控制系统通信网络的研究.pdf

第 ?期 ? ?年?月 水运科学研究所学报 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?玉 ? ? ? ? ? ? ? ? 控制系统通信网络的研究 王险峰 摘要本文针对当前主流 ? 产品 ?如 ? 一? 、 ? ? ? 、 ? ? 、 ? 等?的通 信网络进行了研究 , 从分析结构 、 性 能 、 应用范围等出发 , 获得对 ? 通信网络深刻的认识 , 以期能够掌握当前?通信网络技术的发展趋势和主 流? 各 自的性能及优缺点 , 为我国的 ?控制系统的良好应用与相关产品的开发提供 借鉴 。 关键词 ? 网络拓扑结构现场总线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一?, ? , ? , ? ? ? ? , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 概述 ? 作为现代工业的支柱之一得到了日益广泛的应用 , 己不再仅仅具有简单的替代继电 器的功能 , 具备了模拟量 、 ? ? 运算等复杂的控制功能 , 并且向超大型和小型两个方向发展 ? 小型即是指 ? 系统的体积 、 处理的 ? ? 点数都趋于小型化 、 合理化 , 使之能够适应于用户 对小型设备的低成本 、 简便的控制需求 ? 超大型是指 ? ? 控制系统所能处理的? ? 点数 、 内 存容量 、 执行速度 、 逻辑及运算功能 、 复杂的闭环控制能力 、 所能控制的地理范围 、 系统的 开放性都向着更大或更快 、 更强的方向发展 。 同时 , 现代工业也要求 ? 向集散控制系统 ? ? 发展 , 能够实行分布式控制 、 减小 控制集中性 、 提高系统可靠性 、 降低工程造价及维护费用 。 控制系统正向体系结构的开放性 与系统实现的网络化方向发展 。 控制网络的技术要求与特点为 ? 高实时性 、 容错能 力强 、 可 收稿日期 ? ?望为一戒沁一 , ? 王险峰 ? ?控制系统通信网络 的研究 靠性与安全性好 、 网络协议实用简单 、 效率高 、 网络结构的分散性 、 易于实现与信息网络的 集成 、 性价比高等 。 完善 、 先进的通信联网能力便是 ? 适应工业需求以及获得更快发展的关键技术 。 在通 信技术支持的基础上 , ? 厂商开发出适合于不同环境和要求的全系列的各种处理器 、 模块 、 适配器 、 与第三方设备的接口 、 以及功能完备的软件 , 并使之有机地构成一个整体 。 世界各 国主要?厂家瞄准这一发展趋势 , 纷纷推出 了各自的网络系统 , 既有符合 ? 月? 协议标 准的网络 , 也有目前正处于发展中的现场总线?如 ? ? ? , 还有适用于各 自系统的网络 。 研究 ? 通信网络性能 , 对于掌握 ? 技术的发展趋势 , 跟上工控领域的前进步伐 , 是非常重要的 。 而且 , 在应用方面 , 由于当前 ? 市场上的通信网络很多 , 用户在应用某一 PLC 产品 , 特别是组成网络时 , 需要对系统的通信性能进行详细的分析和研究 , 才能更好地 实现工程的要求 。 另一方面 , 对 尚未决定选用某种 PLC 时 , 通过对各个 PLC 通信能力的分 析 、 对照 比较 , 结合现场实际情况 , 对做好PLC选型工作也大有裨益 。 本文试图对当前市场上占主流的PLC产品的通信网络进行分析 、 研究 , 以获得对各通信 网络较深 的认识与理解;并结合理论知识 , 使得在实际工程中能较好地应用 。 本文所涉及的 pLc 主要有以下流行并应用很广泛的产品 : A llen 一 B ra dl e y (A 一 B ) 、 M oDI eoN 、 oEFANue 、 SIE M ENS 、 O M RON 、 和金钟一默勒(K毛O C K N E RM O E L L E R ) 。 2 通信网络研究 通过对 PLC 通信网络的研究 , 可以看到世界各主要PLC产 品厂商都推出了不同层次 、 具有特定应用范围的控制网络 。 依据通信网络的应用领域和功能 , 主要可以分为工控管理级 网络(如ET H E RN ET) 、 控制级网络 (如C O N 仪OLNET 、 M ODBUSPLUS 等) 、 现场设 备级网络 (如现场总线)和远程1 /0 。 2 . 