1 引言

    PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域以其抗干擾能力強、穩(wěn)定可靠性高、故障率低而著稱，并且在數(shù)字運算、模擬量處理、人機接口和網(wǎng)絡(luò)通訊等方面具有優(yōu)越的性能。目前在控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點計算機的使用上已成為首選的主流控制設(shè)備，基于PLC控制系統(tǒng)的控制通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域越來越得到用戶的青睞。西門子PLC在CPU運算速度、程序執(zhí)行效率、面向工藝和運動控制的功能集成、實現(xiàn)故障安全的容錯和冗余等技術(shù)方面具有優(yōu)良的性能，尤其是在聯(lián)網(wǎng)通訊能力的硬件和軟件的配套技術(shù)開發(fā)上，就如何解決控制領(lǐng)域的“自動化孤島”問題上取得了業(yè)界公認(rèn)的成就。

    為滿足不同層次自動化系統(tǒng)的通訊控制任務(wù)的需求，西門子PLC開發(fā)的控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品十分豐富，因此，在各方面存在著較大的區(qū)別。這給用戶在開發(fā)西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)時帶來一定的困難。從SS系列PLC,S7-200,  S7-300到S7-400，西門子PLC提供了PPI,  MPI,  Profibus.工業(yè)以大網(wǎng)以及AS-i等一系列網(wǎng)絡(luò)的解決方案，從而實現(xiàn)了從工廠管理層、車間監(jiān)控層到現(xiàn)場設(shè)備層等各種網(wǎng)絡(luò)層次的通訊需求。

    本文通過對西門子PLC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的剖析，提出一些西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)配置時的選擇方法，并著重通過實際應(yīng)用工程加以說明，給出了相應(yīng)系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，介紹了在具體的工程背景下如何根據(jù)控制系統(tǒng)的具體情況進行控制網(wǎng)絡(luò)方案的選擇。

2 西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)類型

    2.1 點對點接口(point to point connections)

    點對點接口(point to point connections)。自由通訊方式，即可以由用戶自己定義通訊協(xié)議，它可以使S7-200, 57-300PLC與任何通訊協(xié)議公開的其他設(shè)備，如:掃描儀、打印機、條碼閱讀器、控制器、變頻器等進行通訊。可以使用的通訊協(xié)議有ASCII驅(qū)動器、3964{R)和RK512(只適用于部分 CPU)等。

    2.2 PPI(point to point interface)網(wǎng)絡(luò)

    PPI(point to point interface)網(wǎng)絡(luò)。PPI是西門子專為S7-200PLC開發(fā)的一種通訊協(xié)議，波特率為9.6kb/s,19.2kb/s,  187.5 kb/s，可以通過普通的雙芯屏蔽雙絞電纜進行聯(lián)網(wǎng)，通訊接口集成于57-200CPU上。PPI是一種主一從協(xié)議，從站不主動發(fā)信息，只等待主站的要求，并根據(jù)地址信息對要求作出響應(yīng)。

    2.3 MPI(multi-point interface)網(wǎng)絡(luò)

    MPI(multi-point interface)網(wǎng)絡(luò)。MPI協(xié)議是基于西門子內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的一種令牌網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，也稱MPI多點接口。MPI的物理層是RS-485，最大傳輸速率可達到12Mb/so西門子PLC通過CPU的MPI編程口相互連接以及與上位機網(wǎng)卡的編程口(MPI/DP口)連接即可實現(xiàn)MPI網(wǎng)，PLC通過MPI能同時連接運行STEP?的編程器、計算機、人機界面(HMI)及其它SIMATICS7, M7和C7，同時連接通訊對象的個數(shù)與CPU的型號有關(guān)。這是一種經(jīng)濟有效的解決方案。

    2.4 Profibus網(wǎng)絡(luò)族

    Profibus網(wǎng)絡(luò)族。Profibus是用于車間級監(jiān)控和現(xiàn)場層的通訊系統(tǒng)，它符合IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)(是該標(biāo)準(zhǔn)中的類型3), Profibus的物理層是RS-485，最大傳輸速率可達到12Mb/s。最多可以與127個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中最多可以串接10個中繼器來延長通訊距離。其開放性可以允許眾多的廠商開發(fā)各自的符合Profibus協(xié)議的產(chǎn)品連接到同一條Profibus網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)據(jù)通訊。適應(yīng)不同工程場合的需求，Profibus又由相互兼容的3個部分組成，即Pro2fibus-FMS, Profibus-DP和Profibus-PA。

