（计算机应用技术专业论文）基于plc三级工业控制网络系统的研究与实现.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文介绍了三级工业控制网络，即设备网( d e v i c e n e t ) 、控制网( c o n t r o l n e t ) 、 工业以太网f e t h e r n e t ) z 级通讯网络构建起的控制系统。在以太网上的工业控制计算机可 以与企业i n t r a n e t 网上的其它计算机的数据和信息进行实时动态交换，通过建立用户 应用程序，实现远距离的监控。在控制网上的可编程控制器是该系统的指挥中心，可根 据工艺要求实现不同的控制策略。设备网上的各种传感器、柔性输入输出、变频器、电 机软启动器、启停开关等，能在线实时采集现场信号和执行控制网上可编程器发出的命 ， 令等内容。触摸屏与c v m i 用r s 2 3 2 相连可对温度进行设定和温度数据采集，实现监控。 本文是在分析热处理车间设备一渗碳炉与工艺现状的基础上，提出了对渗碳工艺实现 自动控制的硬件系统与软件系统的总框架。系统软件的主要功能有：数据采集功能、数 字滤波功能、线性化处理功能、信号报警功能、数据通信功能等。上位机的应用软件采 用d e p h i7 编写。它的主要功能有：参数设定、数据通信、现场监测、数据记录等。给 用户提供了一个直观而方便的窗口界面，只要点击相应的按钮或选择简单的菜单，就可 以在中央监控室对渗碳炉进行热处理操作。本设计具有良好的通用性和可扩展性，有较 大的推广价值。 关键词：三级网络可编程控制器渗碳炉自动控制触摸屏 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h i ss y s t e mr e a li z e st h ei n d u s t r yc o n t r o lo ft h et h r e e1 a y e r sn e t w o r k t h e s o c a l l e dt h r e e1 a y e r sn e t w o r k i saf r 锄et h a tt h r e ec o n _ l l n u n i c a t i o nl a y e r si n e t h e r n e t 、c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t a tt h ei n d u s t r yo nt h en e tc o n t r o l l i n gc o m p u t e r c a nc h a n g et h ed a t aw i t ht h eo t h e rc o m p u t e ro ft h eb u s i n e s se n t e r p r i s e ，p a s s i n g t oe s t a b l i s hc u s t o m e ra p p l i c a t i o np r o c e d u r e ，r e a i z e l o n g d i s t a n c es u p e r v i s ea n d c o n t r o l ：t h en e ti st h ec o m m a n d i n gc e n t e ro ft h a ts y s t e m ，c a nr e a l i z et h er e q u e s t c o n t r o ls t r a t e g y ：o nt h ee q u i p m e n t sn e to fe v e r yk i n do fs p r e a dt os e n s o r ，g e n t l e i m p o r t a t i o no u t p u t ，e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gs w i t c he t c n t 6 1 3 cl i n kt h ec v m i hc a n s e tu pt h et e m p e r a t u r eo f t h ef u r n a c e t h i sp a p e rp u tf o r w a r dat o t a lf r a m eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fa u t o c o n t r o l t h a tj sa p p l i e di nh e a t t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fc a r b o np o t e n t i a lf u r n a c e ，i t s f u n c t i o nc o n s i s t so fd a t a g a t h e r i n g ，d i g i t a t r a p ，d a t as i g n a l ，f l a ga l a r m ，d i g i t c o m m u n