1 工控管理级网络 该层网络主要满足企业级的管理需求 , 提供实时 、 高速 、 大容量的数据交换 , 与企业各 管理部门互连 , 为企业M i s提供基础数据 , 依据上层决策实施控制系统的优化工作 。 网络性 能见表 1 。 表1工控管理网性能列表 ETHERNET MOD I CON 051 SI N EC H IETHERNET 厂家A 一 B 工业以太网 , 提 供信息网络服 务功能 MO D I C O N PC 机间的互连 主要功能 SI E州 E N SG E P L c 及其与上位机 PLC , PC 互连 间的互连 连接设备 节点数 速率 PL C , PCP L C , P C PLC , PC 1024 1 0 M bP s 150伪11(同轴电缆) 460伽(光纤) 同轴电缆 , 光纤 总线型 PL C , 10 M bP s 可利用光纤扩 展距离 双绞线 , 光纤 10MbPs SY SMA C N ET LI NK SY STEM O M R O N PL c 通过网络链接单 元 、 网络服务板等链 接PLC 、 计算机和现 场设备 PLC , PC , 设备 126 ZMbPs l , X)m 10 M bPs 同轴电统光纤 总线型 同轴电缆 总线型 离质 距 介 拓扑结构总线型 , 星形 水运科学 研 究所学报 1999年第3期 A 一 B 工业以太网的特点在于:高性能的对等通信:上位机可通过以太网直接与 凡C 通信: 可本地或远程编程 : 提供标准 、 简单的网管规程;支持远程1 /0 PA SS 一 THRU 命令 。 M ODI CON051 用于组le d (C EL L 一 LEVEL) 通信 , 是通过 0 51(如MA P )产品不I一MB+ 用于以太网的G A TEW A Y 软件实现的 。 网络链接 ( SY S卜 4A C N E T LI N KS Y S T EM ) 是将系统中所有单元都链接 , 具有传输速度 快 、 数据量大 、 安全可靠等特点 。 它是反向双环拓扑结构 , 可用中继器及 网桥进行网络扩展 ; 采用TO K EN RI NG 协议 , 传输最大长度为ZK字节 , 速率为ZM bP s , 可满足系统实时性与可 靠性的需求 。 S IN EC H I是加强以太网 , 符合 IEE E802.3 (C SM A /C D)标准 。 并有光纤以太网SI N EC H IFO 。 SI NECHZ 是M A P3.0宽带网 。 工控管理 网及其发展具备以下特点: 开放性 、 标准化 , 符合 0 5 1 关于网络层次的划分 , 符合I E E E80 2. 3 标准 , 上述通信 网络中 , 大多数是开放的 , 更好地适应了计算机网络技术的发展 , 并能与己在办公等领域采 用的计算机网络互连 , 得到了广泛的应用 。 光纤介质 。 提高传输距离及保证高可靠性 。 拓扑结构灵活 。 可依据现场情况 , 采用总线 、 星 、 树 、 环型等不同的拓扑结构 , 以 保证 网络性能 。 高速性 。 工控管理网一般是工业网中速率最高的 , 满足大数据量传输的需求 。 W EB 技术支持 。 企业内部网 (I NT R A N ET ) 与 I N T ERN ET 的结合日益紧密 , 也要求 该层网络能够实现与外界的更广泛的通信 , 实现远程服务 。 2 .2 控制级网络 该层网络 是指用于完成自动化任务的网络系统 , 它的网络节点主要有工作站 、 控制网络 服务器 、 PLC 以及其它一些能够连入该网络的现场控制设备 , 控制网络与工控管理级网络相 比 , 主要有以 一 F特点: 控制网络主要用于生产设备的控制 , 对生产过程的状态检测 、 监视与控制; 控制网络要求具备实时性 、 安全性和可靠性 , 数据传输量一般较小 。 有代表性的控制级网络见表2 。 表2控制级网络性能列表 CONTR OLN ETDH+ MOD BUS S】 N E C L IG EN IU S P L U S J 一 家 主要功能 在PLC间及 PLC 与UO设备间提供 实时的数据传输 MO D I C O N PLC 间 、 PLC 与上位机 SI E州 E N S P L C间互连 实现PLC间, P C现 场智能设备的互连 连接设备 节点数 PLC刀O ,州压杠 PC 9 9 A . B 提供现场范围内控 制网络一级的数据 共享 PL C, PC , 高端M MI 每个链接 6 4 可有 9 9链接 57.6k bPs 3以X hn PL c 3 l P L C , P C 刀0 32 速率 SMbPs 距离 50 (胜 11 9 . 