    2.5 工業(yè)以太網(wǎng)(indust rial et hernet)

    工業(yè)以太網(wǎng)(indust rial et hernet)。按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3，專為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計的通訊網(wǎng)絡(luò)，使用ISO和TCP/IP通訊協(xié)議，能應(yīng)用工業(yè)雙絞線、同軸電纜和光纜等進行通訊。它支持廣域的開放型網(wǎng)絡(luò)模型，西門子的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速率為10Mbs-1/100Mb}s-1，最多1024個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的最大范圍為1 JOkm o

    AS-i接口。它符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC TG17B和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50295，又稱傳感器一執(zhí)行器接口(act uator sensorinterface)。它是位于自動控制最底層的網(wǎng)絡(luò)，用來連接有AS-i接口的現(xiàn)場二進制設(shè)備，只能傳輸少量的數(shù)據(jù)。

3 西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)解析

    3.1 網(wǎng)絡(luò)解析

    在西門子PLC的眾多的網(wǎng)絡(luò)類型中，它們之間功能各異、千差萬別，各自都存在著一定的優(yōu)缺點，但都是為滿足不同層次的控制網(wǎng)絡(luò)的需求而設(shè)計的。總體而言，控制網(wǎng)絡(luò)可以分為兩大類;一類是符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)，即工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus, AS-i接口;另一類是西門子子公司自己開發(fā)的專用通訊網(wǎng)絡(luò)，即MPI, PPI，點對點接口。在用戶選擇控制網(wǎng)絡(luò)時，首先考慮的是確定網(wǎng)絡(luò)的具體類型。

    一般說來，符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)，如:工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus，其傳輸速度、傳輸距離和傳輸容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于專用通訊網(wǎng)絡(luò)，并且功能強大，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時的互連互操作性好、靈活性大。但往往需要增加較多的軟硬件的設(shè)施，一次性投資成本較大，并且技術(shù)應(yīng)用的開發(fā)過程也較為復(fù)雜。

    例如，對于符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)是用于管理層和單元層的通訊系統(tǒng)，用于對時間要求不太嚴(yán)格，需要傳送大量數(shù)據(jù)的通訊場合，可以通過網(wǎng)關(guān)來連接遠(yuǎn)程。但是，工業(yè)以太網(wǎng)是普通以太網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)延伸的產(chǎn)物。采用的是CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實時的，不能滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)νㄐ艑崟r性的要求，因此，工業(yè)以太網(wǎng)一直被認(rèn)為不適合在底層控制網(wǎng)絡(luò)中使用。又如符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)Profibus，在性能的各方面明顯優(yōu)于PPI和MPI網(wǎng)絡(luò)，其電氣傳輸距離可達9.6km，若采用光纜傳輸距離可達90km，傳輸速率可達12Mb/s。對于非西門子設(shè)備要與Profibus控制網(wǎng)絡(luò)互連，只要該設(shè)備支持Profibus的相關(guān)協(xié)議同時能夠提供GSD文件亦可進行通訊。但相對而言，其軟硬件投資較大，開發(fā)成本較高。MPI通訊是當(dāng)通訊速率要求不高、通訊數(shù)據(jù)量不大時采用的一種簡單經(jīng)濟的通訊方式。通過它可以構(gòu)成小型的PLC控制通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)PLC之間少量的數(shù)據(jù)交換，不需要額外的硬件和軟件開銷就可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，成本低，用法簡單，是西門子PLC一種經(jīng)濟有效的網(wǎng)絡(luò)解決方案。又如S7-200系列PLC之間利用PPI協(xié)議進行通訊時非常方便，不需要額外增加任何軟硬件，只用NETR/ NETW兩條語句即可進行通訊，但其傳輸容量和傳輸速率較低。

    3.2 網(wǎng)絡(luò)功能

    西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)主要能實現(xiàn)以下幾種網(wǎng)絡(luò)通訊功能。

    (1)S5兼容通訊。發(fā)送i接收口(在Prot7bus場合，經(jīng)過FDI一實現(xiàn))主要用來優(yōu)化S1MA TICSS和S7系列PLC之間的通訊，也可以用于S7系列PLC之間進行通訊。它只能通過Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)。

    (2)S7通訊。提供簡單、功能強大的通訊任務(wù)。S7通訊可通過MPI. Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)，每個任務(wù)的有用數(shù)據(jù)量最大為64k字節(jié)。

