（电力电子与电力传动专业论文）基于q系列plc的三层网络实验控制系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 上位监控界面，实现上位机对三层网络的控制和监视。 系统调试和实验效果表明，该系统可为学生展示当今工业控制领域里最先 进的控制技术，可为学生的课程设计、毕业设计以及p l c 技术研究提供先进的 实验研究平台。 关键词：p l c ；组态软件；现场总线；工业网络 2 西华大学硕士学位论文 s t u d yi nt h r e el a y e r sn e t w o r ks y s t e mb a s e do nqp l c t h es p e c i a l t yo f p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s m a s t e rs h i w e il i s u p e r v i s o rp i n gz h e n g p l ci sc o n s i d e r e da so n es u p p o r to fm o d e mi n d u s t r ya u t o m a t i o n ，i t sc o n t r o l s y s t e mn o to n l ys h o w e dt h ed e v e l o p m e n to fn e ta n dd i s t r i b u t e sc h a r a c t e r , b u ta l s o q u i c k l yd e v e l o p e dt ob eo p e ns y s t e m t h e o r ya n da p p l i c a t i o no fp r o g r a ml o g i c c o n t r o l l e r ”i so n eo fm o s ti m p o r t a n tc o u r s et ot h es t u d e n t ss t u d yo ne l e c t r i cw o r k ， a u t o m a t i cc o n t r o la n de l e c t r i ci n f o r m a t i o ns u b j e c t ，t h es t u d yo ft h i sc o u r s ed e c i d e s t h ec o m p e t i t i v eo fs t u d e n t si ns o c i e t y , d e c i d et h eb r i g h tp e o p l e s t r a i n i n g i n a u t o m a t i o na r e ao fo u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h en e e do fm o d e mp l cc o u r s ee d u c a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt od i v i d e r e m o t en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mw h oh a st h r e el a y e r sf i a m e w o r ki n c l u d i n gc o m p l e t e c o n t r o ll a y e lc o n t r o lm a s t e rl a y e lr e m o t ec o n t r o ll a y e r sw i t hc o m p l e t ec o n t r o lo b j e c t ， t h i sp r o j e c tp u tf o r w a r dat e s t i n gm o d u l ec l o s e dt ot h er e a lp r o d u c e df u n c t i o n ，u s e d r e a lp l cc o n t r o l l e r , c o n t r o l l i n gc u p b o a r d ，u s e df i e l d b u s t e c h n o l o g y , c o m p u t e r n e t w o r kt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t - w a r et e c h n o l o g y , b u i l te x p e r i m e n t b e n c hw i t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ew h oh a dm a n yl a y e r sn e t w o r k a sm i t s u b i s h iqp l ci sc o n s i d e r e dt ob et h em o s ta d v a n c e dp r o d u c t ，w h i c h i sp r o d u c e db ym i t s u b i s h ic o m p a n y ；i th a sb e e nu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n