工業(yè)自動化控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的探討

黃志軍 羅秋蘭 梁志芬

【摘 要】在信息時代，通訊網(wǎng)絡(luò)以及在社會各個領(lǐng)域，在各行各業(yè)得到了較為普遍的應(yīng)用，在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中亦是如此。文章將就工業(yè)自動化系統(tǒng)中通訊網(wǎng)絡(luò)運用的相關(guān)問題展開探討。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)自動化；自動化控制系統(tǒng)；通訊網(wǎng)絡(luò)

【中圖分類號】TP273.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0107-02

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，最為熱門的課題之一是：如何針對不同的工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)標準，按照實際的現(xiàn)場設(shè)備條件，設(shè)計出合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證整個通訊系統(tǒng)在快速、實時、開放、可靠的環(huán)境中運行，確保整個系統(tǒng)能夠以最好的狀態(tài)、最高的效率運行。

1、實際速度同步控制系統(tǒng)的建立

由于實際的速度同步控制系統(tǒng)規(guī)模過于龐大，而文章字數(shù)有限，因此無法將其完全描述。所以，本文將模擬設(shè)計一種速度同步控制系統(tǒng)，進而在探討實現(xiàn)其硬件組態(tài)和軟件實現(xiàn)的基本構(gòu)成。

1.1控制器的選擇

眾所周知，在工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)中，速度同步控制系統(tǒng)對實時性有著較高的要求，所以在控制器的選擇標準上，運算速度和緩存空間往往是核心要素。而一般的大型系統(tǒng)，其輸入輸出控制點數(shù)通常都是在幾百點至上千點，對應(yīng)的控制器類型為大中型。由于控制器自身必須在同一時間內(nèi)承擔實時的高速運算和數(shù)據(jù)通訊的任務(wù)，因此只用上位機來完成，難以實現(xiàn)。針對這一情況，我們可以選用PLC控制。本文主要以西門子公司的$7-300系列PLC的探討對象，其具體型號為31 5—2DP。該控制系統(tǒng)最重要性能指標如下：

（1）RAM：

集成128 KB、可擴展、裝入存貯器插有MMC（最大8MB）

（2）地址區(qū)I/O：

數(shù)字通道：最大16384個（本地分布最大1024個）

模擬通道：最大1024個（本地分布最大256個）

（3）接口：

第l接口：集成的RS485（接口電源15-30VDC，最大200mA）功能：MPI，連接數(shù)量16，187.5 Kbps

第2接口：集成的RS485接口（接口電源15-30VDC，最大200mA）功能（主站、從站）：Profibus—DP，連接數(shù)量16最大傳輸率12Mbps每個站的DP從站數(shù)125地址區(qū)域最大244個字節(jié)。

1.2控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇

生產(chǎn)現(xiàn)場通常都是由多臺交流變頻器對電機進行控制的，這就意味著，選擇必須有一種用于針對變頻器和電機構(gòu)成的速度閉環(huán)系統(tǒng)與控制器之間的通訊，也就是我們通常所說的現(xiàn)場級與監(jiān)控級之間的通訊。

該層網(wǎng)絡(luò)具有自己的獨特性，但往往對通訊網(wǎng)絡(luò)的要求極高：需要通訊穩(wěn)定可靠，且傳輸速度快橫向擴展性好。那么，我們以選擇的PLC為例，就可選擇Profibus—DP現(xiàn)場總線，與變頻器智能從站構(gòu)成現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)。控制級網(wǎng)絡(luò)其實是一種上層控制網(wǎng)絡(luò)，其主要用于上層管理，這就決定了該系統(tǒng)需要具備與下層網(wǎng)絡(luò)控制器有很好的耦合性，同時需要具備較強的橫向、縱向擴展能力，最為重要的是其對傳輸速度的要求也較高。

因此，我們可以選擇這兩種控制級網(wǎng)絡(luò)：一種是MPI網(wǎng)絡(luò)，此類網(wǎng)絡(luò)主要是針對西門子公司的Profibus通訊設(shè)計的，315-2DP的特質(zhì)就決定了其能夠讓上下層網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)較為穩(wěn)定而順暢的配合；另一種是具有很強普適性的Industrial Ethernet，該網(wǎng)絡(luò)一方面具備了較強的橫向、縱向擴展性，能夠讓系統(tǒng)的功能和容量及速度大大增加，另一方面也是當前上層管理網(wǎng)絡(luò)的普遍選擇之一。