    (3)S7基本通訊。這是S7系列PLC(S7-300,  S7-400)CPU中集成的通訊功能軟件模塊集(SFC)。S7基本通訊由MPI網(wǎng)實現(xiàn)，SFC由用戶編程調(diào)用。

    (4)PG/OP通訊。分別是PG和OP與PLC進行數(shù)據(jù)通訊來進行組態(tài)、編程、監(jiān)控以及人機交互等操作服務(wù)。PPI、MPI、 Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)等都支持PG/ OP通訊。

    (5)標(biāo)準(zhǔn)通訊。由不同的制造商提供的不同類型自動化系統(tǒng)之間(例如PLC與PC之間)的通訊。也可以與裝有FMS接口的現(xiàn)場設(shè)備進行通訊。對于Profibus網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)通訊是指FMS通訊‘它可以實現(xiàn)不同供應(yīng)商的PLC之間的通訊。

    在實際的工程應(yīng)用中，必須根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的硬件的配置情況、通信的數(shù)據(jù)量、通訊接口的支持能力等因素來確定適宜的通訊功能。以S7-300系列PLC之間聯(lián)網(wǎng)通訊為例在Profi2bus網(wǎng)絡(luò)中就可以利用“S7通訊”、“SS兼容通訊”、“標(biāo)準(zhǔn)通訊”等若干種通訊功能來實現(xiàn)。若一般數(shù)據(jù)量(240字節(jié)以內(nèi))的通訊任務(wù)，就可選擇“S5兼容通訊(FDL通訊)”功能而不必選擇“S7通訊”(可達到64k字節(jié))。

    3.3 網(wǎng)絡(luò)鏈接

    目前，西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)主要有如下4種網(wǎng)絡(luò)通訊接口的連接方式。

    (1)PG/PC通訊卡。用于控制網(wǎng)絡(luò)上PG/PC'側(cè)的連接，它們可以將PCi/PC連接到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中，其種類較多，選擇和使用時一定要特別小公區(qū)別它們之間的功能差異。例如C P5613( A2 )是自帶微處理器的PCI卡，用于將PC和SIMA TIC編程器連接到Profibus網(wǎng)絡(luò)上，傳輸速率最大為12Mb/s, CP僅可以為主站。而CP5614(A2)也是自帶微處理器的PC' I卡，也用于將PC和，2MA TIC'編程器連接到Profibus網(wǎng)絡(luò)上，傳輸速率最大為13Mb/s，但其CP即可以為主站，也可以為從站。又如CIS511自身不帶微處理器，是用于將PG/PC和帶PCMCIA槽的筆記本電腦連接到MPl和Profibus網(wǎng)絡(luò)上。又如CP5611自身不帶微處理器的PCI卡，主要用于PLC及網(wǎng)絡(luò)的編程和組態(tài)，是一種單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式。

    (2)PLC的專用通訊模塊(處理器)。用于控制網(wǎng)絡(luò)上PLC側(cè)的連接，它們是智能化的通訊模塊，能將PLC連接到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中去，能大大的減輕PLC的CPU的通訊負(fù)擔(dān)。這些通訊模塊(處理器)包含通訊處理器(CP)、接口模塊(IM)、接口子模塊(IF)。該部分模塊(處理器)種類繁多，功能各異，在選擇時須要仔細(xì)區(qū)別。例如在Profibus控制網(wǎng)絡(luò)中，通訊處理器CP342_;可以將S7-300 PLC連接到Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng);('P443-5基本通訊處理器可以使S7-400 PL(連接到Profihus網(wǎng)絡(luò)電EM277通訊模塊可將S 7-300 PLC(僅為DP從站)連接到Profibus-DP總線系統(tǒng)。又如l M360/36 I，IM3C,5接口模塊(IM)是用于57-300 PLC(CPU314以上)主機架和最多3個擴展機架之間的通訊接口。

    (3)PLC主機自身集成的編程接口。西門子S7系列PLC主機上編程接口在控制網(wǎng)絡(luò)中可以兼作通訊接口，編程通訊只是其通訊的功能之一。例如57-200系列PLC編程接口同時也可以是PPI和MPI控制網(wǎng)絡(luò)的通訊接口。

    (4)PLC主機自身集成的通訊接日。有些機型的西門子PLC主機上除編程接口外，還設(shè)計有專用的通訊接口。例如57-300系列PLC中的CPU315-2DP機型，其主機上自身集成有Profi?bus-DP通訊接口，用于連接分布式I/O設(shè)備，其DP通訊接口既可以組態(tài)為主站，也可以組態(tài)為從站。

