的通信。 全局i 0 方式的通信原理如图3 - 4 2 所示。在p l c 网络的每台p l c 的i 0 区 中各划出块来作为链接区，每个链接区都采用如图3 4 2 所示的邮箱结构。相同 编号的发送区与接受区大小相同，占用相同的地址段，一个为发送区，其他皆为 接收区。采用广播方式通信。p l c l 把1 # 发送区的数据在p l c 网络上广播，p l c 2 、 p l c 3 把它接收下来存在各自的1 拌接收区中；p l c 2 把2 发送区的数据在p l c 网 络上广播，p l c l 、p l c 3 把它接收下来存在各自的2 # 接收区中；以此类推。由于 每台p l c 的链接区大小一样，占用的地址段相同，数据保持一致，所以，每台 重庆大学硕十学位论文 3 p l c 网络的拓扑结构及通信协议配置 p l c 访问自己的链接区，就等于访问了其他p l c 的链接区，也就相当于与其他 p l c 交换了数据。这样链接区就变成了名符其实的共享存储区，共享存储区成为 各p l c 交换数据的中介。 全局i o 方式中的链接区是从p l c 的i 0 区划分出来的，经过等值化通信变 成所有p i 。c 共享，因此称为“全局i 0 方式”。这种方式p l c 直接用读写指令对链 接区进行读写操作，简单、方便、快速，但应注意在一台p l c 中对某地址的写操 作在其他p l c 中对同+ 一一地址只能进行读操作。 图3 3 全局i 0 方式工作原理 f i g 3 3t h ew o r kp r i n c i p l eo f g l o b a li n p u t o u t p u t 3 4 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，这是在p l c 通信网络上采用的一 种通信方式。在总线结构的p l c 子网上有n 个站，其中只有1 个主站，其他皆 是从站。这种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，轮询表即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，看它是否要使用总线，从而达到分配总线使用权的 日的。 为了保证实时性，要求轮询表包含每个从站号不能少于一次，这样在周期轮 询时，每个从站在一个周期中至少有一次机会取得总线使用权，从而保证了每个 站的基本实时性。 3 4 4 令牌总线n ：n 通信方式 令牌总线通信方式又称为n ：n 通信方式。在总线结构上的p l c 子网上有n 个站，他们地位平等，没有主从站之分。这种通信方式采用令牌总线存取控制技 术。在物理上组成一个逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按照一定方向依次流动， 获得令牌得站就取得了总线使用权。 重庆人学硕士学位论文 3p l c 网络的拓扑结构及通信协议配置 3 5 现场运用 热处理生产线p l c 控制系统监控系统中采用i ：l 式“i o 周期扫描”的p l c 网 络通信方法，即把个人计算机连入p l c 控制系统中，计算机是整个控制系统的超 级终端，同时也是整个系统数据流通的重要枢纽。通过设计专业p l c 控制系统监 控软件，实现对p l c 系统的数据读写、工艺流程、质量管理，以及动态数据检测 与调整等功能，通过建立配置专用通信模板，实现通信连接，在协议配置上采用 9 6 0 0 b p s 的通讯波特率、f c s 奇偶校验和7 位的帧结构形式。 这样的协议配置和通信方法的选用主要是根据该热处理生产线结构较简单、 p l c 控制点数不多、控制炉内碳势难度不火和通讯控制场所范围较小的特点选定 的，是通过r s 4 8 5 串行通讯总线，实现p l c 与计算机之州的数据交流的，经过 现场生产运行，证明该系统的协议配置和通信方法的选用是有效、切实可行的。 重庆大学硕上学位论文4 个人计算机的通信机制及实时雌控软件设计 4 个人计算机的通信机制及实时监控软件设计 4 1 个人计算机通信机制2 】 3 】【5 】【1 8 【2 8 1 个人计算机与p l c 联网实现对工业现场的实时控制，一般是通过计算机的串 行通信来完成的。 4 1 1 通讯型式 可以分为并行传输、串行传输两种通讯方式，如图4 1 所示。 