p r o c e s sa b r o a d i t sf i e l do fa p p l i c a t i o ni sw i d e l ya n dh a sg o o da p p l i c a t i o ne f f e c t i ti s t h eo n eo fm o s tp o p u l a rp l ci np l cm a r k e t g e ta c r o s sb u i l d i n gt h i st h r e el a y e r s s y s t e mb a s e do nqp l ca n dc o r r e l a t i v em o d u l e ，l e a r n e r sc a l lm a s t e rt h ec h a r a c t e r a n da p p l i c a t i o nm i n do fqp l cs t e pb ys t e p ，m o s ti m p o r t a n tt h i n gi st h e yc a l lb u i l d c o n c e p to fn e t w o r k ，a n dk n o w t h eb a s i cw a yt ob u i l dan e t w o r ks y s t e m t h i ss y s t e m h a sm a n ys i g n i f i c a t i o n si np r o m o t i n gl e a r n e r s t h e o r e t i c a ll e v e la n dp r a c t i c i n ga b i l i t y t h o u g hl e a m e r sm a yu s eo t h e rp l cp r o d u c e db yo t h e rc o m p a n y ，t h e yw i l ld e a li t 3 w i t hf u l lc o n f i d e n c e ，a n dd r a w i n f e r e n c e sa b o u to t h e rc a s e s 仃o mo n e i n s t a m c e 1 a i ss y s t 锄m a i n l yc o m p o s e db yq p l c ，i th a sm a n yl a y e r s 舶m e w o r k i n c l u d i n g 1 n d u s t r i a le t h e m e t ，hn e t ，c c l i n kf i e l d b u sa n ds oo r r , h a si n f o m a t i o nr e d u n d a n c v m n c t l o nw i t hf i b e rr i n gn e t ；c a nr u n p r o c e s sc o n t r o l ，f r e q u e n c ys p e e da d j u s t i n g ， s e r v os y s t e mm n m n gw i t ht h r e ea x l e ；i tc a n c o n t r o lr e m o t ed e v i c es t a t i o n r e m o t ei o s t a t l o nw l t hm a n yw a y s ，c a nc o m m u n i c a t ei no p cm o d e ，g u s tp c c a nv i s i ts e r r e r w i t hi e t h i ss u b j e c td i ds t u d yt ot h en e t w o r ki n f o r m a t i o no f t h i se x p e r i m e n tb e n c h w l t t l s e e m gt h er u n n i n gl a m p se x p e r i m e n ta sa l l e x a m p l e ，i td e s i g n e das e a l e x p e n m e n t sf o rr e d u n d a n c ys y s t e m ，d e s i g n e d f r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n gs y s t e m ， 1 n d u s t r i a lw a s h i n gm a c h i n es y s t e m ，t e l e p h o n er e m o t ec o n t r o l s y s t e ma n dm a s t e r c o n t r o li n t e r f a c et or e a l i z et h r e el a y e r sc o n t r o lw i t h m a s t e rp c s y s t e ma d j u s t i n ga n dt e s t i n ga f f e c t i o ns h o w e dt h a tt h i s s y s t e mc a ns h o wt h e m o 吼a d v a n c e dc o n t r o l t e c h n o l o g yi nm o