6 kbPs 50 km 3 8 . 4 , 76 . 8 . 153 . 6kbP s 22 0 ( ) 】 11 介质 R G七 同轴电缆双绞线 拓扑结构总线型 , 星型 ,树型 总线型 PLC , PC 3万每段 6 4 (含中继器) IN化Ps 4 50 m(每段) 180 (h a(中继) 双纹线 总线型 双绞线 总线型 双纹线 总线型 王险峰:PL C控制系统通信网络的研究 C O N TR O LN ET 提供实时 、 高速 、 大量的数据交换 , 实现 1 /0 、 对等 、 高速通信性能的 数据通信 。 CON T R OLNET 在无时间要求的基础上 , 增加了有紧迫时间要求的通信 , 例如 , 1 /0 刷新确认及对等控制器的互锁要优先于程序的上传下装 。 CONTROLNET 以SMbP s传输数据 , 提高了1 /0性能以及处 理器间的通信 , 结构灵活 , 可配置9 9个节点 , 没有最小距离要求 , 并 可用中继器扩展 , 可变为树形或星形结构 , 也可选用冗余系统 。 DATAHI GH W AYPLUS(DH + )是工业局域网 , 可方便地将A B公司各系列的PLC产 品(如PLC 一 5 、 SLC500 、 CONTROLLOGI X )互联 , 且每一接口有开关 , 容易地辨别网络 , 并具有网络诊断 , 提高网络效率 。 M ODBUSPLUS( M B 十 ) 在当前得到了广泛的应用 , 它具有高速 、 对等通信和易于安装 等特点 , 并可利用网桥 、 多路复用器和中继器进行灵活的扩展 。 S I N ECLl 适应小型分布式控制系统:3 1节点 , 4 线屏蔽 , 总长 5 0 km , 两站间最大距离 是4km 。 接口标准是R s485 , 协议A SS11 , 以主从方式工作 , 速率是96oobps 。 G E N I U S 是很具特色的控制网络 , 它是一种将 UO 监控系统与信息处理集成于一体的分 布式 1 /0 系统 , 它可作为一个网络也可作为一个交换实时处理的高速局域通信网络而进行工 作 , 对安装在不同的位置上的UO系统进行控制 。 另外 , 其他公司控制级网络也有一定的特点 , 如: OMR O N 公司的同位链接(PC L州K SY STEM )是利用PLC链接单元将PL C链接起来 , 通过在链接继电器(L困K R E LA Y )区建立公共数据 区 , 并使用 自动轮流查询法在同位链接 系统中的所有PLc之间传送数据 。 速率128kbP s , 距离so o m . 双绞线 , 单级系统中可接入3 2 节点 , 多级系统中可接入 1 2 8 节点 。 金钟 一 默勒公司的 SU C O N E T 一 KI 可应用于简单与复杂的任务 , 可接入 3 1 节点 , 速率 187.skbps , 距离达600m , 双绞线 。 控制级网络及其发展具备以下特点: 通信速率更高 。 从较早 的低速网络 , 己经发展到能够支持高速通信的工业网络 , 能 更好地满足工控对实时性的要求 。 网络范围更广 。 可采用光纤 、 同轴电缆等良好的通信介质 , 可以适应大范围的工程 需求 。 结构灵活 。 运用总线 、 星形等结构 , 满足实际需要 。 介质简单 。 为降低成本 、 安装维护简便 , 屏蔽双绞线可作为广泛采用的介质 。 扩展性更好 。 由于控制网中节 点多 、 地理范围大 、 多层次 , 需要控制能够进行 良好 的扩展性 , 充分利用网桥 、 网关 、 中继器等设备进行网络扩展 , 一方面扩展本身网络 , 另一 方面与其他控制网络相连 。 与工控管理网的结合 。 无论在硬件产品还是在软件支持中 , 控制级网络都与工控管理 网更好结合 , 并通过I N T RA N E T和 I N TE RN E T 进行远程监控 。 与现场 设备级网络的结合 。 有些控制级网络 的功能得到了进一步的加强 , 并与现场 总线趋于 一致 。 2 .3 现场设备级网络 该层网络实现PLC与现场设备的互连 , 现场总线是该层 网络的代表 , 并且是当前控制系 统的发展趋势 。 