一、 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的迅速推廣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐步深入計(jì)算機(jī)PLC控制系統(tǒng)領(lǐng)域，在PLC控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中占有越來(lái)越重要的地位。所謂PLC就是可編程控制器。網(wǎng)絡(luò)從應(yīng)用角度來(lái)看，就是以相互共享資源方式將各自具備獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)或終端連接起來(lái)。在PLC控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)式的資源共享只能通過(guò)使用遵循諸如MODBUS，MODBUS　PLUS，GENIUS這樣的通訊協(xié)議的專用通訊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)?？蛇B接的設(shè)備受通訊模塊的數(shù)量及模塊上的通道數(shù)量所制約，對(duì)于現(xiàn)在越來(lái)越復(fù)雜的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足要求。網(wǎng)絡(luò)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用極大地改善了這方面的不足。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)視和控制。其優(yōu)點(diǎn)監(jiān)控距離遠(yuǎn)，易擴(kuò)展，使控制系統(tǒng)更具有靈活性。

　　二、 PLC控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

　　控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)軟件和網(wǎng)絡(luò)硬件組成的。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，硬件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的選擇起著決定的作用;而網(wǎng)絡(luò)軟件則是挖掘網(wǎng)絡(luò)潛力的工具。

　　1.網(wǎng)絡(luò)軟件

　　在網(wǎng)絡(luò)組成的PLC控制系統(tǒng)中，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)都可由PLC進(jìn)行監(jiān)視和直接控制。因此，軟件要能實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶進(jìn)行分級(jí)限制。沒(méi)有權(quán)限的用戶禁止對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或?qū)芈返瓤刂菩盘?hào)輸出，并且軟件要具備操作記錄功能，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作進(jìn)行后臺(tái)記錄，以便對(duì)因誤操作或不應(yīng)有操作造成的后果進(jìn)行分析。

　　由于現(xiàn)在的PLC種類很多，而且大部分都支持網(wǎng)絡(luò)功能，但不同PLC所遵循的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有很大差異，因此，要求軟件應(yīng)具有各類PLC的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)軟件的組成部分，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議取決于所用PLC的類型以及PLC所采用的網(wǎng)絡(luò)模塊的類型?？傊?，通訊必須具有相應(yīng)PLC設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，并安裝此網(wǎng)絡(luò)軟件。

　　2.網(wǎng)絡(luò)硬件

　　網(wǎng)絡(luò)硬件是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，首選要有PLC控制器，監(jiān)控工作站及其它設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)物理連接。不同的PLC控制系統(tǒng)，在硬件方面是有差別的。因此，網(wǎng)絡(luò)硬件更是多種多樣。在這里只簡(jiǎn)單的將硬件分為兩部分，即PLC控制部分(這里稱“下位機(jī)”)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分(這里稱“上位機(jī)”)。

　　在PLC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)是具有不同功能的硬件設(shè)備。但在網(wǎng)絡(luò)中，賦予它們相同的節(jié)點(diǎn)定義。也就是說(shuō)，它們均屬網(wǎng)絡(luò)連接上的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，都具有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。

　　在 PLC設(shè)備中，通訊模塊是網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，通訊模塊的類型決定著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇。目前，多數(shù)廠家的PLC都支持細(xì)纜連接，少數(shù)PLC(例如 GE90-70的CMM742)可同時(shí)使用雙絞線連接。通訊模塊一般都支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，除了具有與其它不同類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通訊的協(xié)議，還具有專用協(xié)議，主要是與相同設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。例如，TRICONEX公司的PLC網(wǎng)絡(luò)通訊模塊具有四種專用協(xié)議(NCM、ACM、EICM、TSAA)，以便支持專用網(wǎng)絡(luò)上的相同TRICONEX系統(tǒng)。

　　三、 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　所謂拓?fù)涫且环N研究與大小，距離無(wú)關(guān)的幾何圖形特性的方法。在網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)、PLC控制器作為節(jié)點(diǎn)，通訊線路作為連線，可構(gòu)成相對(duì)位置不同的幾何圖形。拋開(kāi)網(wǎng)絡(luò)中的具體設(shè)備，將PLC控制器，計(jì)算機(jī)操作站，計(jì)算機(jī)工程師站等網(wǎng)絡(luò)單元抽象為“點(diǎn)”，將網(wǎng)絡(luò)中的電纜等傳輸介質(zhì)抽象為“線”，這樣從拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)看網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就形成了由點(diǎn)和線組成的幾何圖形，從而抽象出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型，總線型，環(huán)型，樹(shù)型，網(wǎng)狀和不規(guī)則型等幾種。在計(jì)算機(jī)PLC控制系統(tǒng)中采用最多的是總線型結(jié)構(gòu)。