图4 ，i 计算机通讯方式 f i g41t h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nm o d e 并行通讯是一次的传输量为8 个位，而串行通讯一次只传输1 位，两者之 间传输速度相差8 倍，但串行通讯由于处理数据的电压只有一个标准校验，因 此不容易丢失数据。 4 1 2 串行通讯 r s 4 8 5 通讯。由于串行通讯简单易用，使得工业使用串行通讯来作为传输 数据非常普遍。可是工业环境通常会有噪音干扰，在以r s 2 3 2 作为传输时就经 常受到外界的电气干扰使得讯号发生错误。为了解决这个问题，就产生了r s 一4 8 5 的通讯方式。 首先r s 一2 3 2 的传讯讯号的准位是参考到地线，如果有干扰信号的作用，地 线和讯号本身均会受到影响，原始讯号加上噪声后传送到接受端，而电线部分的 讯号则被地位给平均掉了，因此，讯号发生了扭曲。 而r s 一4 8 5 的讯号将被传送出去时会先分成正负两条线路，当到达接收端后， 再将讯号相减还原成原来的讯号，如果讯号标示成( d t ) ，而被分后的讯号标示 成( d + ) 和( d ) ，则原始的讯号与离散的讯号在由传送端传送出去时的运算关 系如f ： 1 6 萤一 蘑庆大学硕士学位沦文4 个人计算机的通信机制及实时j l 【控软件设i ( d t ) = ( d + ) 一( d ) 同样，接收端在接收到讯号后，也依上式的关系将讯弓还原成原来的样子。 这样在线路受到干扰时，讯号在两条线路传输的值为( d + ) + n o i s e 和( d ) + n o i s e ； 其合成关系为： ( d t ) 2 ( d + ) + n o i s e 一 ( d 一) + n o i s e 2 ( d + ) 一( d 一) 所以使用r s 4 8 5 网络可以有效的防止噪声的干扰，工业上比较适合采用此 种串行传输方式。 r s 2 3 2 通讯。串行通讯端口( s e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t ) 在系统控制的范 畴中一直占有极重要的地位，不仅没有因为时代的进步被淘汰，反而在规格上愈 来愈向其极限挑战。现在计算机上的串行通讯端口( r s 一2 3 2 ) 是标准配置，用途 上则以连接m o d e m 作通讯传输最为常见。r s 2 3 2 的通讯端口是每一台计算机的 必要配备，通常有c o m l 、c o m 2 两个信道，有9 p i n 和2 5 p i n 两种接头方式。如 表4 1 所示。 表4 1r s 2 3 2 针脚定义 t a b l e 4 】t h er e f i n eo f r $ 2 3 2f o o t 脚位简写意义 p i n lc d 载波帧测( c a r r i e rd e t e c t ) p i n 2r x d接收字符( r e c e i v e ) p i n 3t x d传送字符( t r a n s m i t ) p i n 4d t r数据端备妥( d a t at e r m i n a lr e a d y ) p i n 5g n d 地线( g r o u n d ) p i n 6d s r数据备妥( d a t as e tr e a d y ) p i n 7r t s 要求传送( r e q u e s t t os e n d ) p i n 8c t s清除以传送( c l e a r t os e n d ) p i n 9r i 响铃帧测( r i n g i n d i c a t o r ) u s b 通讯 随着科技进步，串行通讯也朝者高速化发展，产生了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 通用串行总线，此种规格串行通讯总线的目的在于整合一般计算机所使用 的周边产品的连接方式。采用u s b 接口，连接时只需以串接的方式将各个设备 连接在起即可，若设备较多，也可以采用u s b 集线器作为一个集中的管理， u s b 传输速度比r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 快得多。 工业上用得最多的是r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 通讯方式。 重庆大学硕士学位论文4 个人计算机的通信机制砹实时监控软件设计 4 1 3 通讯端口的初始化 数据的传送单位 串行通讯端口所传送的数据是字符型态，工业使用到的有a s c i i 字符码和j