淺談PLC的現(xiàn)場總線技術(shù)

1、淺談PLC的現(xiàn)場總線技術(shù)摘要：研究、應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)支持下的PLC控制系統(tǒng)，是目前工廠自動化得以實現(xiàn)的有效途徑之一，它是工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。該文主要闡述PLC專用現(xiàn)場總線、基于Profibus的PLC控制系統(tǒng)以及CAN總線支持下的PLC控制系統(tǒng)，及制造業(yè)信息化進(jìn)程中PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：PLC現(xiàn)場總線；通訊協(xié)議；技術(shù)特點中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2011)15-3658-03OnthePLCFieldBusTechnologyZHANGChuang(ChuzhouVocationalandTechnicalCollege,Chuzhou2

2、39000,China)Abstract:ResearchandapplicationoffieldbustechnologysupportedbyPLCcontrolsystemrFactoryautomationisaneffectivewaytoachieve,DigitalcommunicationsnetworkasthebasisforplantTheproductionprocessofcommunicationandcontrolfielddevicesandcontrolmanagementwithahigherlevelofcontactbetween.Thisarticl

3、efocusesonPLCdedicatedbus,thePLCcontrolsystembasedonProfibusCANbussupportunderthePLCcontrolsystem.AndmanufacturinginformationinthePLCprocesscontrolsystemdevelopment.Keywords:PLCFieldBus;communicationprotocol;technicalfeatures在傳統(tǒng)的自動化工廠中，位于生產(chǎn)現(xiàn)場的許多設(shè)備和裝置，如：傳感器、調(diào)節(jié)器、變送器、執(zhí)行器等都是通過信號電纜與計算機(jī)、PLC相連的。當(dāng)這些裝置和設(shè)備相距較

4、遠(yuǎn)、分布較廣時，就會使電纜線的用量和敷設(shè)費用大大地增加，造成了整個項目的投資成本增加、系統(tǒng)連線復(fù)雜、可靠性降低、維護(hù)工作量增大、系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展困難等問題。因此人們迫切需要一種可靠、快速、能經(jīng)受工啊場環(huán)境、低廉的通信總線，將分散于現(xiàn)場的各種設(shè)備連接起來，實施對其監(jiān)控?，F(xiàn)場總線(FieldBus)就是在這種背景下產(chǎn)生了。1現(xiàn)場總線的概念根據(jù)國際電工委員會正C標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會FF(FieidbusFoundation)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。也就是說基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)是以單個分散的，數(shù)字化，智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，用總

5、線相連，實現(xiàn)信息的相互交換，使得不同網(wǎng)絡(luò)，不同現(xiàn)場設(shè)備之間可以信息共享?，F(xiàn)場設(shè)備的各種運行參數(shù)狀態(tài)信息以及故障信息等通過總線傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制中心，而控制中心又可以將各種控制、維護(hù)、組態(tài)命令又送往相關(guān)的設(shè)備，從而建立起了具有自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀器，但不是傳統(tǒng)的單功能的現(xiàn)場儀器，而是具有綜合功能的智能儀表。例如，溫度變送器不僅具有溫度信號變換和補(bǔ)償功能，而且具有PID控制和運算功能；調(diào)節(jié)閥的基本功能時信號驅(qū)動和執(zhí)行，另外還有輸出特性補(bǔ)償、自效驗和自診斷功能?，F(xiàn)場設(shè)備具有互換性和互操作性，采用總線供電，具有本質(zhì)安全性?，F(xiàn)場總線不僅是一種通信技術(shù)，也不僅是用數(shù)字儀表

6、代替模擬儀表，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DC*DistributedControlSystem),實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。2現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線始于20世紀(jì)80年代，到90年代其技術(shù)日趨成熟，并受到世界各自動化設(shè)備制造商和用戶的廣泛關(guān)注。它成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。一般把控制系統(tǒng)的發(fā)展分為五代。1）第一代控制系統(tǒng)：50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS。2）第二代控制系統(tǒng)：420mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)。3）第三代控制系統(tǒng)：基于數(shù)字計算機(jī)的集中式控制系統(tǒng)。4）第四代控制