现场总线是将安装在工业过程现场的智能自动化仪表和装置与设置在控制室 水运 科学 研 究所学报 1999年第3期 内的仪表和控制设备连接起来的一种全数字化 、 串行 、 双向 、 多站的通信网络 。 在当前PLC产品的现场总线中 , PRO F I BUS 和 D EVI C E N E T 是应用较为广泛的 。 参见 表3 。 表3设备级网络性能表 D EVICEN ETSINEC LZSUCON ET 一 P 总线标准 厂家 主要功能 连接设备 节点数 拓扑结构 CA N BU SPRO FI BU S A 一 BSI E M ENS 现场总线 , 连接底层 PLC 间 、 P L C 与上位机 、 现场 设备操作元件等的互连 PLC , 智能设备 PLC , PC , 现场操作台等 以 126 500.250.125kbPs9 6kbPs 一 1 2 M bP s 50 0 t n 96 ( X ) m ( 电缆) 2 3 . 8k m(光纤) 专用4芯电缆 双纹线 , 光纤 总线型总线型 PRO FI B U S 金钟 一默勒 现场总线 , 实现PLC间 , 现场智能设 备的互连 PLC 127 9.6.192 , 93 . 75 . 187 . 5 , 500kbP s 2002400 m 双绞线 总线型 率离质 速 距介 现场总线具有以 F技术特点: 系统的开放性; 互可操作性与互用性; 现场设备的智能化与功能 自治性 : 系统结构的高度分散性; 对现场环境的适应性 。 鉴于现场总线技术的以上特性 , 因此它具有传统设备所无法比拟的优势:节省硬件数量 与投资;节省安装 、 维护费用;提高系统的准确性与可靠性 。 现场总线技术使控制系统向着分散化 、 网络化 、 智能化的方向发展 , 使控制技术与计算 机及网络技术更为紧密地结合 , 为自动化领域的技术发展注入了新的活力 。 如果现场总线的 发展能够突破以下的两个瓶颈 , 它便能够得到更为迅速的发展 : 现场总线设备价格 。 由于处于初级应用开发阶段 , 其价格还没有比传统控制系统低 很多 , 因而不能产生足够的吸引力 。 智能化现场设备 的缺乏 。 由于符合现场总线的智能化仪表 、 检测元件 、 执行机构较 少 , 对工业需求的适应性较差 , 因而限制了现场总线的发展 。 2 . 4 远程I/O 远程FO是较早推出的通信技术 , 它向高速率 、 高可靠性的方向发展 , 同时也向分布式1 /0 方向发展 . MO DI CO N公司的QU A N T UM 系列 、 s IE M ENS 公司的57系列和 A 一 B 公司的 C O N T R O LLO G IX 系列都具有分布式UO的能力 , 参见表4 。 王险峰:PLC控制系统通信网络的研究 表4远程1 /0性能列表 REMO TE I/ 0 LI N KRIO 厂 家 主要功能 连接 设备 节点数 速率 距离 L加I V E R SA L RE M O I,E UO A 一 B 连接 P LC处理器与1 /0 适配器 PL C , I /O 框架 1个扫描器. 32个适配器 230.4 、 115 . 2 . 57 . 6kbP s 3000m O M RON PLC 与远程1 /0 、 终端链接 MO D I C O N PLC 与远程站 远程I /0系统 、 PLC 介质 拓扑结构 双绞线 总线形 187.5 kbPs 800 m(光纤) 200 m(双绞线) 光纤 , 双绞线 总线形 I/0 LI N K G E PL C PL C , RIO l6 Z M bP s 1 0m (电缆) 200 m(光纤) 双绞线.光纤 总线形 PLC , 远程站 32 1.544MkbPs 4 , 5km 同轴电缆 总线形 3 通信网络应用 在实际应用中选定某种PLC后 , 要依据工 业现场的环境 、 工艺要求 、 系统功能 、 与其他 设备的接口以及通信网络 的性能综合考虑 , 来确定所选择的通信网络 。 不宜片面地 、 简单地 以某一方面突出的性能或技术指标来进行选择 。 既要考虑网络性能 , 又要兼顾整体 , 才能成 功地实施一个PLC控制 系统 。 本文 以二个例子来说明应用时所需注意的一些问题 。 ( 1 )广州港西基港务公司煤码头中控室控制系统 , 采用M OD IC O N 9 8 4 系列 PLC , 并 要和 4 台卸船机 、 2 台装船机进行通信 。 