i c a t i o na n ds oo n t h ep r a c t i c a is o f t w a r ee d i ti nd e p h i 7 i t sf u n c t i o n e m b r a c e sf i v e a s p e c t s ：p a r a m e t e rs e t t i n g ，d i g i tc o m m u n i c a t i o n ，o n s i t e m o n i t o r i n g ，d a t ar e c o r d i n ga n ds oo n t h e r ei sa a u d i o - v i s u a c o n v e n l e n t o p e r a t i o ni n t e r f a c e i nt h i ss y s t e m t h eo p e r a t o rc o n t r o l sc a r b o np o t e n t i a l f u r n a c eb yc l i c k i n gb u t t o no rc h o o s i n gm e n ui nc e n t r a lc o n t r o lr o o m t h i sd e s i g n h a s s p l e n d i du n i v e r s a l 、p o s s e s s e se x t e n s i v ea n di sw o r t he n e r g e t i c a l l y w id e s p r e a d k e yw o r d s ：t h r e el e v e ln e t w o r k ，p l c ，c a r b o np o t e n t i a lf u r n a c e ，a u t o c o n t r o l ， n t 6 1 3 c 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 概述 随着计算机科学的发展，自动化控制技术己渗透到各个领域，同时，由于计算机科 学领域中应用软件的飞速发展，对被控制系统进行实时的监控，已由最初的仪器仪表显 示状况，发展到现代在p c 机中配以生动的界面来进行监视，有的监控界面，甚至能够 模拟被控对象的具体过程来进行实时的监控。操作即方便、界面也美观、生动、及时、 准确。 控制技术的发展提高了生产自动化的程度，设备和系统的控制需要较大的空间分 布，控制系统的这种发展要求可编程控制器( p l c ) 具有分散控制的功能，因此远程连 接和通信功能成为p l c 的基本性能之一。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。 对p l c 及其网络进行理论上的研究是科技发展的迫切需要。 1 1 1 我国的热处理工业生产现状 作为传统生产领域，热处理工业面临着适应现代化工业高效、多样化生产要求的 挑战。为使热处理在未来先进制造技术中取得一席之地，除大力发展各种新型热处理技 术外，对原有热处理工艺规范和设备进行革新也是必需的。 热处理是强化钢材，使其发挥潜在能力的主要工艺措施。通常，重要的机器零件大 多数都要进行热处理。例如：各种工具( 如齿轮滚刀) 和轴承1 0 0 都要进行热处理。 可见，热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。 我国热处理工业生产现状主要如下： ( 1 ) 根据文献，至2 0 0 2 年，全国机械工业有1 0 6 0 0 个热处理厂、点，机械工业热处 理加热炉1 l 万台，全国热处理年产值5 0 亿元，热处理钢件约7 0 0 万吨、铸铁件3 0 0 万 吨。 ( 2 ) 生产组织和管理落后，在多数工厂是“大而全，小而全”体制，都下设热处理 分厂或车间，设备利用率和负荷很低( 2 5 9 6 ) ，单位电耗平均在1 0 0 0 k w h t 工件以上， 8 0 年代初政府倡导开展专业化生产调整，在全国4 1 个城市撤消了2 0 0 0 多个生产极不 饱满、技术条件差的厂、点，建立了3 0 多个热处理专业厂和4 2 0 多个生产协作点，几 年内使这些城市的平均电耗从1 5 0 0 k w h t 降到1 0 0 0 k w h t 以下，专业厂和协作厂、 点降到了5 0 0 k w h t 以下，9 0 年代进入市场机制，国营热处理专业厂和热处理设备制 些查型垫查兰婴圭兰竺堡茎堕丝 造厂适应能力差，使工艺专业化调整的成果有所反复：设备制造厂适应能力差，使工艺 专业化调整的成果有所反复： ( 3 ) 我国热处理生产的技术改造和管理水平的提高迫在眉睫，而技术改造的关键在于 设备的更新换代管理水平的提高在于认真推行专业化协作。 1 1 2 我国热处理生产过程的计算机控制 八十年代初国内己开展热处理生产过程的计算机控制的研究，至今，碳势控制技术、 炉温控制系统、真空热处理控制系统等已逐步实用化，己具备推广的条件。 相同的硬件配上不同的软件，其功能也就不一样。我国在开发热处理控制软件上颇 具潜力。p i d 自整定、模糊数学与p i d 混合算法、多因素碳势精确控制等已到比较广泛 的应用( 6 l 。