d e mi n d u s t r i a la r e at ot h es t u d e n t s c a n p r o v l d ea d v a n c e de x p e r i m e n tb e n c ht ot h ec o u r s ed e s i g n ，g r a d u a t i o nd e s i g na n d p i c t e c h n o l o g ys t u d yo fs t u d e n t s k e y w o r d s ：p l c ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；f i e l d b u s ；i n d u s t r i a ir l e 似o r k 4 西华大学硕士学位论文 声明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名： 导师签名： d 苫年乡月h c jg 年6 月1 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出与研究 可编程序控制器( p l c ) 是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的 新型的、通用的自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易 于编程及适应工业环境下应用等一系列优点。近年来，它在工业自动化、机电 一体化、传统产业技术等方面的应用越来越广，成为现代工业控制三大支柱之 一。p l c 的最终目标是用于实践，提高生产力。p l c 已经在自动控制领域成为一 个世界潮流，将在我国得到更全面的推广和应用。 p l c 发展的大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。 特别是网络，成为p l c 发展的一个大潮流。现在各种p l c 都在发展自己的网络， 其中有两个趋势：一方面，p l c 网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而 是迅速向开放式系统发展，各大品牌p l c 除了形成自己各具特色的p l c 网络系 统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交 流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广泛的采 用，p l c 与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型 电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质( 比如双绞线，同轴电缆， 光缆) 连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业 控制网络，这种网络与单纯的p l c 远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便， 造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。 由于我国p l c 应用的起步较晚，所以人才十分短缺。与之相对应的是市场 需求的日益增加，在这种情况下，越来越多的学生和社会各个行业的人士渴望 学习有关p l c 的知识。p l c 技术的学习直接影响到学生在社会上的竞争力，影 响到学生的就业和今后工作的发展。影响到我国自动化领域人才的培养。 从1 9 7 9 年美国数字设备公司( d e c ) 根据g m 公司提出的1 0 项招标指标，研 制成功世界一上第一台可编程序控制器至今仅仅经历了二十多年间，p l c 已从 简单的逻辑控制发展到今天的“无所不能”的阶段，而教育滞后于工业技术的 发展，大部分的高校将其列入大学本科教学课程也就是近十几年的时间。随着 两华人学硕士学位论文 国家经济建设的突飞猛进，在工业控制领域，对相关人才的需求量日益增加。 现在高校中传统p l c 实验设置大多还是以分散的p l c 可编程控制器为基础的 实验模式，这已经不能跟上p l c 网络化控制技术的应用发展要求。为了使学生 在校园内就完成理论知识与工作和研究的良性接轨，为了学习者能够初步了 解工业控制前沿的动态发展，各高校都在建立相关的实验平台，但是具备工业 网络标准的实验平台还是很少，西华大学在可编程控制器原理及应用课程 的教学中紧跟当今技术的发展，大胆进行教学改革，成为四川省精品课程建设 项目，提出了一整套不同于专科的教学模式，使学生基础扎实，技术全面，综 合系统设计能力强，知识迁移能力好，后劲足，能适应工控领域日新月异的变 化。 面对技术的发展和p l c 的控制系统呈现综合化、网络化的发展趋势，为了 适应当今p l c 课程教学的需要，更好地进行精品课程的建设，应建立p l c 网络 系统实验室，将现场总线控制技术融入到p l c 控制实验系统中。在掌握单机p l c 可编程控制器应用技术的基础上，又进一步将p l c 的网络技术、通讯技术、控 制技术整合在一起，形成综合性的网络化控制。实验室应提供具有现场控制对 象的完整控制层、监控管理层、远程监控层三层结构的远程网络控制系统，并 将组态软件技术、网络通信配置、现场触摸屏技术融合在控制系统中，以利于 培养全面的高素质的综合性人才。 