　　1.1總線結(jié)構(gòu)

　　總路線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備用一根總線相連。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)工作站通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。作為總線的通訊連線通常采用同軸電纜。在總線結(jié)構(gòu)中，作為數(shù)據(jù)通信必經(jīng)的總線，其負(fù)載能量是有限度的。這是由傳輸介質(zhì)本身的物理特性所決定的。所以，總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是有限制的，如果節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)超出總線負(fù)載的能量，就需要延長(zhǎng)總線的長(zhǎng)度，并加入相當(dāng)數(shù)量的附加轉(zhuǎn)接部件，使總線負(fù)載達(dá)到容量要求。

　　PLC控制系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)可靠性高，節(jié)點(diǎn)間響應(yīng)速度快，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)處理故障時(shí)，不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)造成影響，而且要有很好的擴(kuò)充性，總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備這些條件，因此，目前的PLC通訊模塊支持總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這里，我們也只介紹控制系統(tǒng)的總線型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

　　2. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

　　在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)通信雙方能正確而自動(dòng)地進(jìn)行通信，針對(duì)通信過(guò)程的各種問(wèn)題，制定了一整套約定，這就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信協(xié)議。通信協(xié)議是一套語(yǔ)義和語(yǔ)法規(guī)則，它決定了網(wǎng)絡(luò)通信中傳輸?shù)男畔?文件格式及控制方式，主要功能是數(shù)據(jù)交換，信息編碼，差錯(cuò)控制與線路合理利用等。

　　為了便于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議結(jié)構(gòu)，即開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)OSI(Open System Interconnection)參考模型，它定義了連接異種計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的主體結(jié)構(gòu)，任何兩個(gè)遵守參考模型和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可以進(jìn)行互聯(lián)。這樣的系統(tǒng)稱為開(kāi)放系統(tǒng)。

　　OSI參考模型是設(shè)計(jì)和描述網(wǎng)絡(luò)通信的基本框架。OSI參考模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是層次式結(jié)構(gòu)，由七層組成。從高層到低層依次是：應(yīng)用層，表示層，會(huì)話層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。OSI參考模型定義了不同計(jì)算機(jī)和互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)。通過(guò)分層把復(fù)雜的通信過(guò)程分成了各個(gè)獨(dú)立的，比較容易解決的問(wèn)題。在OSI模型中，下一層為上一層提供服務(wù)，而分層內(nèi)部的工作與相鄰層是無(wú)關(guān)的。

2.1　IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

　　IEEE802.3是PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEEE802是由美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)IEEE802委員會(huì)制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。是針對(duì)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而制定的。IEEE802遵循ISO/OSI參考模型的原則，解決最低兩層??物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能以及網(wǎng)絡(luò)層的接口服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)有關(guān)的高層功能。

　　OSI參考模型的物理層對(duì)應(yīng)IEEE802參考模型的物理層，OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)應(yīng)IEEE802參考模型的邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問(wèn)控制塊子層。

　　IEEE802.3是IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的一部分，意為CSMA/CD(帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路復(fù)用)訪問(wèn)控制方法和物理層技術(shù)規(guī)范。PLC控制系統(tǒng)只使用IEEE802.3的物理層。應(yīng)用的802.3網(wǎng)絡(luò)物理層標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)范圍如下：

　　2.2TCP/IP協(xié)議

　　PLC控制系統(tǒng)中，PLC控制器與各計(jì)算機(jī)操作站之間通訊普遍使用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的一種，TCP是指?jìng)鬏斂刂茀f(xié)議，對(duì)應(yīng)OSI參考模型的傳輸層。IP是指網(wǎng)間協(xié)議，對(duì)應(yīng)OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層。

　　2.2.1　IP地址

　　在以TCP/IP為通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址標(biāo)識(shí)，即IP地址。IP地址不但可以用來(lái)辨識(shí)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中也隱含著網(wǎng)絡(luò)間的路由信息。

　　IP地址為32個(gè)二進(jìn)制位長(zhǎng)，一般是以4個(gè)十進(jìn)制數(shù)字表示，并且每個(gè)數(shù)字間以點(diǎn)隔開(kāi)，如：203.35.88.7。

　　IP地址分為A，B，C，D，E五類，地址格式的最左邊的一個(gè)或多個(gè)二進(jìn)制位用來(lái)指定網(wǎng)絡(luò)類型。(具體的分類請(qǐng)參見(jiàn)有關(guān)資料，在此不詳細(xì)介紹)