自行开发的渗层浓度分布控制技术也己用于生产。微型计算机动念可控渗 氮与动态碳势控制技术已于1 9 9 3 年列入国家级科技成果重点推广计划，推广情况良 好。最近，在该项技术基础上开发成功的配备“在线专家系统”七的控制软件，使我国 碳势控制技术达到9 0 年代国际先进水平，己开始打入国际市场。 1 1 i3 热处理数据库与辅助决策系统 在计算机应用中，数据处理占的比例最大，数据库系统正是数据处理的核心机构， 成为现代计算机十分重要的应用领域，诸如热处理计算机模拟技术、热处理c a d 或c a p p 、 人工智能热处理技术的开发应用以及计算机集成制造系统( c i m s ) 的发展都需要有强大 的热处理数据库的支持，我国在1 9 8 7 年开始研究，得到机械科学院基金的资助。1 9 9 0 年推出具有相当规模的商品软件热处理数据库管理系统，包括有热处理基础数据库、 硬度选择与硬度转换系统、中外热处理标准检索系统、淬火、退火与正火工艺数据库、 热处理设备与选型系统等。这一系列软件为热处理行业提供了良好的查询数据、恰当选 材、合理优选工艺参数的辅助决策环境。是热处理专业人员的得力工具，对其它专业技 术人员也不无助益。目前国内正在开发淬透性预报系统等大型商品化软件。 1 1 4 发展热处理工艺自动控制的必要性 热处理是保障机械产品内在质量的必不可少的手段，热处理设备在工艺方面的控制 能力直接影响到产品内在质量的稳定性。产品质量的波动使企业面临两难的境地，或者 严格控制产品的质量，这样势必造成废品率增加，同时还会增加质量控制费用，或者放 松对产品质量的要求，如此则会严重影响产品的竞争力，损害企业的形象，两者都要使 企业蒙受巨大的经济损失。而提高热处理设备在热处理工艺方面的控制能力，可以保障 热处理的质量。根据实际生产过程的需要，可以把热处理自动控制划分为工艺参数的自 ， 些查型垫奎兰堡主兰垡笙苎堕笙 动控制和运送控制两大类，热处理工艺自动控制即指对热处理工艺参数的自动控制。温 度、时间和炉气成分是最基本的热处理工艺参数。改变热处理工艺参数的数值或将参数 进行不同的结合，就能得到淬火、回火、渗碳和氮化等等各种不同的热处理工艺。这些 参数的变化将直接影响热处理生产的质量，必须加以控制。 1 _ 1 5 发展热处理工艺自动控制的可行性 在国外，热处理工艺的计算机测控技术早在7 0 年代就已经有所发展，之后有众多 的研究人员将计算机与不同的热处理工艺相结合，进行计算机监控条件下的工艺、控制 数模研究，有的业已取得较为成功的应用。随着工业控制计算机成本的大幅度下降，微 机测控的硬件实现变得相对容易，越来越多的热处理设备采用了计算机测控技术，这也 加速了热处理工艺计算机控制的研究与开发。另外，热处理计算机模拟、热处理专塞系 统的研究、计算机程序语言的发展也促进了热处理工艺的计算机控制技术。 西安理工大学教授安运铮在中国机械工程学会热处理分会中谈到热处理技术的推 动力，它认为发展热处理有四个支撑点，这对热处理工艺自动控制也具有深刻的影响， 第一个支撑点是基础研究队伍的大量工作。高校有一支庞大的队伍，从宏观疲劳断裂到 微观的机制研究，带动了强韧化热处理，对贝氏体的研究推动了贝氏体钢系列；微合金 化的研究开拓了非调质钢等，使得我国的技术水平与国际接近。第二个支撑点是引进了 很多新设备一真空可控气氛炉、网带炉，推动了我国设备的发展，上一个台阶。第三个 支撑点是乡镇企业的发展。第四个支撑点是关键零部件攻关，带动了技术发展，如大齿 轮渗碳，由于采用了计算机控制碳势，这个问题将随之解决。 1 1 6 渗碳技术中的自动控制 井式渗碳炉是我国当前使用量最大、面最广的渗碳设备，受国情所限，在一定时期 内还将在工业企业中发挥重要作用。虽然以前对井式炉的结构稍有改进，但均末改变人 看目测等传统控制渗碳过程的现状，且对工人的技术水平要求较高。同时，传统工艺还 不可避免地出现网状碳化物，渗碳后必须补加一道消除网状碳化物的正火工序，既浪费 电能，又使工件的高温变形加剧。为解决这一问题，最有效的途径就是将计算机引入这 一领域，对整个渗碳过程实现计算机自动控制。计算机应用技术与热处理传统设备的成 功结合，既可用于老设备的更新改造，也可与新设备配套，大大提高现有设备的技术水 平：现场运行表明，该系统抗干扰能力强，运行可靠，渗剂用量少，渗速明显提高，经 济效益显著。 传统的“碳势控制”己发展为“碳浓度分布控制”的新概念，数学模型以及新型传 1 些查型垫查堂堡主兰垡堡苎堕堡 感器和在线计算机自适应控制系统得到很大发展，在国外已广泛用于生产。新的测试手 段和计算机控制推动了非平衡态气氛控制难题的解决，从而使气氛的可控渗碳进入实用 阶段。采用计算机系统和扩散一碳浓度分布模型进行在线控制己在欧美得到广泛应用。 此法可使用渗碳实现“结果控制”而取代时间控制，使渗碳的结束完全取决于是否得到 了符合要求的层深和表面含碳量。 1 1 7 计算机技术的发展 计算机硬件发展的速度之快是任何其它工业技术所无法比拟的，计算机软件技术发 展的速度同样也是惊人的。编程语言经历了从低级到高级的发展过程，由最初的机器语 言到汇编语言，后又发展到高级语言。但是自然语言和计算机能够理解和执行的编程语 言之间存在着很大的差距。这种差距被称作“语言的鸿沟”。