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电气 自动化 2 o 5年第 3 7卷 第 4期 自动控制系统与装置一 Au t o ma t ic Co n t r o l S y s t e ms& E q u i p me n t s 基 于多层 网络 的 Q 系列 P L C通 信 系 张保森 中国化 工集团昊华宇航化工有限责任公司 , 河南 焦作4 5 4 0 0 0 统设计 摘要为实现对工业现场的实时在线远程监控 , 针对三菱 Q系列 P L C设计了一种多层网络控制系统, 给出了不同网络层次之间的通 信系统设计方案。多层控制网络由现场控制层、 中间决策层和远程管理监控层构成 , 各层分别采用 C C - L i n k现场总线、 M E L S E C N E T / H网络和以太网进行通信, 层与层之间设计了专门的通信模块。以 Q系列 P L C为例, 给出了系统的软硬件设计 方案, 基于 MC G S组态软件在线调试结果显示整体通信系统运行良好, 有效解决了信息冗余和丢包现象。 关键词多层网络; P L C; 网络通信; 远程监控; M C G S DOI 1 0 . 3 9 6 9 / j i s s n . 1 0 0 0- 3 8 8 6 . 2 0 1 5 . 0 4 . 0 3 4 [ 中图分类号]T P 2 7 2 / 2 7 8 , T N 9 1 1 . 7 3 4 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 5 0 4 0 1 0 20 4 De s i g n o f Q-- Se r ie s PL C Co mmu n ic a t io n S y s t e m Ba s e d o n t h e Mu lt i -- la y er Ne t wor k ZHANG Ba o . s e n C h i n a N a t i o n a l C h e mi c a l C o r p o r a t i o n H a o h u a Y u h a n g C h e mi c a l C o . , L t d . , J i a o z u o H e n a n 4 5 4 0 0 0 , C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r , w e d e s i g n a m u h i l a y e r n e t w o r k c o n t r o l s y s t e m f o r Mi t s u b i s h i Q S e ri e s P L C。 w h i c h c a n a c h i e v e r e a l t i me i n d u s t r i a l fi e l d o nli n e r e mo t e mo n i t o r i n g .T h e c o mmu n i c a t i o n s y s t e m d e s i g n s c h e me b e t w e e n d i f f e r e n t n e t w o r k l a y e r s i s g i v e n . T h e mu h i l a y e r c o n t r o l n e t wo r k i s c o mp o s e d o f t h e f i e l d c o n t r o l l a y e r ,i n t e r me d i a t e d e c i s i o n ma k i n g l a y e r a n d r e mo t e mo n i t o r i n g l a y e r ,w h i c h a d o p t C C- L i n k fi e l d b u s ,ME L S EC NE T / H n e t wo r k a n d E t h e r n e t f o r c o mmu n i c a t i o n p u r p o s e r e p e c t i v e l y .A s p e c i a l mo d u l e i s d e s i g n e d f o r c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n t h o s e l a y e r s .T a k i n g Q S e ri e s P L C a s e x a mp l e , w e p r e s e n t a h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n s o l u t i o n f o r t h e s y s t e m.T h e r e s u h