基于工业以太网+现场总线的通讯网络设计

《工业控制计算机》２ＯＯ８年２１卷第１２期　６１　基于工业以太网＋现场总线的通讯网络设计　葛锁良　何　明　岳　胜　（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥２３０００９）　摘要　介绍了自动化网络结构和工业以太网的优势。针对某腈纶纺丝生产线传统的控制网络通讯系统，提出基于ＩｎｄｕｓｔｒｉａＩ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ＋Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ通信的ＰＬＣ控制系统的设计。阐述了主从ＰＬＣ、ＰＬＣ和变频器的通信过程和网络设置以及该控制　系统的软件实现。设计后系统抗干扰能力强、通讯速度快、易于扩展。　关键词：Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ，ＭＰＩ。Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，控制，网络，通信　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　４－ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ａｎ　ａｃｒｙｌｉｃ　ｆｉｂｅｒｓ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａ—　ｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｅｔｔｉｎｇｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐｒｏｇｒａｍｓ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ＰＣ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ＰＬＣ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ．ＭＰＩ，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ｃｏｎｔｒｏ１．Ｎｅｔｗｏｒｋ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　１传统的工厂自动化网络结构　控制，使其扩展性收到了极大限制。第二，当控制级和现场的距　传统的控制系统仅仅限于车间级监控和现场层的通信，将　离过长时，ＭＰＩ网络必须采用中继器来延长通讯距离。但是中继　各分布式的Ｉ／Ｏ组成网络。这种网络一般只能对下级生产设备　器的使用会令传输速度、稳定性和抗干扰能力大大下降。第三，　进行状态监控和管理，但是不能及时获取各个现场层的即时信　采用基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的以太网通讯方式是面向对象的连接，　息，也不能对当前整个生产线的状态进行监控和统一调度。　ＰＬＣ之问不存在主从关系，对系统进行扩展时仅需在对象层面　在此基础上发展出的工厂管理级网络，即控制级网络，则解决了　对组态进行修改。　上述问题。引入了上位机监控系统，把现场层生产数据及时送到　３　基于Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ＋Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ的控制系统网络　控制级，实现整个生产系统的在线监控，实时控制和数据交换的　基于上述原因，提出基于　统一。控制级可以完成ＰＬＣ与计算机和ＨＭＩ（人机接口）、ＰＬＣ　ｎｄｕｓｔｒｉａＩ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ的控制级控１　＞—，（）—ＳＩ　　与ＰＬＣ之间的数据交换。