面向对象的软件工程方法 已应用于计算机科学的许多领域，传统的软件工程方法与面向对象的软件工程方法如图 1 1 所示。由图中可以看出，面向对象的语言缩小了“语言的鸿沟”。 面向对象的方法是c + + 、d e l p h i 等可视化编程语言产生的基础，而用可视化编程语 言可以轻松地画出可视化对象。很多界面的设计就像是在“画”而不是在写，大大提高 了开发效率，增强了人机交互的能力。这就使得在集散控制系统中，使用更加方便的人 机交互方法成为现实。 综上所述，计算机软件、硬件技术的飞速发展，促进了工业自动控制的发展，同时， 对老设备的改进也迫在眉睫。对井式渗碳炉以及箱式加热炉等实施实时的“可视化”的 监控技术，将使热处理过程摆脱主要凭经验生产的落后状态，而使之向着精确控制、保 证渗碳质量、提高生产效率的方向发展。 4 山东科技大学硕士学位论文 a 传统的软件工稗方法 b 面向对象的软件工程方法 圈1i 传统软件工程方法与面向对象的软件工程方法 f i g l 1t r a d i t i o n a ls o f t w a r ee n g l n e rm e t h o da n d 、o o p 1 2 本课题的主要研究内容 本论文研究p l c 三级工业控制网络，即设备网( d e v i c e n e l ；) 、控制网( c o n t r o l n e t ) 、 工业以太网( e t h e r n e t ) 三级通讯网络构建起的控制系统。 控制网络中的计算机和c s l g 连接组成i n t e r n e t 级即信息管理层。c s i g 和c q m l h 用 c o n t r o ll i n k 线缆相连组成c o n t r o ll i n k 网。上位计算机用d e l p h i 编写了温度监控 界面是人机交流更加通畅。 本课题主要研究以下内容： 1 研究p l c 三级工业控制网络，即设备网( d e v i c e n e t ) 、控制网( c o n t r o l n e t ) 、 ，一 工、i k 以太网( e t h e r n e t ) 三级通讯网络的构建方法。 2 研究与三级网络有关的网络协议。 3 把理论应用于实践，提高热处理工件的质量以及生产效率。 1 3 本课题的意义 研究了p l c 三级控制网络组网的原理和方法及其应用特点，在理论上组建了基于 p l c 三级网络的系统模型。 把p l c 三级工业控制网络用于深谈炉控制系统中，有以下几方面的现实意义： ( 1 ) 对渗碳炉以及加热炉等实行实时有效的控制，使所生产零件的质量更有效的 得以控制，从而提高了产品质量。 ( 2 ) 上位计算机的监控系统使用面向对象的技术进行可视化的监控，使监控更加方 便、直观、操作更简单。 便、直观、操作更简单。 山东科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 对渗碳炉的各种参数进行实时的采集与分析，使得“不可见”的参数变的随时 “可见”，提高了对渗碳过程的可操作性。 ( 4 )对生产过程中出现的异常情况实施报警措施，使故障得到及时、准确的处理 提高了生产效率。 ( 5 ) 在上位计算机中建立渗碳炉生产过程参数储存与每一炉渗碳结果分析报告的 数据库，这对渗碳过程的分析与渗碳技术的研究，提供了可靠而有力的支持。 山东科技大学硕士学位论文p l c 网络 2p l c 网络 控制技术的发展提高了生产自动化的程度，设备和系统的控制需要较大的空间分 布，控制系统的这种发展要求可编程控制器( p l c ) 具有分散控制的功能，因此远程连 接和通信功能成为p l c 的基本性能之一。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首位，而且市场需求量一直在逐年大幅上 升。 p l c 网络经过多年的发展，已成为具有3 、4 级子网的多级分布网络，加上配置工 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 的多功能的系统。 2 1p l c 联网的目的 为提高控制性能，往往要把在地理上处于不同位置的p l c 与p l c ，户或p l c 与计算 机，或p l c 与智能装置通过传送介质连接起来，实现通讯，已构成功能更强、性能更 好的系统，这么做一般称为p l c 联网。 p l c 联网的目的有： l 、提高控制范围及控制规模 联网后还可增加p l c 可控制的i o 点数。不少事实说明，两个或若干个中型机联网， 由于提高了控制能力，可以达到一个大型机的控制点数，而费用比大型机要低得多。 2 、实现计算机控制级管理 由于计算机具有强大的信息处理及信息显示功能，工业控制系统已越来越多的利用 计算机对系统进行监控与管理，而要计算机实现这个功能，则必须使p l c 与计算机联网。 p l c 与计算机联网，可以： ( 1 ) 读取p l c 工作状态及p l c 所控制的i 0 点的状态，并显示在计算机的屏幕上， 以便于人们了解p l c 及其控制的设备的工作状态。 ( 2 ) 改变p l c 工作状态，以及向p l c 写数据。这可改变p l c 所控制的设备的工作状 况，或改变p l c 的工作模式，起到人们干预控制的作用。 ( 3 ) 读取由p l c 所采集的数据，并进行处理、存储、显示及打印，以便于人们更好 地使用现场数据。 3 、实现计算机编程 山东科技大学硕士学位论文plc网络 p l c 编程是比较麻烦的。若用手持编程器通过助记符编程则更麻烦。若用计算机与 p l c 联网，再使用相应的编程软件，可使用梯形图或流程图语言编程，以至于还可用其 他高级语言编程，则较方便。 + 此外，计算机编程还可存储、打印程序，或把程序写入r o m 中等等，便于程序的移 植及重用。 所以，适用与计算机联网，进行编程已是一个趋势。 4 、可简化系统布线、维修，并提高其工作的可靠性 联网后可简化布线，因为p l c 与p l c 间尽管要交换的数据很多，但通讯媒介都是通 讯线。通讯线仅两根，最多的也只有三根，或四根，比信号线少的多。所以，用联网实 现控制，其布线要比仅用一台p l c 布线要简单的多。 布线简单即经济，还便于系统维修。 5 、实现综合及协调控制 用p l c 实现对单个设备的控制是很方便的。但若有若干个设备要协调工作，用p l c 控制，较好的办法是联网。即每个设备各用一个p l c 控制，而这些p l c 进行联网。设备 单独工作各有各的p l c 控制，而设备间的工作协调，则靠联网后p l c 间的数据交换解决， 与达到协调控制的目的。若要对若干设备及装置组成的生产线，p l c 联网后则可进行综 合控制，把对设备级的控制提高到对生产线的控制。 6 、可对现场智能装置( 包括智能设备、智能仪表、智能传感器等) 进行管理，充分 发挥这些装置的效益，推进生产自动化、智能化。 2 2p l c 网络的结构 2 2 1 链接结构 连接结构比较简单，把两个站点通过通讯口及通讯的介质连接起来就可以了。分为 以下几种： ( 1 ) 单向通信 如有两个站点，分别记为a 、b 。单向通信是指数据传送只能由a 流向b ，或只能由 b 流向a 。只能向一个方向传送，不能作于此方向相反的传送。 ( 2 ) 半双工( h a l fd u p l e x ) 通信 半双工( h a l fd u p l e x ) 通信是指在两个方向都能传送数据，但在同一时刻只能朝 一个方向进行传送。半双工通信的各站都有接受与发送装置，并以信息流向切换使用这 山东科技大学硕士学位论文plc网络 两个装置。 ( 3 ) 全双工通信( f u l ld u p l e x ) 能同时进行双向通信。他的各站的接收与发送装置可同时工作。相应的，它需要有 两个信道，分别用于接收与发送。 由于半双工及全双工通信可实现双向数据传送，故在p l c 链接及联网中较为常用。 2 2 2 联网结构 p l c 的联网结构指多于两个站点时怎样连接，主要有以下几种结构： ( 1 ) 星型结构 这种结构有中心站点，网上各站点都分别与中心站点连接。通讯由中心站点管理， 并都通过中心站点。图2 1 ( a ) 为这种结构。 m ) 图2 1 联网结构 f i 9 2 1n e t w o r ks t r u c t u r e ( 2 ) 总线结构 这种结构靠公共传送介质( 称为总线) 实现各站点的连接，见图2 1 ( b ) 。所有站 点通过硬件接口与总线相连。任何站点都可以在总线上发送数据，并可随时从总线上接 收数据。 ( 3 ) 环形结构 这种结构网上的所有站点都通过点对点的链路连接，并构成封闭环。如图2 1 ( c ) 所示。 山东科技大学硕士学位论文c o m p ob u s d 通信系统 3 c o m p ob u s d 通信系统 c o m p ob u s d 是o m r o n 公司的一种开放式的网络，它遵循d e v i c en e t ( 器件网) 开 放现场网络标准，非o m r o n 公司生产的设备，如主单元和从单元，可以连接到该网络上。 c o m p ob u s d 是o m r o n 公司主推的网络之一，它的内容丰富，功能很强。随着各种新器 件或单元的不断推出，c o m p ob u s d 的功能越来越强。 3 1 c o m p ob u s d 网的结构 c o m p ob u s d 网的三种典型结构如图3 1 所示： f a ) 不带配置器的系统 ( a ) s y s t e mw i t h o u tc o n f i g u r e r ( b ) 带配置器的系统 s y s t e mw i t hc o n f i g u r e r i s a 板 山东科技太学硕士学位论文c o m p ob u s d 通信系统 o m r o n 主单元 ( c ) 链接其他公司的设备 ( c ) 1 i u k i n gw i t ho t h e rc o m p n a y sd e v i c e 图3i c o m p o b u s d 网的结构 f f9 3 is t r u c tu r eo fc o m p o g us 0ne t 3 2c o m p ob u s d 通信系统的主要技术指标 c o m p ob u s d 通信系统的主要技术指标如表3 1 所示： 表3ic o m p ob u s d 通信系统的主要技术指标 t a b l e 3 1m a i nt e c h n i q u eg u i d e l i n eo fc o m p ob u s de o m m u n i c a t i o ns y s l e 】 项目规格 通信协议d e v i c en e t 支持的连接主一从：远程5 0 和e x p l i c i t 信息 点对点：f i n s 信息 以上两种都遵守d e v i c en e t 规格 连接形式m 多分支和t 型分支组台连接( 干线和支线) 通信波特率5 0 0 k b p s 。