［摘 要］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外PLC 產(chǎn)品及PLC 通信環(huán)節(jié)涉及的總線(xiàn)和通信協(xié)議，介紹了國(guó)產(chǎn)PLC 在通信方面的技術(shù)特點(diǎn)，并基于該P(yáng)LC 產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一套智慧工廠PLC 控制自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用方案。經(jīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)PLC 的實(shí)用性及設(shè)計(jì)方案的可行性。

［關(guān)鍵詞］PLC ；通信總線(xiàn)；控制系統(tǒng)；智能技術(shù)

［中圖分類(lèi)號(hào)］TP273 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0123–03

智能工廠的發(fā)展是工業(yè)4.0 時(shí)代的重要標(biāo)志，也是未來(lái)工廠生產(chǎn)管理和控制模式變化及升級(jí)換代必不可少的一環(huán)。隨著社會(huì)對(duì)智能化要求的日益提高，智慧工廠也在不斷發(fā)展和完善，而基于PLC（可編程邏輯控制器）技術(shù)為核心的二次設(shè)備集成也成為了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制中的重要且具有代表性的項(xiàng)目。

在傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，由于數(shù)據(jù)采集、處理設(shè)備多且雜亂無(wú)序，以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控不到位等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)境變化莫測(cè)且缺乏相應(yīng)硬件設(shè)施及軟件支持無(wú)法完成遠(yuǎn)程控制，給現(xiàn)場(chǎng)的管理和操作帶來(lái)一定困難。為了解決這些問(wèn)題，需要在基于PLC 的智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)中加入多總線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集信息和數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求，使智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)能更快、更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)需求和社會(huì)發(fā)展需要。本文通過(guò)對(duì)智慧工廠中PLC 總線(xiàn)通信技術(shù)與工業(yè)計(jì)算機(jī)互聯(lián)互通集成方式進(jìn)行分析與研究，并結(jié)合智能制造工程實(shí)際情況和發(fā)展目標(biāo)，建立起一套具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片級(jí)國(guó)產(chǎn)化的工業(yè)PLC 及智慧過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用方案。

1 PLC互聯(lián)互通現(xiàn)狀

1.1 PLC產(chǎn)品現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能制造控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及對(duì)其相關(guān)硬件、軟件系統(tǒng)性能要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)外PLC 廠商根據(jù)用戶(hù)不同需求將PLC 產(chǎn)品大致分為大型、中型、小型。

大型PLC 產(chǎn)品一般具備物理信號(hào)IO、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)接口、邏輯控制、時(shí)序控制、模擬控制、運(yùn)動(dòng)控制等功能，需要滿(mǎn)足大規(guī)模、高可靠性自動(dòng)化控制和安全保護(hù)應(yīng)用的要求。中型PLC 產(chǎn)品一般具備較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和模擬控制能力，支持現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)以太網(wǎng)接口，適合中型工業(yè)裝備控制和分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用。小型PLC產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于緊湊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，體積小、易操作。

1.2 PLC產(chǎn)品常用工業(yè)通信總線(xiàn)現(xiàn)狀

PLC 產(chǎn)品常用的工業(yè)通信總線(xiàn)一般有PROFIBUS、CAN、RS485、以太網(wǎng)等。PROFIBUS總線(xiàn)分成3 類(lèi)，其中現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)報(bào)文通信和過(guò)程自動(dòng)化通信屬于數(shù)據(jù)流總線(xiàn)，分別適用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式I/O 的通信，以及過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸。CAN 總線(xiàn)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)損位仲裁機(jī)制及多主結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸速度最高為1 Mbps，通信距離最遠(yuǎn)為10 km。RS485 總線(xiàn)采用半雙工工作方式，支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離及高靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps?；赥CP/IP 的以太網(wǎng)是一種開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)兼容性和操作性好，資源共享能力強(qiáng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享。較于其他總線(xiàn)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)，傳輸速率快，能直接與互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)。

以太網(wǎng)、CAN 總線(xiàn)及RS485 總線(xiàn)各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，適合在不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)選擇使用。在傳輸距離上，高速傳輸情況下CAN 總線(xiàn)和RS485 總線(xiàn)為百米左右，但當(dāng)速率降低到5 kbps 左右時(shí)，CAN 總線(xiàn)的傳輸距離能達(dá)到10 km，RS485 總線(xiàn)卻不足2 km?？偩€(xiàn)利用率上，CAN 總線(xiàn)效率較高。和以太網(wǎng)相比，CAN 總線(xiàn)通訊技術(shù)難度低，成本低，容錯(cuò)率高，適合在環(huán)境惡劣的室內(nèi)外工業(yè)作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行使用。