1.2. 1現(xiàn)場級現(xiàn)場總線Profibus

現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送，主要是借助PROFIBUS—DP。一般而言，主站周期地讀取從站的輸入信息，同時也根據(jù)相應(yīng)的周期規(guī)律，向從站發(fā)送輸出信息。當然，必須強調(diào)的一點是：總線循環(huán)時間一定要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。而且，除了傳輸周期性用戶數(shù)據(jù)外，Profibus—DP還能夠提供智能化現(xiàn)場設(shè)備，所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。

（1）傳輸技術(shù)：RS一485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。

（2）總線存?。阂话銇碚f，其主要的存取方式為：各主站間通過令牌傳遞，主站與從站間采取主一從傳送的方式。這種方式通常都支持單主或多主系統(tǒng)，而總線上最多站點（主一從設(shè)備）數(shù)通常為126。

（3）通信：點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。基本的模式為：循環(huán)主---從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主---主數(shù)據(jù)傳送。

（4）運行模式：運行、清除、停止。

（5）同步：主要是指：控制指令允許輸入和輸出同步，即同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。

（6）功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。主要功能包括：DP從站組態(tài)強大的診斷功能，具備三級診斷信息的效果；輸入或輸出的同步；利用總線對DP主站（DPMl）進行配置；通利用總線給DP從站賦予地址；每個DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。

（7）可靠性和保護機制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。DP從站帶看門狗定時器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。

2、系統(tǒng)抗干擾研究

盡管在專業(yè)的控制裝置作用下，自動化控制通訊系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，受到的干擾并不大。因為，在整個設(shè)計的過程中一般會采用多層次抗T擾和精選元件措施，能夠讓通訊系統(tǒng)在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，保持其運行的穩(wěn)定性和可靠性。

不過，因為通訊系統(tǒng)一般直接和現(xiàn)場的I/0設(shè)備相連，這也就意味著有很多的外來干擾，能夠輕易的通過電源線或I/o傳輸線侵入，最終導(dǎo)致控制系統(tǒng)的誤動作。而隨著應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，系統(tǒng)受到來自內(nèi)外的干擾也越來越多。

因此，為了確保工業(yè)自動化系統(tǒng)中的通訊網(wǎng)絡(luò)能夠正常運轉(zhuǎn)，就需要研究人員和操作人員在實際的工作中，認真研究控制系統(tǒng)抗干擾信號的來源、成因及其抑制措施，全面提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，才能保證及可靠性具有重要的意義。

事實上，在實際的生產(chǎn)環(huán)境下，外部干擾不是固定的，而是隨機的，主要決定因素并非其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更為重要的是其干擾源是無法消除的，只能是最大限度的加以限制；而內(nèi)部干擾則相反，其主要是和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，往往是由于系統(tǒng)內(nèi)交流主電路，模擬量輸入信號等引起的。因此，要提高控制系統(tǒng)的可靠性，就要從多方面提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.1硬件抗干擾的措施

2.1.1抗電源干擾

從相關(guān)數(shù)據(jù)來看，電源波動造成的電壓畸變或毛刺，有 70%是從電源耦合進來的。為了解決這一問題，可以采用下列幾種抗干擾方法：

（1）分離供電系統(tǒng)

動力電源回路中的斷路器、接觸器閉合、斷開時，都會產(chǎn)生沖擊電流或產(chǎn)生電弧，此時就會對信號產(chǎn)生干擾，那么解決這一問題，可以把系統(tǒng)的動力電源和控制電源分成兩路，即動力電源由普通三相380V交流電源供應(yīng)；控制電源由UPS電源供應(yīng)。

（2）使用隔離變壓器

因為電源變壓器是電源部分的主要元件，因此，為了更好的減少電網(wǎng)中的干擾，通常選擇變壓器容量應(yīng)比實際需要大1.2～1.5倍左右的隔離變壓器。同時，在實際的使用過程中，需要確保變壓器的屏蔽層良好接地，同時次級線圈連接線一定要使用雙絞線，這樣才能更有效的減少電源線間干擾。

2.1.2接地

接地是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備組裝、以及現(xiàn)場安裝的重要環(huán)節(jié)。一般來說，接地主要是為了實現(xiàn)以下兩個目標，即預(yù)防觸電和為設(shè)備、系統(tǒng)提供基準電位，增強抗干擾能力。前者一般稱為安全接地，后者則稱為功能性接地。