2 5 0 k b p s ，或1 2 5 k b p s ( 可选择) 通信介质专用5 芯电缆 ( 5 0 0 k b p s ) 网络长度：最大l o o m ：支线挺度：最大6 皿：总支线长度：最大3 9 m ( 2 5 0 k b d s ) 网络长度：粗线2 5 0 m ，细线1 0 0 m ：支线酷度：最大6 m ：总支线长度：最 通信距离大7 8 m ( 1 2 5 k b d s ) 网络长度：粗线5 0 0 m ，细线1 0 0 m ：支线长度：最大6 m ；总支线长度：最 大1 5 6 m 通信电源2 4 v d c ，外部供给 最大结点数6 4 节点( 包括配置器在内) 最大主单元数没有配置器：l 带有配置器：6 3 屠大从学无数6 3 个从单元 出错控制c r c 出错检查 3 3 c o m p ob u s d 通信单元 山东科技大学硕士学位论文c o m p ob u s d 通信系统 3 3 1c o m p ob u s d 主单元 本文介绍的是o m r o n 公司的c v m l 一d r m 2 1 - v 1 ，其正面有： ( 1 ) 主单元号旋转开关 主单元号是在c p u 总线上占用的单元号，它决定了p c 和c p u 总线单元区域中的哪些 字分配给主单元，设置范围是二位十进制数0 0 1 5 ( 2 ) 正面d i p 开关 正面d i p 开关用来设置通信的波特率，以及选择发生通信错误时通信是否继续或停 止。 图3 2 为正面d i p 开关设置。 网络中所有节点( 主单元和从单元) 都必须设置为相同的波特率。任何波特率与主 单元波特率不同的从单元不能参与通信。 ( 3 ) 背面d i p 开关 其背面有d i p 开关：用来设置主单元的节点号，设置范围o o 一6 3 。图3 3 给出了节 点的设置方法。 d i p 开关设置( 1 一o n ，o - o f f ) 位2 位1波特率 00 1 2 5 k b p s 波特率01 2 5 0 k b p s 10 5 0 0 k b p s 发生通信故障时继续停止11不允许 保留c 总是。f f ， 位：继续 1 ：停止 图32 正面d 1 p 开关设置 f i 9 32f r o n t is p i e c ed i ps w i t c hs e t t i n g 山东科技大学硕士学位论文c a “p ob u s d 通信系统 - 1 保留( 总是o f f ) 节点号设置 d i p 开关设置( 1 o n ， 位6 位5 位4 ( 3 2 )( 1 6 )( 8 ) 0o0 000 000 0 o f f ) 位3 位2位l节点号 ( 4 )( 2 )( 1 ) 000 0 0 011 0 102 lll110 6 2 1lll1l 6 3 i | i l i l j 山东科技大学硕士学位论文c o n t r o l l e rl i n k 网 4c o n t r 0 1 1 e rl i n k 网 它的全称为c o n t r o l l e tl i n k 网，即控制器连接网，它是s y s m a c1 i n k 网的改进与简 化，也是令牌总线网。他的最大节点数少了，仅为3 2 个，但比s y s g a cl i n k 网灵活。它 用双绞线，而不用同轴电缆进行节点间连接，网的费用可下降。 4 1c o n t r o l l e ri i n k 网的结构 c 2 0 0 0 0 h w 删g c v m l i b mp d a t 哩蹊嗅乒 图4 1c o n t r o l le r1 i n k 网的结构 f i 9 4 1s t r u c t u r ec o n t r o l le rl i n k n e t w o r k c o n t r o l l e r1 i n k 网的结构如图4 1 所示，这里有四个节点，最大节点数可达3 2 个。 c o n z r o l l e rl i n k 网也可互联，安装两个c l k 单元的p 【j c ( 必须为c v 机) 可作为桥，进 而实现网间直接通讯( 只能相隔一个网) 。 4 2 数据链接 建立数据链接后，网络的节点( c 2 0 0 h a 、c v 系列p l c 和个人计算机) 之间可以自 动地交换在预置区内的数据。每个节点可以设置两个数据链接区域：第l 区和第2 区。 数据链接的设置有人工设置和自动设置两种方法。 4 2 1 人工设置数据链接 图4 2 给出人工设置数据链接的几种情况，其中图( a ) 中一些节点可以只发送而不 接收数据；图( b ) 中一些节点可以只接收而不发送数据。 # l 第1 区抛 # 1第1 区 舵 熙咽景呵 # l 第2 区 # 2 思侣 只发送l 丝l ( a ) 第2 区 匦 卜咽 只接收 图42人工设置数据链接 f i 9 4 2m a n u a ls e t t i n gd a t a1 i n k 1 4 ( b ) 山东科技大学硕士学位论文 c o n t r o l l e rl i n k 网 人工设置数据链接时，可以选择“s e l e c ta 1 1 ”( 全选) ，所有节点的发送数据区设置 成相同尺寸。 4 2 2 自动设置数据链接 自动设置可以用来建立简单的数据链接。第一区从位区i r 、c i o 和l r 中选择，第2 区从数据存储区d m 、e m 中选择。每一个节点在第1 区有相同尺寸的发送区，在第2 区也 有相同尺寸的发送区，发送节点采用与节点号一致的上升顺序。每个节点不允许只接收 或只发送数据的一部分，所有节点都可以被指定为加入或不加入数据链接。自动设置数 据链接如图4 3 所示。 节点岸l节点# 2节点躬 第1 区 ( 位区) 第2 区 ( 数据存储区) 页奥贝 图43自动设置数据链接 f i 9 43a u t o m a t i cs e t t i l 【gd a t al i n k 4 2 3 启动和停止数据链接 应用下面方法之一来启动和停止数据链接： ( 1 ) 使用编程设备或用户程序 a 机启动节点中的a r 0 7 0 0 、a r 0 7 0 4 位分别为操作级o 、操作级1 的启动位，c v 系列 p c 的启动位是启动节点的字d m 2 0 0 0 + i o o * c l k 单元号中的第0 位。启动位从o f f 变为o n 或当接通电源时己为o n 时，启动数据链接，启动位从0 n 变为o f f 时停止数据链接。 ( 2 ) 使用c o n t r o l l e rl i n k 支持软件 在上位计算机或计算机节点上，使用c o n t r o l l e rl i n k 支持软件向数据链接中的节点 发出启动停止数据链接的命令。 ( 3 ) 使用f i n s 指令 使用c d 指令从一个c o n t r o l l e rl i n k 的节点( c v 机或计算机节点) 向一个数据 链接中的节点发送r u n s t o pf i n s 指令来启动停止数据链接。 1s 山东科技大学硕士学位论文c o n t r o ll e rl i n k 网 4 3f i n s 通信协议 在c o n t r o l l e rl i n k 网中，可以实现p l c 至p l c 、p l c 至计算机、计算机至p l c 的信息通信。f i n s 通信协议是由0 m r o n 开发、用于工厂自动化控制网络的指令i n 应系 统。f i n s 通信除用于c o n t r o l l e rl i n k 网，还用于c o m p ob u s d 、s y s m a cl i n k 、s y s m a c n e t 、e t h e r n e t 等网络以及网络之间的通信。在p l c 的用户程序里，不需要复杂的编程， 使用f i n s 指令，就能够读写另一个p l c 数据区内容，甚至控制其运行。 c v 系列p l c 是通过执行c m n d ( 1 9 4 ) 指令来发送f i n s 信息，图4 4 给出了发送f i n s 指令及接收f i n s 响应的数据格式。 自 iii f i n s 报头l i l l ij + _ 叶_ c o n t r o l l e r c p u 单元 j 动准备 指令代码 正文 l i n k 鼍元c v ，系列p l c 计算机 加上的 。 川， 佥全l 图4 4 使用c m n d 发送f i n s 信息 f i 9 44u s i n gc m n ds e n d i n gf i n s c o n t r o l t e r l i n k 支持卡 山东科技大学硕士学位论文 e t h e r n e t 通信系统 5e t h e r n e t 通信系统 p l c 是现场控制设备，多在底层工作，负载重，用的多为令牌或令牌网，但令牌网 开销大，速度慢，网的规模也有限。随着p l c 通讯需求的增多，很需要有一个速度更快， 容量更大，实现高层通讯的网络。为此，o m r o n 公司也把以太网引进到p l c 的网络中来 了。 o m r o n 以太网基于给予e t h e r n e t 版本2 0 标准，与国际通用i e e e8 1 2 3 标准有区 别，主要是链路层数据帧格式不同，但物理层相同，都是i o b a s e 5 标准。 网的主要性能为： 传送速度：i o mb p s 传送距离：5 0 0 m 段，2 5 k m 网 调制方式：基带，不作调制 通讯服务：f i n s 通讯服务及其它 传输介质：同轴电缆或光缆 以太网无链接功能，不支持数据链接，但支持o f f r o n 的f i n s 协议。o f f r o n 以太网的 节点数限制在1 2 8 以内。 图5 1 示出o m r o n 以太网实现通讯的种种功能。从图中可知，若用f i n s 协议，则用 r e c v 、s e n d 、c m n d 指令。