7、系統(tǒng)：70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS。5）第五代控制系統(tǒng)：以開放性、分散性與數(shù)字通信為特征的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。PLC的生產(chǎn)商也將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于各自的產(chǎn)品之中，構(gòu)成工業(yè)局域網(wǎng)的底層，使得PLC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了真正意義上自動控制領(lǐng)域發(fā)展的一個熱點，給傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)帶來了有一次革命。3現(xiàn)場總線的主要特點1）全數(shù)字化通信：采用現(xiàn)場總線技術(shù)后只用一條通信電纜就可以將控制器與現(xiàn)場設(shè)備（智能化的、具有通信口）連接起來，提高了信號傳輸?shù)目煽啃浴?）系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開放性：這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和公開性，用戶可按自己的需要和對象，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。3）具有強(qiáng)的

8、互可操作性與互用性：實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信，不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可以進(jìn)行互用。4）現(xiàn)場設(shè)備具有智能化與功能自治性：它將傳感測量、補(bǔ)償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。5）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中于分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。6)對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性：工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境工作

9、而設(shè)計的，它可支持多種轉(zhuǎn)輸介質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送點與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。4幾種主要的現(xiàn)場總線協(xié)議及其特點現(xiàn)場總線發(fā)展的最初，各個公司都提出自己的現(xiàn)場總線協(xié)議，如AB公司的DeviceNet.TURCK公司的Sensoplex.Hpneywell公司的SDSXPhoenix公司的InterBus-S等。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，現(xiàn)場總線的協(xié)議逐漸趨于統(tǒng)一。針對制造業(yè)自動化，DeviceNet在北美和日本用得比較普遍，PROFIBUS-DP在歐洲用得比較普遍。針對過程自動化，PROFIBUS-PA和FoundationFieldbus占據(jù)大部分市場。其他的總線協(xié)議如A

10、SI、InterBus-SxSensoplex在某些特殊的領(lǐng)域也有一些市場。下面介紹幾種主要的現(xiàn)場總線協(xié)議及其特點。1) PROFIBUSPROFIBUS是在1987年，由德國科技部集中了13家公司和5家科研機(jī)構(gòu)的力量，按照ISO/OSI參照模型制訂的現(xiàn)場總線的德國國家標(biāo)準(zhǔn)，并已成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170,主要由擁有400多個公司成員的PROFIBUS用戶組成(PNO)進(jìn)行管理。PROFIBUS有3部分組成,即PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。2) DeviceNetDeviceNet(設(shè)備網(wǎng))是一種低價位的總線，最初由AB公司設(shè)計，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種

11、開放式的現(xiàn)場總線的協(xié)議，可連接自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)中廣泛的工業(yè)設(shè)備。它的管理組織ODVA由全球多家公司組成，提供設(shè)備網(wǎng)的產(chǎn)品、支持設(shè)備網(wǎng)規(guī)范的進(jìn)一步開發(fā)。DeviceNet能夠降低設(shè)備安裝的費用和時間。控制系統(tǒng)中的接近開關(guān)、光電開關(guān)和閥門等可通過電纜、插件、站等產(chǎn)品進(jìn)行長距離通信。并且能夠提高設(shè)備級的診斷能力。相對于PROFIBUS-DP,DeviceNet具有更強(qiáng)大的通信功能，支持除了主-從方式之外的，多種通信方式，可以更靈活i也應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。3) FoundationFieldbus高級過程控制現(xiàn)場總線FoundationFieldbus(基金會現(xiàn)場總線)是針對過程自動化而設(shè)計的，它是通過

12、數(shù)字、串行、雙向的通信方法來連接現(xiàn)場裝置的。FoundationFieldbus不是簡單的數(shù)字420mA信號，而是使用復(fù)雜的通信協(xié)議，它可連接執(zhí)行簡單的閉環(huán)算法(如PID)的現(xiàn)場智能裝置，一個通信段可配置32各現(xiàn)場裝置。4) LonWorksLonWorks(LocalOperatingNetwork)由美國Ecelon公司推出,它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置發(fā)通信速率從300bit/s至15Mbit/s不等直接通信距離可達(dá)2700"78kbit/s,雙絞線)，支持雙絞線、同軸電纜、光線、射頻、紅外線、

13、電源線等多種通信介質(zhì)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。5) CANCAN1空制網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，但其模型結(jié)構(gòu)只有三層:0SI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈層頂層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信頻率最高可達(dá)lMbit/s/40m,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。6) HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持。HART通信模型也是由三層組成：物理層、數(shù)

