PLC网络在大型捏合机控制系统中的应用

PLC网络在大型捏合机控制系统中的应用ApplicationofPLCNetworkTechniqueintheControlSystemforaLargeKneadingDevice（1．武汉工程大学;2..华中科技大学武汉430074）王成刚1、2杜润生2(WuhanInstituteofTechnologyWuhan,430073,China)WangChenggang(HuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,430073,China)DuRUNSHENG摘要：以大型捏合机PLC控制系统为例，对建立ModbusPlus网络技术给予了详细介绍，并着重分析了PLC与上层IPC的通信和RIO的实现。关键词：PLC，串行通信，RIO中图分类号:TP391文献标识码：BAbstract：CombiningthePLCControlSystemforaLargeKneadingDeviceasanexample,theModbusPlusnetworkisintroducedindetails.TheapplicationofserialcommunicationandRIOinthecontrolsystemisemphaticallydescribed.Keywords:PLC,serialcommunication，RIO可编程控制器(PLC)是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于工业控制的各个领域。而早期PLC之间的通信往往是孤立的。随着工业技术的发展，往往要求PLC实现控制信息与管理信息的结合，有时甚至要求实现异地控制，这些都给PLC控制系统提出了实现网络通信的现实要求。PLC技术发展到今天，网络功能已成为PLC技术的一大特征。目前各生产厂家所推出的PLC产品有不少支持网络功能，在与计算机结合后，已能实现生产画面的动态显示、数据采集、历史数据储存等功能，这在客观上为系统的网络通信提供了现实条件。本文以大型捏合机的PLC控制系统为工程背景，详细阐述ModbusPlus控制网络的应用，对推动PLC网络技术的应用具有一定的现实意义。一、大型捏合机控制系统的网络结构大型捏合机是固体推进剂生产线上的核心设备，是发展我国航天事业的重要设备。大型捏合机控制系统包括液压、热水、气动和主机等几个子系统的控制。为了实现对整个系统的控制，系统采用了如图1所示的网络结构。整个PLC控制网络系统包括主备PLC站、控制室RIO分站、现场RIO分站和操作监视系统（上层IPC、HMI）等部分。PLC控制系统采用MODICONTSXQUANTUM系列PLC进行逻辑控制。HMI显示终端使用专用操作系统Magelis，其软件开发采用XBTL-1000，通过专用HMI网卡与PLC进行通讯。HMI是该控制系统的主要操作站。上层IPC负责对整个生产系统进行监视，采用美国Intellution公司的组态软件FIX32作为软件开发平台。图1系统网络结构图本系统采用了二级网络结构。主备PLC站、控制室RIO分站和现场RIO分站之间采远程I/O链路控制，周期I/O通信方式通信。PLC和上层IPC、HMI由ModbusPlus总线构成网络。系统网络结构采用复合型的拓扑结构，而不采用单级子网，主要因为：系统不同层所实现的功能不一样，所承担的任务性质不一样，导致它们对通信的要求也不一样。在控制层所传送的主要是过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离比较近，但实时性及可靠性要求比较高，其采用的协议大多为塌缩结构，只有物理层、链路层和应用层；而在上层所传送的数据对通信的实时性要求低于控制层，通信报文较长，每次传输的信息量较大，故其通信协议常采用公司的专用协议。如果采用单级子网，只配置一种通信协议，势必会顾此失彼，无法满足各层对通信的要求。只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求[1]。在系统控制层，主备PLC站、控制室RIO分站和现场RIO分站均采用远程I/O链路，采用“周期I/O方式”，负责PLC与其现场设备的通信。远程I/O链路是按主从方式工作。可编程控制器带的远程I/O主单元在远程I/O链路中担任主站，其它远程I/O单元皆为从站，在主站中设立一个“远程I/O缓冲区”，采用信箱结构，划分为几个分箱与每个从站一一对应，每个分箱再分为两格，一格负责发送，一格负责接受。