o f o n l i n e d e b u g g i n g b a s e d o n MC GS s h o ws t h a t t h e wh o l e c o mmu n i c a t i o n s y s t e m c a n r u n v e r y w e l l t a n d t h e p r o b l e ms o f i n f o rm a t i o n r e d u n d a n c y a n d p a c k e t l o s s a r e s o l v e d e f f e c t i v e l y . Ke ywor ds mu hi l a y e r n e t wo r k,PL C,n e t wo r k c o mmun i c a t i o n,r e mo t e mon i t o rin g,MCGS O 引 言 随着物联网、 人工智能、 大数据以及云计算等前沿科技的飞 速发展 , 人类正在走向高智能化时代。传统工业急需跟上时代的 变化, 尽快完成 自身转型与升级 , 跟上科技发展的浪潮。在科技 上游技术呼唤远程互联互通与信息共享的大背景下, 寻求适当策 略将目前仍大量应用于工业现场的独立封闭式系统接入远程网 络, 在实现底层设备联网的基础上, 进一步实现远程监测和操控 是当今工业自动化领域的研究热点 。 可编程控制器 P L C 作为融合了微型处理器技术、 通用外围 接口自动控制技术和多模式通信协议的综合控制设备, 其 自身具 有灵活的编程模式, 可靠性极高以及广泛适用于各种工业环境等 众多优势。上世纪末和本世纪初是 P L C技术在工业现场快速布 局和发展的时期, 以西门子和三菱等一大批实力雄厚的大公司退 出的系列产品为代表, 使诸多底层 自动加工流水线获得 了长足的 发展, 并取得了良好的经济效益 。但近年来 , 工业现场发展的 大趋势正在发生变化, 功能更为强大和多样、 集成度更高 , 联网功 能更强是对 P L C技术发展的更强烈的推动。虽然各大 P L C公司 都投入大量的人力财力去开发自身的网络系统, 但因为企业间利 益的纠葛, 很难寻求到一种被各企业广泛接受的一致性 网络通信 标准。针对这一问题, 本文提出基于多层网络控制 的 P L C通信 定稿 日期 2 0 1 5 0 4 0 8 系统设计方法 , 即通过三层网络实现工业现场与以太网的互通互 联, 在底层仍采用各大公司 自身的网络系统, 在顶层借力当前应 用最广的以太网, 着力研究和设计连接两者通信的中间控制层 , 最终实现整体控制与通信系统设计。本研究以三菱 Q系列 P L C 为例 , 进现场调试实验, 验证了所捉系统的可靠性与可行性。 1 多层网络整体系统设计 为应对工业现场网络化应用的大潮流, 结合 P L C在工业现 场的实际运行需求 , 本系统采用三层网络实现从工业现场到远程 监控层的多集成度通信控制系统设计。系统 具体包 括 基 于 C C L i n k _ 3 现场总线的工业现场底层设备层, 基 于 ME L S E C N E T / H - 6 ] 网络的中间管理控制层和基于以太网的远程监控层。 各层网络的设计方案的选取依据如下 现场设备层 现场总线具有极好的稳定性, 在小型网络连接 中被广泛采用。C C L i n k作为主流现场总线协议的一种更适合于 工业现场的设备连接, 本设计采用 C C L i n k现场总线 , 实现 F X 2 N P L C, 变频器, 工控触摸屏, 伺服控制器以及 1 / O接 口直接的连 网, 可完成对现场设备的变频调速, 触摸设置, 三维运动控制等控 制任务。 中间管理层 ME L S E C N E T / H网络能够提供不同过程间的线 路互锁和同步功能, 并且具有高性能、 低故障率以及可确定通讯 等特点。最高可达 2 5 Mb p s 的通信速度, 双重回路设计保障了通 信的可靠性 , 减少了信息冗余, 同时提供大容量软文件连接功能。 本设计以8个三菱 Q系列 P L C为例, 在该层实现了8个控制对象 自 动控 制系统与装置 Au t o ma t ic C on t r o I S y s t e ms& E q u io me n t s 的协同控制 。 远程监控 层 以 I E E E 8 0 2 . 3标准 为支撑 的以太 网通信 协议 已经从百兆级发展到r千兆级, 而以光纤, 石墨烯等新材料为推 动力的更高速的以太网通信速度也指 日可待。本设计基于现有 强大的 以太例 网络 议 , 将 中问管理层的多台 没备利用 交换 机进 行连接, 利用组态软件中问什技术实现网络设置及 l 位控制界面 的编程。 图 1是整个网络控制系统结构示意 图。 图 1 三层 网络 系统结构示意图 2 系统硬件设备 与参数设 置 2 . 1 系统硬件设备及布局 本系统以 _ 1 . 、 I 现场 为背景 , 本设 备包含 三菱 Q系 列 P I C, 拎制框 、 总线挂箱 及各 种单几 懊块 。