围绕着这个目标，本课题提出了一种强调贴近生产实际的实验模式，采用 真正的工业现场所用的p l c 控制器、控制柜，利用现场总线技术、计算机网络 技术和工业组态软件技术，建立具有多层网络的实验软硬件平台，让学生在整 个实验过程中充分感受p l c 技术的特点和优势以及工控领域的丰富性，将实践 性、实用性和与时俱进的先进性有机结合心1 。 由于西华大学的可编程控制器原理及应用课程以三菱的f x 系列p l c 教 学为主，为了教学的连续性、深入性和先进性，采用工业级的三菱q 系列p l c 为主并结合f x 系列p l c 构成的多层网络控制系统。在当今工业领域中，三菱q 系列p l c 作为三菱公司生产的高端产品，己被广泛应用于工业生产活动中，应 用范围广，应用效果良好，是当今p l c 市场中比较主流的应用产品，通过对此 系统地了解，学习者可以自上而下，由浅入深地掌握q 系列p l c 本身的特点和 2 西华人学硕士学位论文 应用方法，以及网络化、分布式的控制方式，最为主要的是本系统完全按照工 业级标准建立，符合当下技术发展的趋势，对于学习者自身理论水平的提高和 操作能力的提高有着深远的意义，即使在日后使用其他公司的产品，也能做到 心中有数，举一反三。 因此对p l c 及其网络进行理论上的研究以及搭建试验开发平台是了解工业 发展和学习控制技术的良好途径。本课题正是按照这种发展趋势，适应当下技 术领域发展需要而建立。该系统的集成与制造完全按照工业应用的模式，使学 生了解工业级的p l c 综合控制系统是如何集成、制造和安装布线。该由工业以 太网、h 网、c c l i n k 现场总线等多级网络构成；具备光纤环网通讯冗余，主站， 备用主站，故障站报警及自动恢复的演示功能，具备c p u 冗余系统，电源冗余， 通讯冗余，逻辑控制，过程控制，模块热插拔，伺服系统单轴运行，直线插补， 圆弧插补演示功能以及温度控制功能；可以多种方式控制远程设备站，远程智 能站，远程1 0 站，并提供p r o f i b u s - d p 接口，以o p c 方式通讯，客户机以i e 浏览方式访问服务器；上位机具备报表，实时曲线，历史曲线，安全机制，动 画等功能的演示，还可进一步完成相关课题程序的编制与开发，可为学生展示 当今工业控制领域里最先进的控制技术，可为学生的课程设计、毕业设计提供 先进的实验技术平台。此网络具有分布式的特点，网络结构实现了无缝链接， 是当下最先进的p l c 网络中的一种。 此系统构建了三层控制网络，实现了工业级的标准要求，在此网络结构上 构建的实验子系统涵盖了三菱p l c 网络的几乎所有特色，更贴近实际，靠近技 术前沿。本系统虽然是作为实验平台，但各项指标已经达到工业级标准，能够 在为学习者建立较好理论基础的同时，将理论基础应用于当下主流的产品之中。 面对实物，学生可以在建立的现有网络框架下，按照自己的思想设计创新，既 提高了感性认识，培养了实际操作能力，又提高了学习者解决实际问题的能力， 使学习者对于当前的技术前沿有着较好的理解和掌握，在学校的学习中就可以 实打实地掌握工业标准和p l c 网络控制系统的特点和建立方法。 可编程控制器原理及应用课程具有多变性、综合性、典型性、实践性和 实用性五大教学特点，在教学过程中，既有一般又有特殊，既有新授又有复习， 既有理论又有实训，既有工作原理又有编程方法，既有典型单元程序又有复杂 西华大学硕士学位论文 实用案例。该p l c 网络控制实验系统的构建思路，改变了传统单一的、以分散 的p l c 可编程控制器为基础的实验模式，符合现代自动化系统“集中管理、分 散控制 分布式网络化控制系统发展趋势。并且从实验项目的设计方面，力求 使学生在掌握单机p l c 可编程控制器应用技术的基础上，又进一步将p l c 的网 络技术、通讯技术、控制技术整合在一起，学习掌握综合性的网络化控制技术。 p l c 网络控制实验系统的建设协1 ，不仅在可编程控制技术专业课的实验教学 中发挥积极重要的作用在这个先进的平台下需要进行多种实验系统的设计，使 可编程控制器的教学在实践环节上从普通的验证性、简单的设计性实验开始， 经形成了一套完整的相互关联与补充的实践教学体系，将基础实践与设计性、 综合性、创新性实践结合，单一的控制模式与多模式结合，单机、简单网络控 制与多层网络控制结合，本地与远程网络相结合，课程实验与课程设计结合， 激发学生的创造性精神，为我国培养新型的综合性工控人才探索有效的途径h 1 。 1 2p l c 网络控制系统的发展概述及国内外现状 控制网络( c o n t r o ln e t w o r k s ) 是由数字控制技术、网络通信技术、信息集 成技术和计算机技术共同发展而来的，是指用于实时控制的工业通信网络。智 能的传感器和智能的执行器，通过工业控制网络交换数据，使得不同的控制单 元和控制细胞之间建立通信联系，克服了不同控制单元之间的“孤岛”效应。 控制网络带来了自控系统可靠性、经济性和安装维护性，同时使自动化和i t 技 术相结合，促进了自动化技术的信息化发展和应用。控制网络的主流是工业以 太网和基于r s 4 8 5 的现场总线。i e c 6 11 5 8 国际标准中，规定了1 0 种类型的现 场总线，包括西门子倡导的p r o f i b u s 和p r o f i n e t 通信协议。下面从p l c 产品 及其用出发，讨论基于p l c 的控制网络的国内外现状。 1 2 1 可编程控制器的应用领域 计算机集散控制系统d c s 是由回路仪表控制系统发而来的。它的优势在于 模拟量的处理及回路调节功。自7 0 年代初期问世以来，得到了迅速的发展。