1.3 多總線(xiàn)PLC通信架構(gòu)

根據(jù)多總線(xiàn)的特點(diǎn)將多總線(xiàn)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)為低速總線(xiàn)設(shè)計(jì)、高速總線(xiàn)設(shè)計(jì)及高低速節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。低速總線(xiàn)包括CAN 總線(xiàn)、RS485 總線(xiàn)等，高速總線(xiàn)主要由以太網(wǎng)實(shí)，高低速節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)處理器及存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行級(jí)聯(lián)，對(duì)低速總線(xiàn)上的PLC 模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)??？偩€(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為容納最大規(guī)?？偩€(xiàn)設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，混合串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，具體如1 所示。

2 PLC互聯(lián)互通產(chǎn)品設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)PLC 通信總線(xiàn)和多總線(xiàn)通信結(jié)構(gòu)的分析，PLC 互聯(lián)互通分為PLC 與智慧工廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備下行通信，以及工程師工作站、服務(wù)器等上行通信，對(duì)PLC產(chǎn)品的硬件及控制結(jié)構(gòu)提出了一定要求。PLC 產(chǎn)品通信接口如圖2 所示，根據(jù)常用的工業(yè)通信總線(xiàn)及通信協(xié)議設(shè)計(jì)PLC 抽象通用接口，結(jié)合多總線(xiàn)PLC 通信結(jié)構(gòu)，可以選擇不同端口來(lái)適配現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

3 智慧工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC 控制用于智慧工廠自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線(xiàn)一般由3個(gè)子系統(tǒng)組成：物流系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。整個(gè)工作過(guò)程為：物流系統(tǒng)從供料區(qū)推出工件→條碼掃描槍掃描工件上的條形碼并將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC 控制單元→ PLC 控制系統(tǒng)隨即發(fā)送控制指令，將工件傳送給執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行裝配工作→在裝配過(guò)程中，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷工件類(lèi)型→操作機(jī)器人接受不同的PLC 指令去夾取不同的配件裝配到工件上→由機(jī)械手將裝配好的工件送到工件暫存區(qū)。

3.2 PLC控制方式

通過(guò)使用配套的集成開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行用戶(hù)應(yīng)用程序的編寫(xiě)、調(diào)試，編程完成及編譯無(wú)誤后和組態(tài)軟件生成的配置文件通過(guò)多總線(xiàn)PLC 通信網(wǎng)絡(luò)一起下載到PLC 運(yùn)行系統(tǒng)中，將PLC 設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)采集器與后端控制中心建立連接。PLC 控制流程如圖4所示。

3.3 PLC控制系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行操作監(jiān)視數(shù)據(jù)信息放入生產(chǎn)控制網(wǎng)，非實(shí)時(shí)信息及共享資源信息放入生產(chǎn)管理網(wǎng)。整套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外通訊接口，方便后續(xù)與其他控制系統(tǒng)通訊。

生產(chǎn)控制網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)主機(jī)與PLC 控制主站之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用PROFIBUSDP國(guó)際通用的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)。上位機(jī)和PLC 控制系統(tǒng)形成雙主站系統(tǒng)，總線(xiàn)上的主站與各自從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。任何一個(gè)主站均可讀取DP 從站的輸入/ 輸出映像，但只有第一類(lèi)主站允許對(duì)DP 從站寫(xiě)入數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)不少于124 個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸采用RS485 技術(shù)，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線(xiàn)，通訊速率為9.6K 至12 Mbps。生產(chǎn)管理網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)中央控制室與控制主站之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)傳輸，采用無(wú)線(xiàn)通訊或以太網(wǎng)的形式。無(wú)線(xiàn)通信采用主從的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，可以完成1 主站、最大255 個(gè)從站的網(wǎng)絡(luò)通訊。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外PLC 產(chǎn)品及PLC 通信環(huán)節(jié)的總線(xiàn)和協(xié)議，并基于國(guó)產(chǎn)PLC 產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一套智慧工廠PLC 互聯(lián)互通應(yīng)用方案，介紹了國(guó)產(chǎn)芯PLC 在通信方面的技術(shù)特點(diǎn)，并基于該P(yáng)LC 產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一整套智慧工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用方案。經(jīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)芯PLC的實(shí)用性及設(shè)計(jì)方案的可行性。未來(lái)，將開(kāi)展智慧工廠云平臺(tái)建設(shè)，將采集到的數(shù)據(jù)信息以行業(yè)曲線(xiàn)、報(bào)表、地圖位置等形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)于智慧工廠云平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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