基于PLC的計算機通訊監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用

陳冬梅

摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展，計算機控制技術得到了廣泛的應用，計算機控制技術是計算機技術和自動化控制理論相結(jié)合的技術。PLC可編程序控制器是現(xiàn)代工業(yè)自動化的重要支柱技術之一。該文對PLC的工作原理和PLC網(wǎng)絡通信基本內(nèi)容進行了分析，開發(fā)PLC網(wǎng)絡終端實現(xiàn)PLC工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，對PLC計算機通訊監(jiān)控系統(tǒng)的設計和應用進行了研究。

關鍵詞：PLC控制算法；PLC監(jiān)控；計算機通訊；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）06-0024-03

1 PLC可編程序控制系統(tǒng)研究介紹

1.1 國內(nèi)外研究分析

PLC可編程序控制器和PLC網(wǎng)絡是CIMS系統(tǒng)構(gòu)成的重要基礎，是現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)的重要部分。在世界工業(yè)自動化領域中，PLC可編程序控制器和PLC產(chǎn)品在生產(chǎn)數(shù)量和生產(chǎn)質(zhì)量上都非常高，在我國的國民經(jīng)濟相關的所有部門中也得到了大力的推廣。全世界對PLC可編程序控制器和PLC網(wǎng)絡進行研究的公司有300多家，按照發(fā)展的歷史和地區(qū)進行劃分，可以劃分為三個部分，美國產(chǎn)品公司、日本產(chǎn)品公司和歐洲產(chǎn)品公司。在技術上看，PLC可編程序控制器和PLC網(wǎng)絡的技術發(fā)展特點主要是運行處理快、控制規(guī)模大、內(nèi)存容量大和可靠性高等特點，PLC技術發(fā)展的基礎主要是計算機技術和通信技術的發(fā)展，目前PLC技術的發(fā)展還具有熱備份和開放性等的功能，用戶計算機連入PLC網(wǎng)絡的技術的應用，使用戶計算機迅速發(fā)展成為PLC網(wǎng)絡的超級終端，PLC和PLC網(wǎng)絡已經(jīng)具備了DCS等系統(tǒng)的功能，PLC可編程序控制器技術的發(fā)展非常迅速，對基于PLC可編程序控制器及其網(wǎng)絡技術的發(fā)展具有重要的意義。

1.2 PLC控制系統(tǒng)特點及工作方式

PLC、CAD和機器人作為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大技術支柱，近年來PLC產(chǎn)品在工業(yè)控制設備方面的應用越來越多，PLC處理器處理速度的提高，促進了PLC功能的開發(fā)，PLC現(xiàn)在發(fā)展成為具有數(shù)據(jù)處理功能和聯(lián)網(wǎng)通信功能的多功能控制器。PLC網(wǎng)絡的性能高而且運行成本低，PLC網(wǎng)絡已經(jīng)發(fā)展成為具有4級子網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡，PLC網(wǎng)絡還是具有動態(tài)畫面顯示和各類報表制作等多種功能的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，在CIMS系統(tǒng)中PLC時重要的組成部分，PLC在價格上比DCS等控制系統(tǒng)的價格要低。PLC可靠性高，PLC具有很高的可靠性的控制裝置，采用了抗干擾的硬件，對PLC控制裝置的模板機箱的設計上采用了電磁兼容性設計，應用差錯校驗等一系列故障檢測技術，PLC采用具有抗干擾能力的周期循環(huán)掃描方法。PLC控制系統(tǒng)是工業(yè)制造的電控制器，主要采用電子計算機技術，對存儲與PLC內(nèi)存的程序進行運行從而控制進出信息的交換。PLC實現(xiàn)控制的要素是出入信息交換和可靠物理實現(xiàn)，出入信息交換式通過內(nèi)存中的程序的運行來實現(xiàn)，程序有兩種，一種是PLC企業(yè)提供的系統(tǒng)程序，一種是用戶自己開發(fā)的應用程序。系統(tǒng)程序主要是為程序的運行提供一個運行平臺，處理信號的轉(zhuǎn)換功能，保證PLC系統(tǒng)可靠地運行?？煽课锢韺崿F(xiàn)是通過輸入電路和輸出電路，在PLC控制系統(tǒng)中，輸入信息經(jīng)過輸入電路進的過濾處理，把輸入信號的高頻干擾去掉，通過繼電器連接內(nèi)部和計算機電路，從而實現(xiàn)內(nèi)部和計算機電路的光隔離。輸出電路要想帶動工業(yè)控制元器件工作就必須要進行功率的放大，工業(yè)控制元器件有接觸器等。PLC的數(shù)據(jù)流程如圖1所示，在PLC數(shù)據(jù)流程圖中，方框是代表信息存儲的位置，箭頭是數(shù)據(jù)的流向和數(shù)據(jù)流動需要的技術支持。