微 处器特别是单片机的出现和通信技术的成熟，使得计机集散控制系统把顺序控 制装置、数据采集装置、过控制的模拟量仪表有机地结合在一起，形成了满足 4 西华大学硕士学位论文 种不同要求的集散型控制系统。 自8 0 年代中期以来d c s 产品在电力、石化、化工等行业发挥了重大作用， 但是国际上d c s 产品的专有化生产和高昂的价格，阻碍了d c s 的普及和技术 改造。近2 0 年来计算机和信息技术的飞速发展，不断成倍扩大的功能和成倍 降低的价格，使可编程控制器( p l c ) 、通讯联网技术、过程控制软件都获得了 长足进步，为工业自动化控制注入前所未有的生机和活力，也使利用p l c 及网 络技术来开发集成d c s 成为可能。虽然在大多数人惯性思维中，p l c 是低档次、 低性能的可编程控制器，只是应用在小型的、安全等级不高的控制系统上。但 现在p l c 的发展已发生根本的变化，其主要特点为： 向高功能、高速度和大容量发展，形成可与d c s 媲美的大型系统； 网络化和通信能力不断增强，安全性能不断提高； 编程语言多样化，大型p l c 正越来越多地使用s f c 、c 、b a s i c 等高级 语言编程或采用多种语言联合编程； 基于国际标准的开放设计，允许与第三方软硬件的技术融合。因此利用 p l c 为基础开发应用分布式控制的基础条件已经成熟。 p l c 给工业自动化带来了革命性的变革。经过2 0 多年的工业应用，p l c 特 点己越来越为广大业界人士认识和接受，使得p l c 迅速渗透到工业控制的各领 域。包括从单机到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业局部网络等等。 仔细来分，p l c 大致有如下几个应用领域： 1 ) 开关量的逻辑控制。p l c 取代了传统的继电器控制系统，实现逻辑控制。 例如：机床电器控制，冲床、铸造机械、运输带、包装机械的控制，注塑机的控制， 化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金企业的高炉上料系统、轧机、连铸机、 飞剪的控制，电镀生产线、汽车装配线、电视机和收音机的生产线控制，甚至核 电站的系统控制等等； 2 ) 运动控制。p l c 可用于对直线运动或圆周运动的控制。p l c 的运动控制 功能广泛地用于各种机械。例如：金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机 器人和电梯等等； 3 ) 闭环过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量 的闭环控制。p l c 的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、 西华大学硕士学位论文 热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建 材等各个行业； 4 ) 数据处理。现代p l c 具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、 位操作等功能，可以完成数据采集、分析和处理。数据处理一般用在大、中型 控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等； 5 ) 机器人控制。机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未 来工业生产自动化的三大支柱之一。现在许多机器人制造公司选用p l c 作为机 器人控制器来控制各种机械动作。随着p l c 体积进一步缩小，功能进一步增强， p l c 在机器人控制中的应用必将更加普遍； 6 ) 网络控制。p l c 联网是一个大潮流，是目前网络是一个发展趋势。现在 各种p l c 都在发展自己的网络，一般从结构上有两种，一种在p l c 模块上做了 一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点通信( r s 2 3 2 连接) ；另 一种是通过多点联接( 如r s 4 8 5 连接和更好的现场总线p r o f i b u s 协议的网络标 准等) ，可构成多层p l c 控制网络，达到大大地扩展了p l c 的控制功能。 根据国外资料统计，在工业控制中8 0 都采用p l c 来完成。因为顺序控制 是工控不可缺少的一环，几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤地进行 的，因此都可以采用p l c 。目前国外p l c 应用于自动控制这一领域占6 0 ，应用 于数据管理占2 0 9 6 ，用于生产管理占1 8 ，用于人机接口占2 2 。可见对于工控 来说p l c 占主导地位，而数据处理、生产管理等目前计算机仍是主体。b 卜盯1 综上所述，我们可以了解到，用p l c 可编程控制器这个词来表达当今可编 程控制系统，已经不再合适了。因为在其中已经溶进了工业计算机和计算机集 散系统的特点，达到了“无所不在 的局面。 1 2 2 现场总线与可编程控制器 1 ) 现场总线技术的发展及意义嚏1 现场总线技术于上世纪8 0 年代产生，它是一种连接智能现场设备和自动化 系统的全数字化、双向传输、多分支结构的串行通信网络，用于构筑最底层的 控制网络，其基础是智能仪表。国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准将其定义为“安 装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串 6 西华大学硕士学位论文 行、多点通信的数据总线”。