具 体山三个现场综 合操 控控 制柜 , 一 个系统觋场 总线 摊辜 f i 和总控 台构成。 _三 个杯 带 十 1 j 分 j I J 以 C C C o n t r o l c a b i n e t 一1 、 C C一2 、 C C~3 命名, 8个 P L C作为微控制器单位依次命名为 C P U一1至 C P U一 8 。针对现场设 备连 接直 接 的 主 单元 没汁干 H 应 的 I / 0接 口 电 路. .整个系统具备逻辑编程控制 以按钮指示方式、 A D数据采 集 、 D A数据输⋯、 变频器调速、 『t I 问层控制、 远程唤醒 关闭等 功能。 图 2址控制柜的现场 片。 图 2现场控制柜实物图 2 . 2 系统硬 件设 备控 制 电路设计 系统 各 元模块 的钡 什没计是较 为庞大的 [ 程 , 本 文选 取其 『 } J 的关键模块进行 洋细说 明。 2 . 2 . 1 冗余 系统切换模块 前节提到 , 本设计底层 _』 1 8个 P L C卡 勾 成 . 需 要设计 8个 C P U 彼此手法指令之 间的信息 C 余处埋模块 。根据现场 实际情况 , 设 定系统土 C P U和从 C P U. 三薹公司的产r 为冗余系统设计了电 源 C 余 , 通价冗余 , 主控制器冗余 , 所仃模块均具有舣热 备刚 的 电气 自动化} 2 o 1 5年第 3 7卷 第 4期 功能, 呵随时被唤醒。当某个模块在系统中出现故障之时, 其余 系统可 以继续工作 和接收控制指令 , 能够有 效保 障系统的稳定运 行 。但 同时考虑 到大规模停 电或者某些 突发 自然灾害 的情 况 , 还 设计了手动切换功能 , 使整体系统更具操作性和灵活性。最终电 路和手动切换电路如图3所示。 图 3 冗余 系统手动进行切换 电路 2 . 2 . 2 C C- L i n k变 频调 速电路设计 基于 C C L i n k变频调速电路设 计如图 4所示 。C P U一 4作为 主站, 其控制按钒经过 C C L i n k 总线发送命令控制位于控制箱中 的 F X 2 N P L C, 采用 R S一 4 8 5总线 实现对 F R一1 ;“ / 4 05 . 5 K变频 器控制 ; 另一台 F RA 5 4 02 . 2 K变频 器 自带 C C L i n k接 [ 』 , n 直接接收主站的控制命令。C P U一 4还配备有按键式逻辑控静 J , A D数据采集 和 D A数据输 出仪表 示功能 , 主站通过 C C I i n k方 式控制远程 的 1 / O站点 。 图 4 C C- L i n k变频调速电路 2 . 2 . 3伺服运动控 制电路设计 C P U一3搭绒伺服定位 Q D 7 5 M模块 , 另外配有 二个 -『 7 S B伺 服系列驱动器, 以S S C N E T总线实现两者直接的连接。该接线方 式方便快捷 , 操 控性能 良好 , 叮完成 对电机 的实叫 ‘ 定位数据 读取 , 多轴联动运行 , 直线插补和圆弧插补等功能。C P U一 3和C P U一 4 同样具备逻辑控制. A D数据采集, D A数据输出等幕本功能。具 体实现 电路 如图 5所示 3 三层 网络通信 系统设计 3 . 1 底 层 C C- L i n k通信 实现 主站 C P U与各 从站之 间的数据 可采J { j 远程输 入 R X和远程 输出R Y, 按照 N N的模式实现数据交 . .信息传送的具体流程 如下 El e c t r ic aI Au t oma t i o n 1 0 3 电气 自动化 2 0 1 5年第 3 7卷 第 4期 一自 动控 制系统 与装 置 Au t o ma t i c Co n t r o i S y s t e ms& Eq u ip me 霹 基 基 焉 曼 0 堇 薹 曼 子 弓 0 蓍 子 _J 口 S 口 士 l I Il l ll f lsl ⋯ ~ ‘ I 1 图 5 伺服运动控制电路 1 系统启 动, 设 网络参数并传送给主站, r l 启动 C C Li nk; 2 自动刷新 C P U内部定时器单元。将 R Y作为奉地站点 的输 出数据 ; 3 将数据自动存储住 R X缓冲存储器或暂其他本地子站 点 中 ; 4 R X缓 冲存储器 中的数据用来 自动 没嚣刷 新参数 , 远程 R X用在子站点 的输 入数据 ; 5 本地 _『站点向主 C P U回馈一 个完成指令 ; 6 接通指定的继电器 元, 并访问子站点缓冲存储器中 的数 据 ; 7 将读取的数据存储在主 C P U的接收缓冲单几。 底层设备网络通信实现后 , 其与中间控制层的连接通过 菱 Q系列 P L C自带的 M E I S E C / H网络接口实现两层网络间的硬件 连接, 具体协议设计在下 一 小节介绍。 3 . 2 中间控制层 ME L S E C NE T / H网的通信实现 在中 控制层设计 丁 ME L S E C N E T / H网络的双环路网络 。 