1 引言
長期以來，可編程控制器（PLC）在工業(yè)自動化領域中得到了充分的應用，為各種各樣的控制設備提供了可靠的控制和整體解決方案，滿足企業(yè)對自動控制的需求，可以方便靈活地進行現(xiàn)場設置、檢測、監(jiān)控各種設備的生產(chǎn)參數(shù)。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也向網(wǎng)絡化，開放性發(fā)展。越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口設備，從而構(gòu)成了工業(yè)環(huán)境下的以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)，采用工業(yè)以太網(wǎng)徹底打破了傳統(tǒng)工業(yè)自動化“孤島”觀點，使整個廠區(qū)按生產(chǎn)節(jié)點有機地構(gòu)成一個遠程監(jiān)控網(wǎng)絡。 工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是按照IEEE802.3（以太網(wǎng)）國際標準，設計用于工業(yè)應用的一種單元網(wǎng)絡，通過它可以使自動化系統(tǒng)彼此連接，并為PC和工作站提供同機種和不同機種通信，它具有很高的通信性能，可作為實現(xiàn)范圍廣泛的開放式網(wǎng)絡的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比，具有向下兼容性，實現(xiàn)交換、全雙工傳輸、帶寬10MB/S到100MB/S 至1000MB/S，主要運用于工業(yè)環(huán)境下的網(wǎng)絡系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)應用于自動化領域具有以下優(yōu)點：低成本、易與Internet集成和受到了廣泛技術(shù)支持等。
某港口20萬噸級鐵礦石碼頭改擴建項目中，污水處理和堆場噴灑系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的PLC控制系統(tǒng)。施耐德公司的PLC可以通過工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡與其編程軟件Concept進行交互，技術(shù)人員可以在比較良好的環(huán)境下通過以太網(wǎng)絡對程序進行修改，而不必到環(huán)境惡劣的現(xiàn)場去操作。施耐德公司的透明工廠技術(shù)已經(jīng)使得工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可以成功的應用于PLC控制系統(tǒng)當中。本文將就如何在該系統(tǒng)中實現(xiàn)施耐德MODICON PLC網(wǎng)絡控制系統(tǒng)進行研究。
2 系統(tǒng)分析與設計
2.1控制要求
污水處理系統(tǒng)的控制要求：污水站集水池設有2臺液下泵，根據(jù)集水池的液位自動啟停，兩臺泵輪流先后工作。在啟動液下泵的同時，啟動計量泵。污水提升到中間水池后，中間水池有兩臺潛污泵，輪流工作，并可以在一臺泵故障時，啟動另一臺泵。污泥池有兩臺污泥泵，根據(jù)浮球閥的狀態(tài)自動啟停污泥泵。并可在上位機監(jiān)測集水池和清水池水位，容器罐、污泥增壓泵及出水管的壓力，出水管的流量。
灑水系統(tǒng)的控制要求：可在現(xiàn)場控制柜控制噴水和上位機遠程控制操作。遠程控制時可以實現(xiàn)上位機點動控制噴水閥噴水和堆場循環(huán)噴水。分為單堆場噴淋和全堆場循環(huán)兩種模式：單堆場循環(huán)為上位機選定某個堆場噴淋；全堆場循環(huán)為根據(jù)堆場有無堆料、有無斗輪機懸臂信號和是否選中噴淋的情況對整個堆場進行全堆場循環(huán)噴淋一次。
2.2系統(tǒng)設計
該污水處理和堆場噴灑自動控制系統(tǒng)由1座現(xiàn)場PLC主站，10座遠程I/O子站組成，計算機監(jiān)控工作站設在中控室內(nèi)，通過工業(yè)以太網(wǎng)連接。在中控室安裝有一套灑水控制工業(yè)計算機，運行人—機界面，完成污水處理系統(tǒng)和堆場噴灑系統(tǒng)的監(jiān)控和生產(chǎn)管理。它監(jiān)視、控制、管理整個污水處理系統(tǒng)和堆場噴灑系統(tǒng)的全部生產(chǎn)過程和工藝流程。
在該系統(tǒng)中采用100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)光端機，將所有現(xiàn)場控制主站、操作站及所有遠程I/O站等用光纖以太網(wǎng)連接起來。在污水處理系統(tǒng)現(xiàn)場控制主站設一套 MODICON QUANTUM系列 PLC，在堆場噴灑系統(tǒng)10個閥門控制箱遠程控制子系統(tǒng)各配一套 MODICON MOMENTUM系列PLC作為遠程I/O站。通過光纖工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場控制站相連接。監(jiān)控工業(yè)計算機通過以太網(wǎng)連接現(xiàn)場控制PLC主站來實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)和堆場噴灑自動控制系統(tǒng)與總控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。因為施耐德公司的ModbusTCP/IP （1998） 是目前工業(yè)以太網(wǎng)的事實標準，并使以太網(wǎng)在傳感器級和設備級得到了大量的應用。