通过现场总线，分散在各个工业现场的智能仪表连 为一体，与控制室中的控制和监视器一起共同构成现场总线控制系统f c s 。 在f c s 中，控制功能由过去的控制室设备变为智能现场仪表来承担，从根 本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性，体 现了“控制分散、危险分散”的思想。根据应用场合和用途。与d c s 相比现场 总线控制系统f c s 具有系统开放性、设备互联性、设备互可操作性与互用性、 设备智能性、高度分散性、环境的适应性等特点，所以f c s 具有节省硬件数量 与投资、节省安装费用、节省维护开销、易于系统集成、准确性与可靠性高、 设计简单、系统易重构等优点。现场总线的发展迅速，市场上已出现了大约6 0 多种，其中最有影响力的有：汽车和小型控制系统中德国b o s c h 公司的c a n 总 线、在智能建筑和家电网络中美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 现场总线、在过程 工业中德国的p r o f i b u s 总线、r o s e m o u n t 公司h a r t 线以及基金会场总f fh 1 等。 人们提出了f c s 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的概念。这 些系统虽然名称不同，侧重面不一，但系统的技术水平是近似的。因此我们不 难得出下面几个结论： 工业控制机( i p c ) 及计算机集散控制系统( d c s ) 以及p l c 在走着一条相互融 合的道路。p c c 、p c s 以及f c s 就是集中的代表； 智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想； 系统的智能性将越来越重要。因此系统的分析运算能力将越来越强； 基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据； 通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。 2 ) 基于p l c 的分层分布式网络结构 d e s 系统之所以能与p l c 系统并行发展，是因为它在处理模拟量、回路调 节技术以及网络技术方面有着其优越性。然而现场总线技术的发展使p l c 的网 络结构和发展能力发生了革命性的变化。分布式的控制思想首先将可能出现的 问题限制在局部范围，从而提高了系统的可靠性。智能分布式控制思想和系统 的开放性、兼容性是可编程控制技术发展的一个极为令人关注的领域们。其 主要特点可归纳如下： 西华大学硕士学位论文 整个控制系统可分为四个个层次：即管理层网络、监控层网络、控制层网 络和现场层网络，由于控制层网络和现场层网络联系紧密，都属于现场控制， 大家又经常把它们放到一起作为低层的现场控制层n 刭。其结构如图1 1 所示。 a ) 管理层这是整个网络的最高层次。负责远程监控和系统的整个管理，是 控制系统和信息系统的集成层，整个系统的图文显示、管理决策制定与实施、 各子系统间或与外系统的信息互换与交流及数据库管理等职能都属这个网络层 次的范畴。同时又是广域网的节点。e t h e r n e t t c p l p 是管理层最常用或值得推 荐的通信协议； b ) 操作和监控层：一般以组态软件为平台，与数据库结合，完成控制层相 关的现场数据的采集处理，动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史 曲线和报表输出等监控功能和操作功能； 管理层 操作和监视 现场| 。趣 i 1 3 黔鬻 。、之产”。“” 曛藕 留“薄 瓣瀚疆嬲黢藤翻 黪耪急。管麓粼层 辋一：粤 茹黼绷嗣匿钨黪司匿瓣。 f i g u r e1 1l a y e r i n gd i s t r i b u t e dn e tf r a m e w o r kb a s e do np l c 图1 1 基于p l c 的分层分布式网络结构图 c ) 现场控制层 控制层：是现场层的上一级的网络层面。各层次的各个子站都是控制或监 控功能的集成节点。开放式、标准的现场总线是构成此层面的手段，如f r o f i b u s 罾 两华大学硕士学位论文 现场总线等； 现场层：这是直接与现场设备相关联的层面，这个层面上的各个子站都紧 靠现场的传感器和执行构。传感器或现场信号能及时被采集，控制系统对执机 构的指令能迅速得以贯彻实施。同样开放式、标准现场总线如f r o f i b u s 和 c h n b u s 也是构成此层的手段。 3 ) 现场控制层网络层的特点 由于现场控制层是控制系统的灵魂。因此该层网络应具以下特点： a ) 必须具备标准化的现场总线模式。即所用现场总线不能是某一厂家的标 准。它必须是标准化现场总线，并具备总线式和树状灵活的拓扑结构：同它必 须有开放式的现场总线支持( o p e nf i e l d b us p p o r t ) ； b ) 必须具备智能分布式拓扑结构。为使整个统具备高度的安全可靠性，控 制层和现场层的现场总线网络要具备智能分布式的拓扑结构。其特点如下： 设备既可当地通过人机界面控制，又可以通过控制站控制； 当主站出现问题时，其他子站照常工作。当某一站出现问题时，有错误记 录功能。待重新复后，能够进行错误分析。主站的计算机可接入控制层的 任意一子站。 良好的系统可扩展性。