14、據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用了FSK(FrequencyShiftKeying)技術(shù)，在420mA模擬信號上叁加一個頻率信號，傳輸速率為1200bit/s,邏輯0”的信號頻率為2200Hz,邏輯1的信號傳輸頻率為1200Hz。5PROFIBUS簡介各類現(xiàn)場總線協(xié)議具有各自的特點及應(yīng)用領(lǐng)域，為進(jìn)一步說明現(xiàn)場總線技術(shù)的特點，以下對PLC系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的PROFIBUS作一簡要介紹。5.1 PROFIBUS的組成PROFIBUS主要由三個相互兼容的部分：PROFIBUS-FMSxPROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP鋼。1) PROFIBUS-DP(DistrbutedPeriphery)

15、:一種高速(數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s-12Mbit/s經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信,可滿足快速響應(yīng)的時間要求位于這一級的PLC或工業(yè)控制計算機(jī)可以通過PROFIBUS-DP同分散的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。2) PROFIBUS-PA(ProcessAutomation):它是專為過程自動化所設(shè)計的協(xié)議，可用于安全性要求較高的場合。3) PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification):可以用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)MS提供大量的通信服務(wù)，用以完成中等級傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信服務(wù)。對于FMS而言，它考慮的主要是系統(tǒng)功能而不是

16、系統(tǒng)響應(yīng)時間。FMS服務(wù)向用戶提供了廣泛的應(yīng)用范圍和更大的靈活性，通常用于大范圍，復(fù)雜的通信系統(tǒng)。5.2 PROFIBUS協(xié)議2吉構(gòu)PROFIBUS協(xié)議以ISO/OSI參考模型為基礎(chǔ)，第一層為物理層，定義了物理的傳輸特性;第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層至第六層PROFIBUS未使用；第七層為應(yīng)用層，定義了應(yīng)用的功能。PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信標(biāo)準(zhǔn)中的第一及第二層（即物理層數(shù)據(jù)鏈路層）和鏈路用戶接口層。第三層到第七層未使用，這種的精簡的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接映像程序（DDLM）提供對第二層的訪問。在用戶接口中規(guī)定了PROFIBUS-DP設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各類型的系統(tǒng)和設(shè)備的

17、行動特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS協(xié)議特別適用于PLC與現(xiàn)場級分散的I/O設(shè)備之間的通信。PROFIBUS-DP物理層與ISO/OSI參數(shù)模型的第一層相同，采用EIA-RS485協(xié)議，如圖1圖1中兩根要線通常被稱為A線和B線，分別對應(yīng)RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。根據(jù)數(shù)據(jù)線傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸媒體。PROFIBUS采用了統(tǒng)一的介質(zhì)存取協(xié)議，由OSI參考模型的第二層來實現(xiàn)，并提供了兩種基本介質(zhì)存取控制方式:令牌總線和主從方式。其中令牌總線與局域網(wǎng)正EE8024協(xié)議一致，主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，它符合HDLC中的非平衡正常響

18、應(yīng)模式（NRM）HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式的工作特點是：總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路：主站發(fā)出命令（Command）,從展給出響應(yīng)（Respond）,主站與從站間傳輸幀的格式如圖2所示。從站可以連續(xù)發(fā)出多個幀，直到無信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和數(shù)據(jù)鏈路釋放。對圖2的各項說明如下。1） F為幀標(biāo)志字段（8位）2） A為從站地址字段。3） C為控制字段，表示幀類型、編號、命令和控制信息。該字段將HDLC幀分為3種類型:信息幀（I監(jiān)控幀（S和無編號幀（UX其中信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)（UsefulDate）的傳輸并捎帶應(yīng)答；監(jiān)控幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態(tài)做出各種響應(yīng)（如認(rèn)可幀、請求重傳或暫停等）；無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式，釋放鏈路及報告特殊情況等4）信息字段由PKW和PZD兩部分構(gòu)成。PKW（ParameterID）用于讀寫參數(shù)值，如寫入控制字或讀出狀態(tài)字等，一般為4Byte長；而PZD（ProcessDate）用于存放控制器的具體控制值，設(shè)置站點或狀態(tài)字