盡管PLC本身的抗干擾能力很強，但是在實際的運用過程中，還是會產(chǎn)生不少的干擾。尤其是在電源干擾嚴重的情況下，受干擾情況更為突出。因此，一般都要把PLC的電源與系統(tǒng)的動力設(shè)備電源分開配線，以便抑制來自電源線來的干擾，一般的作法是加接一個帶屏蔽層的隔離變壓器，這樣能夠有效的減少設(shè)備與地之間的干擾，進而提高系統(tǒng)的可靠性。

當然，假如一個系統(tǒng)中含有擴展單元，那么就需要讓電源與基本單元共用一個開關(guān)控制，即讓它們的上電與斷電同時開始。事實證明，良好的接地確保PLC安全可靠運行的重要條件。那么為了更好的減少附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，就，假如條件不允許，那就采用公共接地方式。

2.1.3合理布線

在抗干擾措施中，合理布線是重要的途徑。因此，在布線的過程中，應(yīng)該盡可能的根據(jù)實際的需要，采用有效的布線方式，包括對導(dǎo)線的類型、線徑的粗細、走線的方式等方面的合理控制。

（1）電纜選擇

必須要嚴格根據(jù)回路的特點，選擇最恰當?shù)碾娎|和鋪設(shè)方法，以便能夠達到不用或少用特殊的、格昂貴的電纜就能到達的效果?；驹瓌t就是：以經(jīng)濟和效果為前提，兼顧實施方便而盡量減少電纜品種。

（2）電纜鋪設(shè)

合理的鋪設(shè)電纜，能夠大大的減少電磁干擾。由于動力電纜為高壓大電流線路，因此當信號線靠近時就必然會產(chǎn)生干擾，那么，在布線時就需要盡可能的將動力電纜、信號線以及通信線分開走線。此外，需要保證在控制柜外部布線時，把通信電纜、控制電纜、動力電纜、輸入/輸出線分開單獨布線，而且一定要按照相關(guān)的要求，確保他們之間的距離在合理范圍內(nèi)。

2.2軟件抗干擾措施

由于硬件抗干擾存在隨機性，尤其是在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，硬件干擾很難排除或者是杜絕，因此，就需要充分發(fā)揮軟件的靈活性，全面的提高系統(tǒng)抗干擾能力。

（1）通過“看門狗”，對系統(tǒng)的運動狀態(tài)進行監(jiān)控

由于PLC內(nèi)部的軟元件豐富，因此，抓住這一特點可以設(shè)計一些程序，有效的屏蔽輸入元件的誤信號，進而能夠有效的避免輸出元件的誤動作。那么在設(shè)計應(yīng)用程序時，就可以充分發(fā)揮“看門狗”對系統(tǒng)各組成部分運行狀態(tài)的監(jiān)控。舉例來說，如果需要PLC控制某一運動部件時，就可以在編程時定義一個定時器作“看門狗”用，以完成對運動部件的工作狀態(tài)的全程重點監(jiān)視。關(guān)于定時器的設(shè)定值，可以借鑒為運動部件所需要最大時間。在發(fā)出該部件的動作指令后，同時啟動“看門狗”定時器。

（2）消抖

在現(xiàn)代工作環(huán)境中，振動是不可避免的。而在振動環(huán)境中，行程開關(guān)或按鈕往往會因為抖動而發(fā)出誤信號。要解決這一問題，就需要根據(jù)抖動時間的長短采取相應(yīng)的抗干擾措施，如大部分抖動時間都很短，那么就可以用PLC內(nèi)部計時器經(jīng)過一定時間的延時，這一就能夠得到消除抖動后的可靠有效信號，最終實現(xiàn)有效的抗干擾。

（3）提高輸入信號的信噪比

提高輸入信號的信噪比，也是抗干擾的有效途徑。通常會選擇軟件數(shù)字濾波，來確保有用信號的真實性。

當然，這一方法也要根據(jù)實際條件進行處理。如果是有大幅度隨機干擾的系統(tǒng)，那么就需要正確的采用程序限幅法，也就是連續(xù)采樣五次，如果出現(xiàn)其中一次采樣值，遠遠大于其它幾次采樣的幅值，就將其去掉；如果是流量、壓力、液面、位移等參數(shù)，通常就會在一定范圍內(nèi)頻繁波動，那么，此時最合適的方法就是算術(shù)平均法。即用n次采樣的平均值來代替當前值。

3、結(jié)束語

總而言之，在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，通訊網(wǎng)絡(luò)是否能夠正常的使用，使用的過程是否穩(wěn)定順暢，決定了該系統(tǒng)運行的效率。因此，就需要科研人員和操作人員，從各自的工作出發(fā)，研究出實用有效的通訊系統(tǒng)，并制定有效的抗干擾措施。

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