数据通讯可以周期性地自动进行，或　制系统设计方案。西门子公司专　基于时间驱动（由用户程序块调用）。以某厂的腈纶生产线为例，　门的以太网通讯模块ＣＰ３４３—１　控制系统采用ＭＰｌ＋Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ的网络结构，如图１所示。　符合ｌＳＯ的１至４层协议，如　图２所示。该模块采用的是全双　世　谴跚｛　，捌　Ｊ＿丘１０刚　圳　工模式，根据ＩＥＥＥ８０２．３　Ｐ＆ｑ，　应用报文优先技术，使优先级高　图２数据通信数据模型　的报文先进入排队系统接受服　务。通过这种优先排序，紧急事务可以传到中央控制系统，得到及　时处理。使用光纤作为物理介质，可以同时满足距离和速度的要　求。整个控制层用交换机实现通讯。１Ｏ０Ｍ高速以太网交换机，完　全可以摆脱ＣＳＭ　Ｄ的约束，通讯负荷和冲突问题得以很好　的解决。该方案保留了传统的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ的现场级通信，优化　了控制级网络，使整个系统在保证原有优点的同时提高了信息吞　吐能力和扩展性。系统结构如图３所示。　图１传统控制系统网络结构图　２以太网的优势和传统网络的缺陷　当前以太网采用星型和总线型结构，传输速率为１０Ｍｂ／ｓ，　１０Ｏ　Ｍｂ／ｓ，１０００　Ｍｂ／ｓ或更高。ＡＢＢ公司打出Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ＩＴ的　旗号，西门子公司提出的ＴＩＡ，以及罗克韦尔公司强调的Ｅ—　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，无一不是与以太网技术相联系的。　由于生产规模的扩大和监控对象复杂程度的不断提高，当　数据传输量有了相当的增长时，基于ＭＰＩ的控制级网络就不再　图３　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ＋ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ　能满足需求。第一，对于ＭＰＩ网络，需要上位机安装专门的通讯　４网络组态和软件实现　网卡ＣＰ５６１１。如果由于需要增加监控的上位机数量，或者采用　４．１硬件和网络组态　移动设备，则原有原系统不能实现。同时，由于它采用了独立的　４．１．１以ＭＰＩ为依托构建工业以太网　通讯接口，使很多别的厂商的控制级设备不能加入该系统参与　考虑传统的ＰＬＣ控制系统以ＭＰＩ作为控制级网络，在此基　础上进行工业以太网的构建。首先设置控制级各站局域网的ｌＰ　地址。ＰＣ：１９２．１６８．０．１；ＣＰ３４３—１：１９２．１６８－０．１０：１９２．１６８ｌ０＿２０；　１９２．１６８．Ｏ．３０；１９２．１６８．０．４０。在ＰＧ／ＰＣ选项中选择ＭＰＩ网络，　然后下载硬件组态。此时可以在ＰＣ的运行对话框内输入　“ｐｉｎｇ　１９２．１６８　０．１Ｏ”来检测当前ＰＣ与第一个工作站的　ＣＰ３４３—１有无建立通讯，若正常则说明通过ＭＰＩ网络已将以太　网成功建立。　４．１ｌ２不依赖已有网络建立　此时需要应用ｌＳＯ／ＯＳｌ模型的数据链路层。由于ＣＰ３４３—　１在各自工作站相当于网络适配器，根据其唯一的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ地　址，即网络适配器的物理地址，因此可以在上位机所在的以太网　内搜索对应的工作站。根据ＣＰ３４３—１的６位ＭＡＣ地址，将上　位机和需要对应的工作站建立连接。　４．２软件实现　４ｌ２．１工作站之间的通讯　在ＰＬＣ的程序里将需要交换的数据打包，同时调用系统功　能ＦＣ５（ＡＧ—ＳＥＮＤ）和ＦＣ６（ＡＧ—ＲＥＳＶ）。由于ＯＢ１执行的是程　序循环，优先级低且循环周期不固定，做通讯调用不可靠。而　ＯＢ３５执行的是循环中断，所以将ＦＣ５和ＦＣ６在ＯＢ３５中调　用。