2 PLC可編程序控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置研究

2.1 PLC控制系統(tǒng)配置分析

PLC系統(tǒng)配置的基本原理要遵循完整性，對系統(tǒng)各硬件和軟件配置；經(jīng)濟性，從系統(tǒng)配置本身的經(jīng)濟條件進行思考；可靠性，包括PLC產(chǎn)品本身的質(zhì)量，PLC產(chǎn)品服務技術，在特殊環(huán)境下要具有可靠性等；可發(fā)展性，對PLC系統(tǒng)進行配置的同時要留有可以進行擴展的空間；繼承性，在配合和軟件等方面要考慮到技術的可繼承性。PLC控制系統(tǒng)的基本配置可以根據(jù)模板式和箱體式兩種方式進行配置，模板式中包括CPU模塊、內(nèi)存模板和電源模板，CPU模板配置決定控制系統(tǒng)的運行速度的快慢，內(nèi)存容量的大小等，CPU模板式系統(tǒng)配置首先要進行配置的。內(nèi)存模板式在CPU模板配置范圍內(nèi)進行配置的，主要是滿足用戶存儲數(shù)據(jù)信息和程序的容量的。電源模板為系統(tǒng)提供運行信號電源的，電源模板和CPU模板可以合在一起也可以是分開工作。

PLC控制系統(tǒng)的擴展配置是在基礎配置的基礎上來完成的，通過增加擴展架和擴展槽的方式，來增加I/O配置的點數(shù)，擴展配置可以充分對CPU和內(nèi)存進行配置來降低PLC的單點費用，通過擴展配置來實現(xiàn)遠程安裝和維護等操作，擴展配置可以分為遠程擴展配置和本地擴展配置兩種方式。遠程擴展配置的擴展部分是安裝在遠程位置，主體部分和遠程部分通過介質(zhì)的通訊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，還可以實現(xiàn)PLC主從控制，在地域分布比較大的系統(tǒng)中可以采用遠程擴展配置的綜合系統(tǒng)，即可靠又方便快捷，遠程擴展按介質(zhì)分有光纖、同軸電纜和雙絞線等。本地PLC擴展配置比較簡單，主要是箱體式的PLC擴展配置，擴展模板PLC擴展配置可以對I/O點數(shù)和機架等進行配置。PLC控制系統(tǒng)的特殊配置，要想實現(xiàn)特殊功能就要對特殊單元進行配置，高速計數(shù)器單元式用來處理大型高速計數(shù)信號的，特殊的高速計數(shù)器單元自己配備有CPU，可以對計數(shù)器進行獨立的處理，高速計數(shù)器單元與PLC的連接是通過總線，CPU可以向高速計數(shù)器單元進行數(shù)據(jù)的讀寫，對高速計數(shù)器進行控制。位置控制單元用于對運動部件的位置的控制，在PLC控制系統(tǒng)中應用NC數(shù)控技術。模入單元和模出單元可以對模擬量進行處理，模入單元負責把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，模出單元負責把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量。溫度檢測單元是模擬量的一種，不通過變送器直接從熱電阻上讀取信號，溫度值BCD碼可直接顯示出來，導線阻值的問題可以通過接線來進行解決，溫度檢測單元有溫度控制單元和溫度傳感單元等多種類型，主要是被應用與數(shù)據(jù)的輸入輸出和傳輸。

2.2 PLC網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議配置

PLC控制系統(tǒng)模型通常采用金字塔的結(jié)構(gòu)來表示PLC產(chǎn)品提供的功能，在金字塔中，從下到上每個部分都發(fā)揮著自己的功能，金字塔模型結(jié)構(gòu)的上層結(jié)構(gòu)都是負責管理的，中層是對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控的，底層都是負責控制的。國際標準化組織提出了6級企業(yè)自動化系統(tǒng)模型。PLC的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)是復合型拓撲結(jié)構(gòu)，采用的是多級通信子網(wǎng)，在每個不同的通信子網(wǎng)中配置了不同的通信協(xié)議，進而滿足不同層次和子網(wǎng)的通信要求。復合型拓撲結(jié)構(gòu)具有良好的通信適應性，而且還是可以擴展的。PLC網(wǎng)絡中各個子網(wǎng)通信協(xié)議配置，通過對典型的PLC網(wǎng)絡的分析，PLC網(wǎng)絡采用的復合型拓撲結(jié)構(gòu)通常具有4層子網(wǎng)，每個子網(wǎng)配置的協(xié)議都是按照不同的需求進行配置的。PLC網(wǎng)絡的通信協(xié)議的配置主要就是通用協(xié)議的配置和專用協(xié)議的配置。早PLC高層的子網(wǎng)通用協(xié)議的配置一種是MAP3.0，一種是internet協(xié)議，這是PLC網(wǎng)絡通用化的發(fā)展趨勢。PLV網(wǎng)絡的中層或者底層子網(wǎng)中采用的是專用協(xié)議的配置，最底層是負責對數(shù)據(jù)和命令進行傳輸?shù)模畔⒍虒崟r性高，采用的通信方式是I/O周期方式，中層負責監(jiān)控信息的傳輸，通信協(xié)議主要是令牌方式進行控制。用戶計算機要進行通信模板的配置才可以連入不同的子網(wǎng)，用戶程序的編寫也是按照不同子網(wǎng)的通信協(xié)議，這樣在PLC上就不需要編制程序了，在用戶計算機中可以植入企業(yè)提供的通信軟件，這樣用戶通信程序就更加簡單了。PLC網(wǎng)絡物理層和鏈路層等作為底層子網(wǎng)對實時性要求高。PLC通信方式分為并行通信和串行通信兩種方式，并行通信是多處理器之間的通信，在PLC內(nèi)部完成PLC中CPU單元與其他模板CPU之間的通信。