系统的扩展一般分为当地扩展、远程扩展和组网在 判断一个系统的扩展能力时，一般有两个判据： 在一个c p u 下可以扩展的i o 点数； 能支持多少种网络协议( p r o f i b u s 、e t h e r n e t 、c a n 、m o d b u s ，) 当然保证系统有一个好的扩展性的前提条件是，系统应该在硬件上具 备模块式结构。新的软件可以模块方式添入； 系统的开放性和兼容性。开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的 概念。这里一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另 外一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程 度。当今可编程控制产品的种类繁多加上自动化项目越来越大，致使常常 在一个工程项目中出现不同厂家的产品作主从站的现象。这就要求每一厂 家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品兼容性问题。另一方面，可编 程控制器与工业计算机等其他装置的通信的难易也体现了其开放性的特 9 西华大学硕士学位论文 点。除此之外同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制 产品的水平。为了使产品之间相互兼容的程度比较好贝加莱公司的p c c 产 品，除去具备e t h e r n e t 、p r o f i b u s 以及c a n b u s 等标准网络或现场总线 全面支持外，还提供一个帧驱动器( f r a m e d r i v e r ) 的工具，可很方便地解决 此类串口通信问题。 通用性和专业化的结合。可编程控制产品是通用的，但是工业的每一领域 都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢? 硬 件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些 特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。这些专用模块 包括：定位或c n c 模块、温度测量模块、称重模块、电力行业用的高速采样 模块、网络接口模块等等。 4 ) 可编程控制器技术的智能化 提高一个系统的智能程度不仅能提高系统的品质，在某种意义上也提高了 系统的可靠性。其智能化发展的特点主要体现在如下几点： 开发环境的智能性这包括可编程控制系统的自诊断功能、监控功能以及在 线帮助等功能。同时丰富的功能库也是判断一个系统智能性的重要依据； 硬件的智能集成度现场总线的智能分布式结构是突出的一点。另外，多处 理器技术( m p u ) 和智能外设技术( i p ) 并列于c p u 的智能硬件也是不可忽略的 发展趋向； 模糊逻辑及神经网络的应用模糊逻辑的应用分为硬件和软件的实现，主要 用于模糊调节技术、神经网络的应用有待于进一步发展； 可靠性与冗余的概念。国内的许多用户已对冗余的概念比较熟悉。所谓冗 余即容错，就是功能的备份、安全及可靠性的备份。因为特定的环境和条 件要求自动化系统有较高的可靠性。冗余基本上可以划分为：c p u 和电源冗 余、网络冗余，以及i o 冗余三个层次。同时冗余又可分双冗余和多冗余 的结构。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。 要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。 m t b f ( 平均无故障时间) 指标是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂家， 其p l c 产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。贝加莱的产 1 0 两华大学硕士学位论文 品可很方便地实现三重或多重冗余。其电源冗余可直接由并行插电源模块 来实现。 综上所述，现场总线技术的发展使p l c 的网络结构和发展能力发生了革命 性的变化，而可编程控制器技术的智能化进一步促进了p l c 控制网络的可靠性， 使基于p l c 的分布式控制网络得到了广泛的应用。 1 2 3 p l c 网络控制系统的国内外发展现状 1 2 3 1 国外p l c 及其网络发展及现状3 1 世界上p l c 产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派 是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的p l c 技术是在相互隔离情况 下独立研究开发的，因此美国和欧洲的p l c 产品有明显的差异性。而日本的p l c 技术是由美国引进的，对美国的p l c 产品有一定的继承性，但日本的主推产品 定位在小型p l c 上。美国和欧洲以大中型p l c 而闻名，而日本则以小型p l c 著 称。 1 ) 美国p l c 产品 美国是p l c 生产大国，有1 0 0 多家p l c 厂商，著名的有a - b 公司、通用电 气( g e ) 公司、莫迪康( m o d i c o n ) 公司、德州仪器( t i ) 公司、西屋公司等。 其中a b 公司是美国最大的p l c 制造商，其产品约占美国p l c 市场的一半。 a b 公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型p l c 产品是p l c - 5 系列。