其中ＦＣ５用于向别的工作站发送数据，ＦＣ６则用于接收。部　分通讯程序如下。　Ａ　Ｍ　０．０　：　Ｌ　２０．Ｏ　ＢＬＤ　１０３　ＣＡＬＬ　ＡＧ—ＳＥＮＤ　／／调用ＦＣ５　ＡＣＴ　：＝Ｌ２０．０　ＩＤ　：＝１　ＬＡＤＤＲ：＝Ｗ＃１６＃１００／／起始地址　ＳＥＮＤ：＝Ｐ＃ＤＢ１．ＤＢＸ０．０　ＢＹＴＥ　５０　ＬＥＮ　：＝ＭＷ１０　／／数据长度　Ｄ０ＮＥ　：＝Ｍ０．１　ＥＲＲＯＲ：＝Ｍ０．２　Ｓ　ＵＳ：＝ＭＷ１　２　ＮＯＰ　０　ＣＡＬＬ　Ｇ—ＲＥＣＶ　／／／调用ＦＣ６　ｌＤ　：＝１　ＬＡＤＤＲ：＝Ｗ＃１６＃１００　ＲＥＣＶ　：＝Ｐ＃ＤＢ２．ＤＢＸ０　０　ＢＹＴＥ　５０　ＮＤＲ　：＝Ｍ２０．０　ＥＲＲＯＲ：＝Ｍ２０．１　ＳＴＡＴＵＳ：＝ＭＷ３０　ＬＥＮ　：＝ＭＷ３２　ＮＯＰ　０　ＰＩ（・韪椐缺　臣丑亘三＝］＼　—ＤＢ固Ｉ　Ｄ　Ｂ＊＇２　ｌ…　数　———ＤＢＩ　ＤＢＷ三二］４　Ｉ　臣巫巫三＝］／　［ｊｊ：　固—　［！！ｊ　固—　ｓ　臣互　二＝］、　—ＤＢ丑Ｉ　Ｄ圃ＢＷＩ　４　Ｉ　—ＤＢ—Ｉ　Ｄ—ＢＷ　Ｉ　６　Ｉ　惦　臣　卫／』　［三　：！囵．　［：　ｊ：ｉ圈・兰　实　图４现场级通讯　基于工业以太网＋现场总线的通讯网络设计　４．２．２工作站与变频器的通讯　ＰＬＣ与变频器的通信采用ＰＰＯ（Ｐａｒａｍｅｔｅｒ／Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｄａｔｅ　Ｏｂｊｅｃｔｓ）的数据格式。ＰＰＯ１格式分为四字ＰＫＷ参数区和双字　ＰＺＤ过程数据区，两者均为连续的数据区。在硬件组态时，为每　个变频器分配一个总线从站地址，并为ＰＫＷ和ＰＺＤ分配连续　的逻辑起始地址。主站通过系统读模块（ＳＦＣ１４）和系统写模块　（ＳＦＣ１５）完成与变频器的数据交换。如图４、５所示。　４．３通信检测和抗干扰　在主从站各发送一周期脉冲，接受站收到脉冲信号经过滤　波实时检测主从的通信状态，若通信中断，将采取紧急处理，主　从ＰＬＣ通信检测过程如图５所示。在ＰＬＣ程序中将从变频器　返回的状态字中的故障位经过滤波实时检测ＰＬＣ与变频器的　通信状态，通过系统模块激活从站来提高抗干扰能力。　图５主从ＰＬＣ通信检测　４．４软件流程　系统上电后，ＰＬＣ将检测系统硬件设置、波特率与系统组态　是否一致，不一致将报系统故障。检测ＰＬＣ组态的变频器数据　格式、通信设置、传输速率等是否与变频器的设置是否一致，不　一致将报总线故障。ＰＬＣ程序运行后，首先运行初始化块　ＯＢ１０Ｏ，装入程序运行所需初始数据；调用Ｏ３５，建立各个工作　站之间的通讯。总线初始化块根据总线协议进行通信握手，然后　执行ＰＬＣ通信检测块，通信不正常，将报通信故障，然后进行通　信故障处理，正常后ＰＬＣ才　能进行数据交换。然后循环执　行ＯＢ１组织块，其他所有检　测和数据交换块必须在ＯＢ１　中调用，否则无法执行。然后　主从站通信检测ＰＬＣ与变频　器通信是否正常，通信不正　常，将报通信故障，然后进行　通信故障处理，正常后主从站　才能进行数据交换，以达到通　信控制变频器的效果。　图６软件流程图　５结束语　该控制系统通信网络采用Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ和Ｐｒｏｆｂｕｓ－　ＤＰ协议，能满足工艺的复杂要求。与传统的ＭＰＩ网络相比，在　控制级提高了系统的耦合性和扩展能力，方便网络的扩展，提高　了数据的传送效率；在现场级保留原有通讯网络，适合系统要求　的可编程控制器与现场分散Ｉ／Ｏ设备之间的通信；采用光纤作　为物里传输介质，系统抗干扰能力强。　参考文献　［１］葛锁良．基于ＤＨ＋网络的山梨醇生产线ＰＬＣ控翩系统［Ｊ］．合肥工业　大学学报（自然科学版），２００６（６）：６９１—６９４　［２］廖常初．Ｓ７—３００／４００ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２００５　１．２—１４６　［３］崔坚．西门子工业网络通信指南（下）［Ｍ］北京：机械工业出版社，　２０Ｏ５＿７—１２２　［收稿日期：２００８．８．７］