主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式，按顺序与各从站交换数据，把与其对应的分箱中发送分格的数据发送给从站。从从站读取数据放入与其对应的分箱的接收分格中。这样周而复始，使主站中的“远程I/O缓冲区”得到周期性的刷新。PLC和IPC、HMI构成了ModbusPlus网络。ModbusPlus采用的介质存取控制方法是令牌总线介质存取控制方式。它在物理总线上组成一个逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按一定的方向依次流动，获得令牌的站就取得了总线使用权。令牌总线存取控制方式限定每一个站的令牌持有时间，保证在令牌循环一周时每个站都有机会获得总线使用权，并提供优先级服务，因此令牌总线存取控制方式具有较好的实时性。二、PLC与上位机的串行通讯在大型捏合机控制系统中上层监视计算机（IPC）与PLC之间的通信，是整个系统正常工作的关键任务之一。上层IPC主要用于全厂生产工况数据的动态实时显示、历史数据的记录、产量的累加和定期报表的产生，当HMI与PLC的通讯失败时，承担几个重要参数（如主电机转速、运转时间等）的设定工作，以保证系统能够继续运行。本系统中PLC、上层HMI和上层IPC之间是通过ModbusPlus总线互连的局域网络，它们的通讯网络结构图如图2所示。它们都是ModbusPlus网络上的节点。本系统采用的PLC为Modicon的昆腾系列产品，支持ModbusPlus通信；在PLC有一个内置的虚拟网络适配器，它允许直接进入网络通讯。本系统中PLC是通过其RS-485端口与双绞线连接，进入ModbusPlus网络的。上层HMI显示终端使用专用操作系统Magelis，其软件开发采用XBTL-1000，通过专用HMI网卡与PLC进行通讯。上层IPC通过SA8500网卡进入ModbusPlus(MB+)网[2~4]。上层IPC作为MB+网上的一个节点，通过SA8500网卡进入网络，方便地与网络上的其他节点交换信息和数据。SA8500网卡提供了相应的设备驱动程序，将相应的驱动程序在CONFIG.SYS文件中加载后，可以比较方便地完成上层管理软件对数据的采集和管理。在上层IPC的开发平台FIX32中实现与PLC之间的通信，是通过MMP（ModconModbusPlus）驱动器创建驱动器映象表来完成的。在驱动器映象表生成前，首先要对MMP驱动器进行配置。在MMP驱动器配置程序中指定了创建驱动器配置时所需的信息，如定义了通道、设备、起始地址以及其他参数。当MMP驱动器配置完成后，启动FIX32，就可以通过MMP驱动器创建和维护的驱动器映象表来实现和PLC之间通信了。图2PLC和上层IPC、HMI通信结构图三、结束语网络通信技术是一项PLC控制系统中的一项重要功能，是现代控制系统的发展方向。该大型捏合机的控制系统通过现场联机调试，已用于生产实际。结果表明，网络化技术在PLC控制系统中的应用，无论在技术的先进性、系统的可靠性、运行的稳定性均达到了如期要求。该系统已为用户创造上亿元经济效益。参考文献[1]邱公伟.可编程控制器网络通信及应用，北京：清华大学出版社，2000[2]徐春玲.基于Modbus通信协议的现场总线LY-Fbus的实现，东北电力学院学报，1998，18(2)：68~72[3]AEGSCHNEIDERAUTOMATION.“ModiconModbusProtocolReferenceGuide”April,1996[4]SueCassidy.RemoteIOcablePlanningandInstallationGuide.USA：AEGSchneiderAutomationInc，1996该项目为智能制造技术教育部重点实验室资助项目项目编号2001AA324050作者简介：王成刚，男，1974年生，汉，湖南祁东人，讲师，华中科技大学博士研究生，研究方向：计算机测控技术、故障诊断技术等。杜润生，男，1949年生，汉，湖北武汉人，华中科技大学机械学院教授，主要从事计算机测试技术方面研究。通讯地址：430073武汉化工学院机械系E-mail:[e-mail]on:WangChenggang,mail,Bornin1974,Thehannationality,thenativeinHunanprovince,theresearchdirectioniscomputer’scontrolandtest;E-mail:[e-mail];DuRunsheng,,mail,Bornin1949,Thehannationality,professor,thenativeinHubeiprovince,theresearchdirectionisautomatictesttechnique;