该系列为模块式结构，c p u 模块为p l c - 5 i o 、p l c - 5 1 2 、p l c 一5 1 5 、 p l c 一5 2 5 时，属于中型p l c ，i o 点配置范围为2 5 6 , 1 0 2 4 点；当c p u 模块为 p l c 一5 1l 、p l c 一5 2 0 、p l c 一5 3 0 、p l c 一5 4 0 、p l c - 5 6 0 、p l c - 5 4 0 l 、p l c - 5 6 0 l 时，属于大型p l c ，i o 点最多可配置到3 0 7 2 点。该系列中p l c - 5 2 5 0 功能最 强，最多可配置到4 0 9 6 个i o 点，具有强大的控制和信息管理功能。大型机 p l c 一3 最多可配置到8 0 9 6 个i o 点。a b 公司的小型p l c 产品有s l c 5 0 0 系列等。 g e 公司的代表产品是：小型机g e 一1 、g e - 1 j 、g e - 1 p 等，除g e - 1 j 外，均采 用模块结构。 西华大学硕士学位论文 g e l 用于开关量控制系统，最多可配置到1 1 2 个i o 点。g e - 1 j 是更小 型化的产品，其i o 点最多可配置到9 6 点。g e - 1 p 是g e - 1 的增强型产品，增 加了部分功能指令( 数据操作指令) 、功能模块( a d 、d a 等) 、远程i o 功 能等，其i o 点最多可配置到1 6 8 点。中型机g e i ，它比g e - 1 p 增加了中断、 故障诊断等功能，最多可配置到4 0 0 个i o 点。大型机g e v ，它比g e - i i i 增加 了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能，并具有较强的通信功能，最 多可配置到2 0 4 8 个i o 点。g e 一p 最多可配置到4 0 0 0 个i o 点。 德州仪器( t i ) 公司的小型p l c 新产品有5 1 0 、5 2 0 和t 1 1 0 0 等，中型p l c 新产品有t 1 3 0 0 、5 t i 等，大型p l c 产品有p m 5 5 0 、5 3 0 、5 6 0 、5 6 5 等系列。除 t 1 1 0 0 和t 1 3 0 0 无联网功能外，其它p l c 都可实现通信，构成分布式控制系统。 莫迪康( m o d i c o n ) 公司有m 8 4 系列p l c 。其中m 8 4 是小型机，具有模拟量控制、 与上位机通信功能，最多i o 点为1 1 2 点。m 4 8 4 是中型机，其运算功能较强， 可与上位机通信，也可与多台联网，最多可扩展i o 点为5 1 2 点。m 5 8 4 是大型 机，其容量大、数据处理和网络能力强，最多可扩展i o 点为8 1 9 2 。m 8 8 4 增强 型中型机，它具有小型机的结构、大型机的控制功能，主机模块配置2 个r s - 2 3 2 c 接口，可方便地进行组网通信。 2 ) 欧州p l c 产品 德国的西门子( s i e m e n s ) 公司、a e g 公司、法国的t e 公司是欧洲著名的 p l c 制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型p l c 产品领域与美国的a - b 公司齐名。 西门子p l c 主要产品是s 5 、s 7 系列。在s 5 系列中，$ 5 - 9 0 u 、s - 9 5 u 属于 微型整体式p l c ；s 5 一i o o u 是小型模块式p l c ，最多可配置到2 5 6 个i o 点； $ 5 - 1 1 5 u 是中型p l c ，最多可配置到1 0 2 4 个i o 点；$ 5 - 1 1 5 u h 是中型机，它是 由两台s s 一1 1 5 u 组成的双机冗余系统；$ 5 - 1 5 5 u 为大型机，最多可配置到4 0 9 6 个i o 点，模拟量可达3 0 0 多路；s s - - 1 5 5 h 是大型机，它是由两台$ 5 - 1 5 5 u 组 成的双机冗余系统。而s 7 系列是西门子公司在s 5 系列p l c 基础上近年推出的 新产品，其性能价格比高，其中$ 7 - 2 0 0 系列属于微型p l c 、$ 7 - 3 0 0 系列属于于 中小型p l c 、$ 7 - 4 0 0 系列属于中高性能的大型p l c 。 3 ) 日本p l c 产品 1 2 西华大学硕士学位论文 日本的小型p l c 最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型 机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制 系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多p l c 制造 商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型p l c 市场上， 日本产品约占有7 0 的份额。 三菱公司的p l c 是较早进入中国市场的产品。其小型机f 1 f 2 系列是f 系 列的升级产品，早期在我国的销量也不小。f 1 f 2 系列加强了指令系统，增加 了特殊功能单元和通信功能，比f 系列有了更强的控制能力。继f 1 f 2 系列之 后，2 0 世纪8 0 年代末三菱公司又推出f x 系列，在容量、速度、特殊功能、网 络功