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PLC自动化控制系统中通信技术的应用

2021-08-13 194 上传者：管理员

摘要：在工业自动化领域，PLC作为核心单元发挥着信息处理、指令发送等重要功能。而无论是信息的接收还是指令的传递，都有赖于通信系统。本文首先概述了PLC自动化控制系统的主体框架以及各组成部分的主要功能；随后结合该系统的运行流程，重点对主程序、启动中断程序、功能程序的应用展开了简要分析；最后结合PLC自动化控制系统的通信模式，介绍了系统运行中使用到的PPI通信协议和Profibus通信技术。实践表明，经过通信优化后的PLC自动化控制系统，响应速度更快，运行可靠性更好，进一步提高了自动化水平。

关键词：
PLC系统
PPI通信协议
Profibus通信技术
自动化控制系统
通信系统
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基于PLC的自动化控制生产线，主要包括自动送料、物料加工、产品装配、定向输送、快速分拣五道工序。这些工序之间有着密切的逻辑关系，为保证前后两道工序紧密衔接，必须提高PLC的响应速率和控制水平。而通信系统通过影响信号传递速度，进而直接决定了PLC接收信号的时效。因此，要想提高工业自动化控制水平，必须要对PLC自动化控制系统的通信技术上进行创新、优化。

1、基于PLC自动化控制系统的基本架构

早期的PLC自动化控制系统，采用线性控制模式，各模块按照物料加工顺序采用线性排列方式。虽然网络架构比较简单，但是存在诸多弊端，例如PLC指令需要逐级下达，导致末端环节指令响应的延迟问题十分严重，特别是在工业生产速度较快的情况下，经常会出现错误。而基于Profibus开放式现场总线标准的新型PLC自动化控制系统，在通信模式上则采用了垂直化控制方式，由终端控制设备（PLC）与现场分散的I/O设备之间直接完成信息传递，无论是信息传递的时效性，还是网络架构本身的稳定性，都得到了明显提升。新系统的基本架构如图1所示。

在该系统中：

(1）控制输送站采用的是S7-315-2DP控制器，发出控制命令后，前端的传动装置，通过直线运动的方式将机械手推动到制定位置，然后控制机械手抓取物料台上的产品。将产品提取起来之后，该控制器继续发送指令，控制机械手做定向移动，达到制定位置后再松开机械手，将产品放下，实现整个闭环操作。

(2）人机交互模块采用的是TP170B触摸屏，其功能包括两部分：其一是实时呈现系统运行状态，其二是监视整体现场控制设备对指令的响应情况。上述两个模块均属于系统主站，除此之外还包括若干功能性从站，例如控制送料站从站、控制加工站从站。一级主站与二级主站之间为令牌通信，主站与从站之间为主从通信。依托通信系统实现信息与指令的传递，实现了该系统的稳定运行与功能发挥。

2、基于PLC自动化控制系统的程序功能

PLC作为整个自动化控制系统的绝对核心，应根据系统的运行需要灵活选择PLC的型号。本文选择的S7系列中的S7-315-2DP型PLC作为主站控制器，选择S7-200型PLC作为从站控制器。系统选用Profibus现场总线通信方式，设计程序功能如图2所示。

在上图中：

(1) OB1为主程序，当系统开始运行后，首先启动主程序，并在完成一次程序之后继续循环，直到接收中止命令。BO1程序执行期间，PLC会发送全局数据，这些数据通过BO1搬运站主程序，依次传递到FB1搬运子程序、FC3急停程序、FC5加工站程序等等。另外，BO1还会利用时间监视器，对最大扫描时间进行监测，并将监测数据上传给PLC。系统预设最大扫描时间为200ms，若实际扫描时间超出该值，则说明系统响应速度较慢，由管理员重新校正。

(2）启动中断程序。在PLC自动化控制系统的启动模式中，共有三种模式，分别是暖启动（OB100）、热启动（OB101）和冷启动（OB102）。系统上电后，模式选择器会根据预设指令，自动从上述三种模式中选择其一，完成启动。若程序执行过程中出现时间错误，则自动进行中断，待校准时间后，返回上级程序，重新选择启动模式再次运行。

(3）功能程序。根据工业生产的具体需要编写功能程序（FC），如FC4送料站程序、FC5加工站程序、FC6装配站程序、FC11落料程序等等。在编写程序时，为了方便编程人员的操作，西门子公司提供了一个面向西门子PLC用户的指令库，编程时刻直接从库内调用相关指令，包括输入参数（IN）、输出参数（OUT）、静态参数（STAT）等。

3、基于PLC自动化控制系统的通信技术

西门子S7系列PLC支持多种通信模式，例如PPI（点对点接口）、MPI（多点接口）以及Profibus（现场总线）等。不同的通信模式，除了影响系统内部的信息传输速率外，也会对信息抗干扰能力等产生直接影响。因此，基于PLC自动化控制系统本身的网络架构和功能需要，选择恰当的通信技术至关重要。

3.1 PPI通信协议

作为S7系列PLC最常用的通信模式，可直接利用PLC自带的通信端口完成系统的信息收发需要。从本质上来看，PPI属于主从协议，可支持一级、二级主站，与各从站之间的信息传递。在系统启动运行时，OB1主程序首先判断网络是否存在占用的情况，若网络通畅，则建立PPI网络。并基于该网络由主站向从站发出请求指令。在从站作出相应后，依托PPI网络实现“主-从”通信。虽然PLC只提供了PORT0和PORT1两个通信端口，但是基于PPI网络最多支持建立32个“主-从”网络，因此完全能够满足自动化控制系统运行时的通信需求。

另外，PPI高级协议还支持在独立的网络设备之间建立联系，但是一台设备连接其他设备的数量有限制。例如，S7-200型PLC的CPU支持PPI高级协议，其中的PROT0端口最大连接数为5，而PROT1端口最大连接数为8。同样的，EM277模块也支持PPI高级协议，最大支持连接数为6。具体情况如表1所示。

3.2 Profibus通信技术

Profibus作为一类开放式的通信系统，在制造业自动化、楼宇自动化等领域均有着广泛使用。相比于PPI通信技术，Profibus的优势在于适应更加复杂的通信任务，并且能够有效解决复杂网络架构中，总线容易发生信息堵塞的问题，对提高整个系统的通信能力有积极作用。其结构如图3所示。

结合图3,Profibus通信协议共分为5大层次，顶层为人机交互界面，用户可手动输入指令，也可调用各部分的运行数据，了解整个工业生产系统的实时进度；应用层包括了基本功能和扩展功能，提供了DP用户接口；未定义的3-6层，由用户根据工业生产需要自行定义，或者后续进行功能扩展；数据链路层主要时现场总线数据链路，同时提供了IEC接口，实现现场总线和各从站设备的连接；物理层以RS-485光纤为主。在Profibus通信中，可使用特殊的起始、结束定界符，对每个字节进行奇偶校验，有助于提高通信数据的可靠性。

4、结论

PLC在工业自动化控制方面有着广泛运用，但是由于工业生产现场环境复杂，加上对系统运行的时效性、协调性等均有较高要求，这就需要对通信技术进行改良和创新。从实践来看，基于Profibus通信技术的PLC自动化控制系统，显著提高了通信效率，解决了指令丢失、响应延迟的问题，对进一步提高PLC自动化控制系统的实用效果有良好作用。

参考文献:

[1]弓健.基于智能化技术的电气自动化控制系统研究与实现[J].电子设计工程,2020(05):53-56.

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文章来源：李宇轩.基于PLC自动化控制系统的通信技术探究[J].科学技术创新,2021(24):104-105.