基于觸摸屏與PLC的控制網(wǎng)絡(luò)研究

朱志偉

摘 要：傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)正向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，本文歸納了基于觸摸屏與PLC的控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及通信實現(xiàn)方式，分析了現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)絡(luò)的不同特點，指出了工業(yè)控制系統(tǒng)必將發(fā)展成為各通信層都采用工業(yè)以太網(wǎng)的無縫信息集成系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：觸摸屏；PLC；控制網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)以太網(wǎng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.109

1 控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

典型的工業(yè)控制系統(tǒng)包含生產(chǎn)決策層、生產(chǎn)管理層、控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場層。生產(chǎn)決策層是以太網(wǎng)通信；生產(chǎn)管理層是工業(yè)以太網(wǎng)通信；現(xiàn)場層主要采用現(xiàn)場總線通信；控制網(wǎng)絡(luò)層主要完成現(xiàn)場一級控制設(shè)備裝置之間數(shù)據(jù)信息交換，往往采用現(xiàn)場總線通信以滿足傳統(tǒng)控制設(shè)備間需要實時、可靠的簡單數(shù)據(jù)通信要求，也有越來越多的控制設(shè)備支持工業(yè)以太網(wǎng)通信，以適應(yīng)智能制造時代對控制網(wǎng)絡(luò)層通信提出的更高要求?？偠灾?，控制網(wǎng)絡(luò)層的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不太統(tǒng)一、通信協(xié)議繁多且不夠開放，導(dǎo)致目前的工業(yè)控制系統(tǒng)成為一個個與外界隔離的孤島，造成這個問題的主因是現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)較多，在萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢下，為了解決這個問題唯有選取一種開放的廣泛應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)作為控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，工業(yè)以太網(wǎng)必將是控制網(wǎng)絡(luò)最佳的選擇。

2 基于觸摸屏與PLC的控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

基于觸摸屏與PLC的控制網(wǎng)絡(luò)，即是指工業(yè)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場級觸摸屏和各PLC相互之間的數(shù)據(jù)信息交換的通信網(wǎng)絡(luò)。本文將以S7-200Smart PLC、S7-300CPU315-2PN/DP PLC和MCGS觸摸屏等控制設(shè)備之間的控制通信為例，歸納分析其控制網(wǎng)絡(luò)的不同構(gòu)成及特點。由于它們都有RS485和RJ45接口，并支持現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，故其可構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方式主要有3種：Fieldbus控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)EtherNet控制網(wǎng)絡(luò)、Fieldbus-EtherNet混合控制網(wǎng)絡(luò)。下文將按這3種方式的實踐應(yīng)用情況，分析各自的應(yīng)用特點。

3 Fieldbus控制網(wǎng)絡(luò)

Fieldbus技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多，沒有一種現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足所有應(yīng)用的需要，F(xiàn)ieldbus控制網(wǎng)絡(luò)只能接入支持相同通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，這給工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了諸多不方便。典型Fieldbus控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，常以RS485串行端口為通信接口，組成現(xiàn)場總線，采用ModbusRTU通信協(xié)議，實現(xiàn)觸摸屏和多臺PLC之間的相互通信。具體的通信組織方式：觸摸屏為通信主機(jī)，在觸摸屏的設(shè)備組態(tài)中添加一個父串口及多個子串口設(shè)備，每一個子設(shè)備對應(yīng)一臺PLC；各PLC為通信從機(jī)，輪詢的方式被動與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC之間并無直接的數(shù)據(jù)交換通道，PLC之間地數(shù)據(jù)交換要在通信主機(jī)觸摸屏中依靠策略組織實現(xiàn)。

實踐測試結(jié)果表明：Fieldbus控制網(wǎng)絡(luò)這種主從通信的特殊方式，只能夠適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)中控制設(shè)備數(shù)量較少且通信數(shù)據(jù)量不大的場合，并不適應(yīng)控制設(shè)備數(shù)多且有較多數(shù)據(jù)信息需要交換的應(yīng)用，否則難以保證控制系統(tǒng)對實時性的要求。鑒于此，F(xiàn)ieldbus控制網(wǎng)絡(luò)往往應(yīng)用于數(shù)量不多的小型PLC和觸摸屏之間的相互通信場合，并不能適應(yīng)智能制造發(fā)展對控制網(wǎng)絡(luò)高速大數(shù)據(jù)量的通信要求。