而用t c p i p 、u d p i p 协议则只能用c m n d 指令。 图中还有f t p 文件传送协议，是用以从或向p l c 的存储卡读或写数据。 还有i c m p 及a p r ，指互联网控制信息协议及地址分配协议，也是保证通讯可靠的需 要。 5 1e t h e r n e t 网单元及其设置 5 1 1e t h e r n e t 网单元 以太网中的p l c 节点有三种类型：c s l 机、c v 机和c 2 0 0 0 1 i 瑾机。c v 机上安装e t h e r n e t 单元c v 5 0 0 一e t n 0 1 。 o m r o n 以太网实现通讯的种种功能如图5 1 所示。 c 7 5 0 0 一e t n 0 1 以太网单元提供以下功能： ( 1 ) 以太网通信 以太网单元支持两种标准通信协议：t c p i p 和u d p i p 。利用这些协议可以实现上位 机与p l c 通信。以太网单元提供8 个通信端口，因此多种进程可以同时进行。 山东科技大学硕士学位论文 e t h e r n e t 通信系统 图51o b f r o n 以太网实现通讯的种种功能 f i 9 5 1o b l r o ne t h er n e tr e a l i z i n gv a r i e t yf u n c t i o no f ( 2 ) 内存卡文件传输 以太网单元支持f t p 服务器功能，上位机和p l c 内存卡可以进行文件传送。 ( 3 ) f i n s 通信 以太网单元支持f i n s 通信，p l c 与p l c 、上位机与p l c 之间可以通过以太网单元传 送数据。上位机可以在程序里使用f j n s 指令。p l c 可以使用s e n d 、r e c v 、c m n d 指令。 ( 4 ) 网络间通信 f i n s 通信也由其它s y s m a cc v 级网络支持，处在互联网不同网络上的节点通过网关 进行通信。在互连的网络上任一节点的编程设备，也可以跨网进行远距离编程和监控。 5 1 2e t h e r n e t 网单元的设置 以太网通信前，必须对以太网进行设置。设定内容从设定区的第一个字节开始按顺 序存放，如表5 1 所示。 表51 以太网单元设置 t a b l e 5 1e t h e r n e tu n i ts i t t i n g 相对首字节的位置设定内容大小 十o 模式没定 2 个字节 + 2不用 6 个字节 + 8 本地i p 地址4 个字节 + 1 2 子网模4 个字节 十1 6 f i n su d p 端口号2 个字节 + 1 8f t p 登录名1 2 个字节 + 3 0f t p 口夸8 个字节 + 3 8i p 地址表1 9 4 个字节 + 2 3 2i p 路由器表6 6 个字节 各种设置简介如下： 些查型垫查兰堡主兰堡堡苎 ( 1 ) 模式设定 e t h e r n e t 通信系统 用位0 一位4 设定。位o 指定以太网单元的节点号是否用作i p 地址的节点号( 主机 号) ；位l 指定是否广播传送；位2 、位3 指定把f i n s 节点号转换为i p 地址的方法： 位4 指定f i n s 通信服务时u d p 端e l 号的确定方法，是缺省设置还是用户设置。 ( 2 ) 子网模 子网模中对应于i p 地址网络号和子网号的位为1，对应主机号的位为0 。 ( 3 ) f i n su d p 端口号 u d p 端口号用来进行f i n s 通信服务。设定值在1 0 2 4 和6 5 5 3 5 之间，如果设为o ，使 用缺省值9 6 0 0 。以太网单元进行f i n s 通信时，所有节点设置同一f i n su d p 端口号， 否则，不能进行f i n s 通信。 ( 4 ) i p 地址表 该表包括从f i n s 节点号产生i p 地址的转换数据。如果模式设之中指明f i n s 节点号 转换为i p 地址的方法是自动的，该表将被忽略。 ( 5 ) i p 路由器表 该表设定以太网单元如何和其它i p 网络段上的节点通过i p 路由器进行通信。i p 路由器表设置如图5 2 所示： 记录 i p 路由器 i p 路由器 数量 i 网络号i p 地址ll 里竺兰 ! 垫壁l l 1 墨兰量一 最多8 个记录 图52i p 路由器表设置 f i 9 52 i pr o u t e rs e t t i n g 5 2f i n s 通信服务 以太网单元通过u d p i p 端口提供f i n s 通信服务。如当上位机与p l c 进行f i n s 通信 时，通过简单地向以太网单元f i n su d p 端口发送包含f i n s 命令的数据报，可以读写 p l c 的内存数据或控制p l c 运行。 f i n s 通信数据报的格式如图5 3 所示： 5 2 1 地址转换 以太网通信使用i p 地址，而f i n s 通信使用f i n s 节点号。因此，以太网单元 山东科技大学硕士学位论文e t h e r n e t 通信系统 圈53f in s 通信数据报的格式 f i9 5 3f o r m a to f f i n sco m i b ur l ic