3 基于PLC的計算機通訊監(jiān)控系統(tǒng)研究

3.1 用戶計算機與PLC網(wǎng)絡通信實現(xiàn)監(jiān)控

用戶個人計算機在對數(shù)據(jù)的處理方面比較強大，具有自己合適的操作系統(tǒng)和軟件操作平臺，可以設置多種語言，具有動態(tài)畫面顯示。通過用戶個人計算機實現(xiàn)操作的功能，建立一個小型的集散系統(tǒng)，在PLC網(wǎng)絡中用戶個人計算機作為工作站終端，實現(xiàn)集中顯示的作用，個人計算機通過編輯器連入PLC網(wǎng)絡，作為PLC編程終端進行編程和監(jiān)控。用戶個人計算機可以作為網(wǎng)絡與網(wǎng)絡之間的連接器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換協(xié)議的功能，為PLC網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)。圖2表示用戶個人計算機的DH485網(wǎng)和Novell網(wǎng)連接在一起的結(jié)構(gòu)圖。

PLC控制方式主要是以掃描為主，以中斷方式作為輔助的控制方式，通過掃描方式來進行大量的控制程序，如果出現(xiàn)個別需要處理的程序，就會中斷掃描運行的程序來完成。通過對PLC工業(yè)控制系統(tǒng)的研究，掌握PLC控制系統(tǒng)的基本控制方法，把用戶計算機和PLC控制網(wǎng)絡系統(tǒng)通過網(wǎng)絡連接在一起，完成用戶計算機和PLC網(wǎng)絡的正常通信，實現(xiàn)對PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的管理，提高工藝的準確性和可行性，這樣我們就可以完全實現(xiàn)PLC工業(yè)控制系統(tǒng)圖形化的界面管理方式。

3.2 計算機通信監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

計算機通信機制是通過計算機的串行通信來完成的，通過計算機和PLC網(wǎng)絡之間的連接實現(xiàn)對工業(yè)自動化生產(chǎn)的實時控制。串行通訊簡單實用，主要采用RS-485通訊方式，在工業(yè)領域使用串行通信作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞欠浅V泛的，RS-485通訊可以減少數(shù)據(jù)信號在介質(zhì)中進行傳播受到的外界環(huán)境干擾的影響，RS-485信號在傳輸時會經(jīng)過正負兩條線路進行傳輸。隨著計算機技術的發(fā)展，串行通信發(fā)展迅速，新的USB通用串行總線的USB通訊技術逐漸占據(jù)優(yōu)勢，USB通訊技術可以把計算機周邊的連接方式進行整合，設備較多時可以采用USB進行集中管理。計算機通信監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設計主要是針對工程控制系統(tǒng)來進行研究的，系統(tǒng)通過外部設備對相關信息進行檢測，計算機可以隨時在線來獲取相應的信息，計算機也可以實時發(fā)布控制命令，使工業(yè)控制系統(tǒng)達到管理的目的。計算機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成包括完成數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)采集的裝置，數(shù)據(jù)采集裝置是用來接受溫度和電流等信號的，然后把接收到的信號轉(zhuǎn)變成計算機控制系統(tǒng)可以識別的信號；完成計算機輸入信號和輸出信號轉(zhuǎn)換的PLC模板，PLC模板式連接計算機和外部環(huán)境設備的，計算機可以與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交流；完成數(shù)據(jù)加工處理的中央處理機，中央處理機可以對錄入的數(shù)據(jù)信息進行計算，計算出系統(tǒng)工作的參數(shù)，之后把參數(shù)等數(shù)據(jù)輸出給其他設備；顯示器和鍵盤鼠標等專用的控制設備，它們是用戶和計算機進行交流的工具，可以幫助系統(tǒng)在線檢測，對參數(shù)實現(xiàn)在線修改。

4 總結(jié)

本文結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向和PLC網(wǎng)絡配置的基本原理，對基于PLC的計算機通訊監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究和分析。PLC控制系統(tǒng)技術具有一定的實用價值，PLC監(jiān)控系統(tǒng)研究用戶個人計算機與PLC控制系統(tǒng)的連接問題，建立基于PLC系統(tǒng)的超級終端，實現(xiàn)對PLC監(jiān)控系統(tǒng)的控制和管理。

參考文獻：

[1] 高麗兵，侯來靈，宣征南，等.基于PLC的焦車運行位置測量裝置[J].機械工程與自動化，2007（4）.

[2] 連光耀，黃考利，鄭思龍.遠程分布式測控系統(tǒng)的RS485總線通信[J].兵工自動化，2004（3）.

[3] 梁新平.基于PLC的自動線機械手位置控制系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2014（7）.