4 工業(yè)EtherNet控制網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的工業(yè)EtherNet延時較大實時性差且傳輸數(shù)據(jù)可靠性不好，故只在生產(chǎn)管理層及以上采用，在控制網(wǎng)絡(luò)層及中不被采用。但隨著技術(shù)的發(fā)展，新的工業(yè)EtherNet不僅實時性和可靠性能夠滿足工業(yè)控制的要求，還能夠支持更多的控制設(shè)備完成大量數(shù)據(jù)信息的交換，這使得工業(yè)EtherNet控制網(wǎng)絡(luò)在眾多新一代控制設(shè)備上得到了支持，但當(dāng)前的工業(yè)EtherNet通信還沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議。

工業(yè)EtherNet控制網(wǎng)絡(luò)，采用RJ45標(biāo)準(zhǔn)接口，以工業(yè)交換機(jī)為中心，所有控制設(shè)備連接于交換機(jī)上，每一個設(shè)備地位平等，每個設(shè)備都可以是通信的主體，各設(shè)備可同時發(fā)起通信請求，各設(shè)備間可自由的實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)信息交換。具體的通信組織方式：典型通信方式是讓觸摸屏和一臺高性能的PLC作為通信主體，它們在控制網(wǎng)絡(luò)中向各PLC主動發(fā)起通信請求，如MCGS觸摸屏負(fù)責(zé)HMI界面與各PLC的數(shù)據(jù)通信，高性能的S7-300CPU315-2PN/DP PLC作為各PLC之間的相互通信的樞紐，其它S7-200Smart PLC被動接受通信請求。

實踐測試結(jié)果：由一臺MCGS觸摸屏、2臺S7-200Smart和一臺S7-300CPU315-2PN/DP PLC構(gòu)成的工業(yè)EtherNet控制網(wǎng)絡(luò)，在2KByte數(shù)據(jù)量通信時能夠在0.05秒內(nèi)可靠完成，具有通信數(shù)據(jù)量大、實時性較高、可靠性高的特點；S7-300PLC編程實現(xiàn)工業(yè)EtherNet通信，要用到PUT/GET通信模塊，由于其通信協(xié)議不開放支持接入的設(shè)備受限，直接接入Internet的潛力有限。鑒于此，新的工業(yè)EtherNet控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)制定統(tǒng)一開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通信組織方式自由靈活、可接入設(shè)備數(shù)量較多、通信數(shù)據(jù)量大、實時性高、可靠性高和融合Internet的特點，比Fieldbus更適應(yīng)工業(yè)控制發(fā)展的新要求。

5 Fieldbus-EtherNet混合控制網(wǎng)絡(luò)

目前，部分控制設(shè)備還沒有支持工業(yè)EtherNet，這樣有時只能采用Fieldbus-EtherNet混合控制網(wǎng)絡(luò)完成設(shè)備間的信息交換。典型應(yīng)用案例：MCGS觸摸屏通信采用Fieldbus，S7-200Smart PLC之間通信采用EtherNet，使一臺核心PLC作為EtherNet中各PLC之間相互通信的樞紐，觸摸屏通過ModbusRTU協(xié)議與核心PLC通信，觸摸屏與各PLC的信息交互由核心PLC中轉(zhuǎn)。這種混合方式，是當(dāng)前控制網(wǎng)絡(luò)由Fieldbus向EtherNet發(fā)展的一種過度，鑒于當(dāng)前控制設(shè)備的現(xiàn)實情況不失為一種發(fā)揮設(shè)備最佳應(yīng)用效果的務(wù)實選擇。

6 總結(jié)和展望

隨著數(shù)字技術(shù)、工業(yè)通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，控制網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)成為必然結(jié)果。不僅于此，現(xiàn)場級觸摸屏、PLC、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等也必將支持工業(yè)以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議，工業(yè)控制系統(tǒng)最終發(fā)展成為決策管理層（包含傳統(tǒng)的決策層和管理層）和控制網(wǎng)絡(luò)層（包含傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線層）都采用標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)EtherNet的無縫信息集成系統(tǒng)，這將能夠適應(yīng)智能制造時代對工業(yè)通信的更高要求。