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。
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:
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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.
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