本控制系統(tǒng)設備采用施耐德電氣公司生產(chǎn)的TSX Quantum和Momentum系列PLC。以工業(yè)控制計算機作為中央操作站（操作站和工程師站）。中央操作站負責設備運行的狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)信息處理、打印、系統(tǒng)起停命令發(fā)送、回路調(diào)節(jié)、設定位給定等功能?，F(xiàn)場站負責現(xiàn)場I/O信號采集、回路控制、聯(lián)鎖順序控制，現(xiàn)場所有的信號通過電纜引到現(xiàn)場站?，F(xiàn)場站和操作站通過工業(yè)以太網(wǎng)完成它們之間的信息和數(shù)據(jù)交換，真正體現(xiàn)了分散控制、集中管理的原則。本系統(tǒng)的建立遵循開放性原則，采用結(jié)構(gòu)化體系，并對將來的發(fā)展具有完全的兼容性和可擴充性，采用工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，具有良好的可擴充性和開放性，只要符合工業(yè)以大網(wǎng)協(xié)議的設備都可以上網(wǎng)，可以極其方便地外掛生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）。
3 控制網(wǎng)絡的組成與實現(xiàn)
3.1控制網(wǎng)絡的組建
該系統(tǒng)控制網(wǎng)絡的硬件組成是：中控室操作站PC一臺，現(xiàn)場控制站Quantum PLC一臺、遠程控制子站Momentum PLC十臺，施耐德MODICON以太網(wǎng)集線器10Mbps 3TP/FL 499NOH10510十一只，工業(yè)以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡收發(fā)器一只。
網(wǎng)絡組建方案設計如下：由主站Quantum PLC和子站Momentum PLC通過光纖收發(fā)器和以太網(wǎng)集線器499NOH10510 組成一個有十一個節(jié)點的冗余環(huán)形網(wǎng)絡，并通過光纖收發(fā)器和499NOH10510集線器實現(xiàn)環(huán)形子網(wǎng)與上位機的通信。采用環(huán)形網(wǎng)的方式，如果系統(tǒng)中環(huán)形光纖發(fā)生故障，環(huán)形結(jié)構(gòu)將在小于500 ms時間內(nèi)切換成具有全部傳輸能力的總線結(jié)構(gòu)。所以在其中某個Momentum PLC出現(xiàn)問題時，由于環(huán)網(wǎng)的冗余作用而不會影響到整個系統(tǒng)的正常運行，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在網(wǎng)絡硬件組建成功之后，使用施耐德公司的Bootp工具對組成環(huán)型網(wǎng)絡的各個PLC分配IP地址，該地址要與上位機操作站電腦的IP地址在同一個域段內(nèi)。
3.2通信問題的解決
在該PLC控制系統(tǒng)中，硬件網(wǎng)絡的組建只是其中一部分，如何解決網(wǎng)絡通信的穩(wěn)定性和準確性是需要解決的重要問題。
要實現(xiàn)Quantum PLC與Momentum PLC之間的網(wǎng)絡通信有兩種方式：1 通過組態(tài)設置master主站及進行信息交互的 Slave從站，并設置讀寫的數(shù)據(jù)長度的單元地址；2 利用Concept編程軟件中的FBD功能指令，實現(xiàn)對子站的讀寫操作。
在該系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡中，我們采用了集線器499NOH10510作光電轉(zhuǎn)換。由于集線器是在接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。在消息傳遞方面，集線器是低速低效的，可能會出現(xiàn)消息沖突。顯然，由于集線器的這一個不足，當各個PLC中的信息同時占用某個通信信道時，就會引起信道的消息沖突，而導致網(wǎng)絡通信中斷，這樣整個控制網(wǎng)絡就會處于癱瘓狀態(tài)。只有重新啟動整個系統(tǒng)才能使系統(tǒng)恢復正常，但是，由于在控制系統(tǒng)中信息的傳遞是頻繁的，因此如果不解決信息沖突的問題，發(fā)生系統(tǒng)控制網(wǎng)絡癱瘓的可能性就時刻存在。
要解決信息沖突的關(guān)鍵就是使多個PLC之間信息交換對信道分時使用，這樣就不會出信息信道沖突的問題。在第一種方案中，只是簡單的為信息通信分配了相應的存儲寄存器，不能夠解決信息同時占用信道的沖突問題。因此我們采用第二種方案來解決這個問題。施耐德PLC編程軟件Concept 2.6具有強大的功能，其簡單的編程語言和完備的功能指令讓使用者能夠輕松的解決遇到的問題。
在FBD編程方式中具有強大的FFB功能指令，可以實現(xiàn)包括網(wǎng)絡通信（MB_TCP/IP，MODBUS等等）在內(nèi)的所用組態(tài)功能和邏輯梯形圖功能。
上位機操作站的人－機操作界面采用北京杰控公司的FameView組態(tài)軟件開發(fā)。利用FameView攜帶的Modbus TCP/IP協(xié)議接口，可以方便的實現(xiàn)上位機與PLC以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡的通信控制。
4 結(jié)束語
該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)投入使用，經(jīng)過近幾個月的試運行證明該控制系統(tǒng)得到設計的要求，成功的解決了工業(yè)以太網(wǎng)中存在的穩(wěn)定性和準確性問題，控制效果非常明顯。充分體現(xiàn)了PLC網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的控制直觀，操作方便等優(yōu)點。
（轉(zhuǎn)載）
