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ag旗舰厅app下载基于现场总线技术的PLC控制系统研

2020-08-19 11:35
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  依据IEC 61158规范和现场总线基金会FF(Fieldbus Foundation)的定义,现场总线是一种服务于生产现场、能够在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点和数字通信的网络系统。在计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成作业系统(CIPS)中,现场总线属于底层控制网络;开放系统互连(OSI)模型是它的技术基础,分布到现场的通信网络、仪表的互操作性以及分散功能块则是它的主要技术特点。比较著名的总线有过程现场总线(Profibus)、控制局域网络(CAN)、局部操作网络(LONWORKS

  依据IEC 61158规范和现场总线基金会FF(Fieldbus Foundation)的定义,现场总线是一种服务于生产现场、能够在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点和数字通信的网络系统。在计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成作业系统(CIPS)中,现场总线属于底层控制网络;开放系统互连(OSI)模型是它的技术基础,分布到现场的通信网络、仪表的互操作性以及分散功能块则是它的主要技术特点。比较著名的总线有过程现场总线(Profibus)、控制局域网络(CAN)、局部操作网络(LONWORKS)和全球工厂仪表协议(WorldFIP)等。

  可编程序控制器PLC(Programmable Logic Controller)是专为工业环境下应用而设计,集微处理技术、自动化技术和通信技术为一体的实时控制装置。在工厂自动化的进程中,ag旗舰厅app下载PLC的开关量控制和顺序控制功能占有突出的地位。随着微电子技术和计算机通信技术的发展,PLC在硬件配置、软件编程、通信联网及模拟量控制等方面均取得了长足的进步。基于PLC和网络通信技术的新型分布式控制系统的开发,已经成为现代生产过程自动化的一个主要发展趋势。其间,现场总线技术支持下的PLC控制系统的研究与应用,是该分布式控制系统得以实现的重要途径。

  集中监控管理、分散控制是现代工业过程控制的主要特点。在局域通信网络(LAN)技术的支持下,典型过程控制系统的网络架构如图1所示。就工厂级(Factory level)和现场级(Device level)而言,Fieldbus和PLC占有主导地位。为此,各生产厂商相继推出了PLC专用的现场总线技术和产品。其中,以Modicon公司的Modbus Plus(MB+)和OMRON公司的Controller Link为代表,应用范围较广,效果较佳。

  Modbus Plus(MB+)是Schneider旗下的Modicon公司为其PLC系列产品开发的高速、对等工业局域网络。依据ISO/OSI参考模型,MB+的网络体系包含物理层(PHY)、数据链路层(Data Link)、会话层(Net BIOS)和应用层(Modbus)。其中,数据链路层的信息帧由设备地址、功能代码、数据和出错校验码(CRC)4部分组成。MB+网络中,各节点地址唯一;节点间实现信息传输的方式一般有3种:主从传输(MSTR)、点对点传输(Peer Cop)以及分布式I/O传输(多用于远程访问与控制)。

  每个Modbus Plus都会维护1个随令牌一起循环的全局数据库(Global Database)。通过用户编程,节点可共享数据库的信息。Modbus Plus网络间的通信通过网桥来实现。

  Profibus(Process Field Bus)是一种开放式的国际标准(IEC61158)总线年,由SIEMENS为首的多家研究机构共同开发。经过近20年的发展,该总线已被广泛应用于工业过程控制之中。

  Profibus遵循ISO/OSI参考模型,整个网络由物理层(PHY)、数据链路层(FDL)和应用层(APPL)组成。FDL的MAC,FLC,FMA1/2子层分别就链接传输媒体时的总线存取方法,对低层接口的有效服务以及总线参数的设定进行了规定和描述。在应用层,FMS,LLI,FMA7子层则被用于通信管理时的应用服务,现场总线信息规范向FLC的映射和传递总线子层等方面。基于OSI模型的Profibus网络协议结构如图2所示。实际应用时,每段Profibus网络最多可链接127个节点;200 m内传输速率为500 kbps,1200 m时传输速率为9.6 kbps。作为一种多主(Multi Master)结构的总线网络,Profibus提供了3种不同系列的产品,以满足工业过程控制的实际需要:Profibus-DP,采用RS-485传输技术,适用于自动控制系统与现场设备问的实时通信;Profibus-FMS,要求面向对象,提供大数据量的通信服务,多用于中间级控制;Profibus-PA,采用IEC11582传输技术,专用于过程自动化。理论而言,上述3种Profibus网络都可与PLC相结合,组建自动控制系统乃至DCS;但在实际应用中,Profibus-FMS已逐渐为Ethernet所取代。

  CAN(Controller Area Network)是一种双向、半双工的高速串行通信网络系统。其通信协议由德国BOSCH GmbH公司提出;经ISO11898和ISO11519规范后,CAN成为广泛应用于工业自动化领域的国际标准。与Profibus相似,CAN也由物理层(PHY)、数据链路层(MAC;LLC)和应用层(APPL)组成;但在信息帧格式、通信机制和系统硬件结构等方面,CAN与Profibus相去较远。

  CAN的网络拓扑结构如图3所示。依据ISO11898标准,CAN采用双铰线作为信息传输媒介,网络终端阻抗一般取12012。最大直接通信距离由传输速率决定。其典型值为:40 m时1 Mbps;1000 m时50 kbps。理论而言,若控制节点拥有唯一标识,每一单独的CAN网络可以链接2032个节点;但是,受硬件限制,实际应用时允许链接的控制节点数为110个。

  CAN采用非破坏性总线仲裁技术,媒体访问按节点信息的优先级(CAN 2.0A 11 bits;CAN 2.0B 29 bits)进行,以满足实时控制的不同需要。传输过程中,信息帧为短帧结构,包含4种类型:数据帧(Data frames)、远程请求帧(Remote frames)、出错校验帧(Error frames)和溢出帧(Overloadframes)。短帧结构的突出优点是传输时间短,抗干扰能力强。

  现场总线技术的研究与应用,在推进分布式控制系统数字化、网络化进程的同时,有效拓展了PLC的应用空间。综合而言,用Modbus,Controller Link为代表的专用现场总线与本系列PLC通信时,体现出较强的标准同一性;而以Profibus和CAN为代表的国际标准总线,组网时对控制器件的开放程度较高。结合网络化自动控制技术的研究成果,PLC和现场总线技术的主要发展方向如下:

  1)通过接口协议的拓展和智能控制算法的应用,提高PLC的国际标准化程度,增强PLC与其它控制设备的融合性;

  3)应用OOP和嵌入式系统技术,开发更为友好的人机界面,以满足复杂控制系统的实时性要求。

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