    3.4 傳輸介質(zhì)

    根據(jù)不同的應(yīng)用類型，多種傳輸介質(zhì)可以用于西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)中。有時在一個控制網(wǎng)絡(luò)中不同的傳輸介質(zhì)可以組合使用，例如Pro2fibus-DP網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以采用以下3種方式:

    (1)電氣數(shù)據(jù)傳輸?？赏ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)的圓形截面，帶PE或PUR護套、防鹵化設(shè)計的屏蔽雙絞線電纜、地下電纜或?qū)Ｓ糜诜辣瑓^(qū)域的特殊電纜來傳輸數(shù)據(jù);

    (2)光纜數(shù)據(jù)傳輸。通過玻璃或塑料纖維光纜，傳輸距離可以大為提高，既可以用于戶內(nèi)，也可以用于戶外;

    (3)無線數(shù)據(jù)傳輸。通過比M(紅外線鏈接模塊)可以實現(xiàn)15m范圍內(nèi)的無線數(shù)據(jù)傳輸。

4 邯鄲鋼鐵應(yīng)用案例

    435燒結(jié)電控系統(tǒng)中，將整個控制系統(tǒng)分為主PLC站和兩個監(jiān)控站，PLC主站下有5個遠(yuǎn)程從站。如圖1所示。

圖1 鋼鐵燒結(jié)爐電控網(wǎng)絡(luò)

    由圖1可見整個PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由兩級子網(wǎng)組成。由于整個電控系統(tǒng)控制點多、設(shè)備分布較為分散、連鎖關(guān)系復(fù)雜多變，根據(jù)項目的實際情況采用Profibus-DP的通訊方式，主要承擔(dān)PLC主站與其各自遠(yuǎn)程從站E丁200M的通訊任務(wù)。主站C P U414-2 D P利用其本身集成的Protibus-DP口連接到Profibus-DP總線上，選擇ET200M模塊作為遠(yuǎn)程I/O從站(直接面向現(xiàn)場信號)與Profibus-DP現(xiàn)場總線相連。

    而PLC主站及上位機組成監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，考慮到該控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)量較小站點數(shù)較少，通訊距離相對較短，所以確定以MPI方式組成控制網(wǎng)絡(luò)，雖然MPI每個網(wǎng)段長僅為SOm(通訊速率為187.Skb/s時)，但通過S485中繼器的擴展方式通訊距離可以擴展為100m(通訊速率為187.Skb/s時)，完全可以滿足該項目遠(yuǎn)程的監(jiān)控任務(wù)，并且具有較高的性能價格比。若采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)，如Profibus網(wǎng)絡(luò)，雖然性能優(yōu)越，通用互連性好，但其硬件組態(tài)成本投資較高，技術(shù)開發(fā)難度加大，從實用性和經(jīng)濟性上考慮，不采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)。上位PC機通過CPS6日網(wǎng)卡與主站PLC連接，并通過WinCC'組態(tài)軟件進行組態(tài)，主要完成整個系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控終端數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢和報警等功能。

5 結(jié)束語

    西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其能提供的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品(包含軟件和硬件)十分豐富。有的控制網(wǎng)絡(luò)簡單、經(jīng)濟，設(shè)計和開發(fā)周期短;有的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)技術(shù)難度較大、軟件和硬件開銷較高，但這些產(chǎn)品都是為不同檔次的自動化控制任務(wù)而設(shè)計的。面對一個具體的監(jiān)控任務(wù)時，一定要綜合考慮各方面的因素，對控制任務(wù)進行需求分析后再確定具體的控制網(wǎng)絡(luò)方案。例如要考慮系統(tǒng)對實時性高低的要求、站點之間是否需要傳輸大量的數(shù)據(jù)、站點的數(shù)量和通訊距離、是否對傳輸速率有較高要求、是否需要同時支持多種協(xié)議等方面酌情選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)解決方案，以避免不必要的浪費或選擇不能滿足監(jiān)控任務(wù)的控制網(wǎng)絡(luò)。焦化備煤的在控制網(wǎng)絡(luò)方案選擇之初充分地考慮了各自的監(jiān)控需求，確定了較為適宜的控制網(wǎng)絡(luò)，投產(chǎn)運行后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、投資合理，達到了良好的效果。