　　PLC 控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)屬于局域網(wǎng)，采用C類IP地址。C類網(wǎng)的IP范圍是192.0.0.0~223.0.0.0。這個(gè)范圍中 192.168.0.0~192.168.255.255地址是留給用戶自定義的。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)有些廠家的PLC只能使用這個(gè)網(wǎng)段的IP地址，而且必須用24位表示網(wǎng)段。

　　2.2.2子網(wǎng)掩碼

　　子網(wǎng)掩碼也是一個(gè)32位二進(jìn)制值，格式與IP地址相同。子網(wǎng)掩碼有兩大功能：

　　(1) 用來(lái)區(qū)分IP地址中的網(wǎng)段地址和節(jié)點(diǎn)地址。

　　(2) 用來(lái)將網(wǎng)絡(luò)分割為多個(gè)子網(wǎng)。

　　PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由于采用C類網(wǎng)，所以IP地址的前24位為網(wǎng)段地址。故子網(wǎng)掩碼定為255.255.255.0。(具體子網(wǎng)掩碼的含義參見(jiàn)有關(guān)資料，在此不作介紹)

　　四、典型應(yīng)用實(shí)例

　　下面以實(shí)例進(jìn)一步分析PLC控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。PLC控制器選用美國(guó)GE公司的90-70系列，PLC的以太網(wǎng)接口模塊(通訊模塊)選用 GE90-70系列中的CMM742。工作站選用美國(guó)Itellution公司的FIX32工控軟件。該軟件運(yùn)行于Windows NT,或Windows 2000操作平臺(tái)。

　　1. 硬件功能介紹

　　(1) CMM742通訊模塊

　　CMM742是GE90-70系列PLC中功能的網(wǎng)絡(luò)接口模塊?？蛇B接于IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)，傳輸率為10Mbps，有BNC，RJ45和AUI三種接口，可通過(guò)細(xì)纜，雙絞線和AUI的D型15針連接器接入總線型或星型網(wǎng)絡(luò)中。支持TCP/IP協(xié)議。

　　實(shí)際應(yīng)用中，我們采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)CMM742將PLC的網(wǎng)絡(luò)IP地址設(shè)為192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼設(shè)為255.255.255.0。將PLC起始節(jié)點(diǎn)，在BNC接口需加50Ω終端電阻。

　　(2) 以太網(wǎng)卡

　　網(wǎng)卡用于將PC工作站連接到網(wǎng)絡(luò)中，是計(jì)算機(jī)與通信媒體進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的中間處理部件，每個(gè)網(wǎng)卡有自己的控制器，用以發(fā)送接收數(shù)據(jù)。

　　我們選用了3COM公司的3C509型網(wǎng)卡，該卡有BNC和RJ45兩種接口，通過(guò)T型頭連于網(wǎng)絡(luò)。

　　2. 軟件設(shè)置

　　三臺(tái)工作站均選用Windows2000操作系統(tǒng)，并安裝FIX32工控軟件。

　　軟件設(shè)置步驟：

　　(1) 安裝網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序。

　　(2) 安裝TCP/IP協(xié)議，對(duì)三臺(tái)工作站進(jìn)行IP地址分配，分別設(shè)為192.168.1.2，192.168.1.3，192.168.1.4，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。

　　(3) 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接

　　在任一臺(tái)工作站的DOS下，鍵入PING 192.168.1.1，回車，屏幕出現(xiàn)四行

　　Reply from 192.168.1.1:bytes=32time<10ms,TTL=128

　　說(shuō)明已經(jīng)與PLC接通，再分別PING其它IP地址，確認(rèn)PLC與工作站正確。

　　(4) 確認(rèn)網(wǎng)卡綁定TCP/IP協(xié)議。

　　(5) 設(shè)置FIX32用于通訊的GE9驅(qū)動(dòng)程序。

　　GE9是FIX32用于與GE90-70系列PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊的驅(qū)動(dòng)程序，支持TCP/IP協(xié)議，通過(guò)它可與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　以上只是一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在實(shí)際的應(yīng)用中由于選用的PLC和工作站軟件的不同，如：選用PLC的遠(yuǎn)程擴(kuò)展;本地?cái)U(kuò)展以及冗余和熱備等不同系統(tǒng);工作站操作系統(tǒng)的不同;采用對(duì)等網(wǎng)或是主從網(wǎng);工控軟件的選擇其它不同軟件;還有環(huán)境因素等等;都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)千變?nèi)f化，但總體思路方法大體相同。