系统的整体设计只要求做到控制网络这一级 , 需要 将计算机操 作台 、 监控系统 、 中控室 PLC 、 卸船机PLC和装 船机 pLC互连 , 构成统一的网 络 。 针 对这样的需求 , 选 择 MO D B U S PLU S (MB+)网络 是最适 合的 , 可以利用它的高 速 、 对等 、 安装简便等优点 。 M B + 网络设计如图1 。 操操作台台台 监控系统 统统中控室PLC C C 卸卸船机 l l l l l 卸 船机4 4 4 4 4 装船机1 1 1 1 1 装船机2 2 2 图l 初 始设计的MB+网络结构图 在实际测试中 , 发现了MB +通信所存在的问题 。 由于装卸船机运行已多年 , 滑环卷筒存在 着严重的氧化现象 , 导致MB+通信故障率增加 。 在故障原因明确且不能更改时 , 针对这一现象 , 笔者做了大量的实验工作 (如 , 变换不同的拓扑结构 , 加入中继器以加强信号等) , 并用信号 发生器与示波器进行了对比试 验 , 得到了较为翔实的资料 , 并最终确认在这一现场环境中 采用M B+网络实现中控室与装 卸船机通信是有问题的 。 但中 控室内PLC与上位机的通信是 良好的 。 改进设计后 M B+网络 结构如图2所示 。 在这种情况下 , 利用MB+ 操操作台台台监控系统统统中控室P L C C C 多多路复用器 器器多路 复用器器 卸卸船机1 1 1 1 1卸船机4 4 4 4 4装船机l l l l l装船机2 2 2 图2 改进设计后 MB+网络结构 图 水运 科学 研 究所学报 1999年第3 期 的扩展功能 , 选用网络多路复用器 (BM 8 5) 和 M O D EM , 将数字信号转换成模拟信号以加 强抗干扰能力 , 实现M B+网络上节点与其他设备的互连 。 实际应用表明 , 这一设计是成功的 。 ( 2)大连北良粮食码头是我国建设的最大型的专业化粮食码头 , 一期与二期总仓容近10 0 万吨 , 是一个工艺非常复杂 , 控制与管理要求水平高的PLC控制系统 。 由于是世界银行贷款 投标项目 , 在满足标书和工艺要求的前提下 , 依据对被控设备 、 PLC 、 通信网络性能的分析 , 设计 了具有工控管理级 、 控制级和现场设备级通信网络的系统 。 大连北良粮食码头控制系统 结构如 图3所 示 。 | 1 | 工 一 控管 理级采用以 太 网 , 以实 现控制数据 的统计 、 分 析 、 控制系 统的优化和 其他管理系 统功能 , 如 财 务 、 人 事 、 资料 、 生产设备 等 , 并设有 IN T ER N E T 服务器 , 用 丁电子商务 。 管管理服务器器器 I N T ER N E T服务器 器器客户端 端端客户端 端 控控控控控控控控控控控控控控控控控制服务器 器器控制服务器器 图图形工作站站站 图形工作站 站站站站站站站站站站站站站站站站站 P P PLC C C C CPLC C C C CPLC C C C CPLC C C 现现场设备PLC C C C C现场设备PLC C C 图3 大连北良粮食码头控 制系统网络结构图 PLC 采用A 一 B 公司产品 , 控制级网络选用C O N TR O LN ET , 以满足高速 、 高可靠性 、 对 等通信的需求 。 由于很多现场设备本身有小型 、 早期的PLC , 并不具备C O N TR O LN ET联网功能 , 因此 , 利用O H 十网络与流程控制PLC 相连 。 在此 , DH 十可被视为现场设备级网络 。 4 结束语 综上所述 , PLC 向着分布式 、 网络化 、 高效 、 高速 、 高可靠性的方向发展 。 同样 , PLC 通信网络也正 处在向开放化 、 标准化发展的进程中 。 工控管理级向0 5 1 标准发展 , 现场设备 级向己制定的现场总线标准发展 , 控制网络级在自身得到完善 、 进步的同时 , 也正力图与工 控管理级或现场总线接近 , 形成标准 、 开放的网络 。 PLC 通信网络的发展趋势在于两级:上级在于支持企业一级的 IN T RA N ET服务 , 实现 I N TER N E T 的接入和远程监控;下级在于现场总线的发展 , 包括开发更多的智能仪表 、 检测 元件 、 执行机构 , 开发更完善的网络软硬件产品 , 提高网络组态技术和网管技术 , 增强开放 控制系统的集成技术 。 我国PLC技术发展远远落后于先进