一 路网络连接8个 C P U构成1 号网络或主网络, 另一 - 路网络负责 冗余 系统和远程 I/ O站点 之 间的连 接 , 称 为 2号 网络或 1 / 0网 络。具体 实现过程是采用光纤将 各 C P U站点连接形 成 一个环 形 网络 , 配 置相 应 的 C P U参 数和 网络模块 , 此 光纤环路 中一共可以连接6 4个了站 点 , 并可以通过 中继实现 数 级的扩展, 完全能够满足 各种 1 业现场 如图 6所 爪。 M E L S E C N E T / H 『救 】 络 的主要性能指标 如下 主网络 图 6 光纤双环路网络示意图 1 高速通信 M E [ S E C N E T / H通信速度有 2 5 Mb p s和 l 0 M b p s 两种模式 , 其 中 2 5 Mb p s 只可用 于光纤 网络 ; 2 系统配置灵活 系统町扩展为 2 3 9个网络 , 每个站点链 接点数最高可设置为 2 o o o宁 ; 3 R A S 功 能 当子站故障排除重 新启动后 , 可 自动返 刚断 点处 , 保证记忆数据不丢失 ; 4 网络兼容性高 利.} f j M E I S E C N E T / 1 0模式, 可以与常规 网络模块一起使用。 1 0 4 Ele c t r i c a I Au t o mat ion 利用专用 以太网 议转换单元 , 可快速 实现 t 问控制 层接 入 顶层以太网监控层 。 3 . 3 顶 层 以太 网监控 通信 设计 经专 用 H U B可快速 实现 中问控制层 数据接 人 以太 网, 现将 组网过程中主要没置步骤加 以说明 1 1 / O配置 通过t菱公司提供的G XD e v e l o p e r 软件对 按照在基板上的模块数据类型和输入 、 输出信号范围进行设置 ; 2 MN E T一1 0 H以太网卡号设置 设置内容主要包括其它 站访 问有效模块 数 量 、 网 络类 型 、 网络编 号、 起 始 I / O、 组号 、 站 号等 ; 3 操作设置 主要对传输数据格式、 初始化时序、 I P地址 、 发送桢、 运行时写人权限等进行没置。 4系统功能调试 整体系统没汁完成后, 我们基于组态软件 MC G S 开发 j ’ 一 套上位机监控程序, 通过调用不同的子程序, 能够实现对工、 现 场的实时监测和远程控制。下 以闭环无级蒯速和多段渊速实 时监控功能为例埘整体系统的允许情况进行腱爪, 体 机界 面如 图 7所示 霸 徽 璃 髓 韶 黼 糍 娥 垂 H z 避释凝 蟪 磷 匮囵 圈 圜 圆[ 嚣 圆圆 ~ 一 _ t l _ 瓣 i i 释棼 l 雒 濑 囊 蓬 溺 ≥』 翻 塑 囵 图 7 闭环无级调速控 制上位机界面 我们设计 r多段速控制面板和无级调速控制面板。远程监 控者不需要在T 业现 场 , 只要 在仟 意一 个接 通 r I j 联 网的 电脑 上, 都 可以通过浏 览器髓 陆系统 , 实时监控现 场设备的运行情 况 . 在 多段速控制功 能 设计 f { , 可 以通过 选择 正转 、 反转 、 停 止等 操 作, 对电机进行实时控制, 并町选择电机的段速 , 而选择的数据将 直接显示在输入框中。相应的, 在无级调速调速功能中, 通过输 入规定范围内的任意频率, 并点击写入运行频率按钮, 就町以将 频率传送至现场 的 P I C设备 , 对 电机实现 无级调速控 制 , 如果想 要 渎取 电机运转频率 , 则 叮以直接点 击读取运 行频率按 钮 , 电机 的实时运行频率将 示在对应的输出框中。 自动控制系统与装置 皇 里 竺 竺 竺 A u t o ma t ic Co n t r o l S y s t e ms& E q u ip me n t s 5 结束语 本文针对工业现场实时远程控制的时代需求 , 设计了一套基 于三层网络的 P L C通信系统。具体包括 基于 c c L i n k现场总线 的底层设备层, 基于 M E L S E C N E T / H网的中间控制层和基于以太 网的远程控制层。在文中给出了整体系统详细的硬件和软件设计 方案, 最终利用 M C G S组态软件设计了上位控制系统。经系统现 场演示 , 验证了所提设计方案的可行性。后续工作将针对越来越 普及的智能手机操作平台, 开发相应的远程监控 A P P , 摆脱现有监 控系统必须在 P c机上运行的弊端, 实现对工业现场的实时监控。 参考 文献 [ 1 ]王俊明, 苏记华, 薄昌盛, 等.基于 P L C和C C L i n k总线的工业机器 人控制 的实现 [ J ] .自动化技术 与应用 2 0 1 3, 3 2 7 4 4 4 7 . 【 2]江天亮, 张少波. 基于 s 7 2 0 0 P L C饮料 昆 合机的控制系统设计 [ J ] . 现代电子技术, 2 0 1 4 , 3 7 1 3 1 0 2 1 0 4 , 1 0 7 . 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