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基于罗克韦尔Micro800系列PLC的分布式控制系统设计

2020/5/8    来源:《自动化应用》2019年第1期    作者:杨冰  嵇建波      
关键字:PLC  分布式控制系统  可编程逻辑控制器  罗克韦尔  
“工业4.0”概念的提出正不断推动着全球制造业生产从集中控制向分散控制转变,加快了全球工业自动化进程。PLC技术作为工业自动化重要应用技术之一,能有效实现目标对象的有效分析与优化控制,提高系统运行的可靠性。论述围绕PLC技术在自动控制领域分布式系统设计的应用,以罗克韦尔PLC应用为例,阐述工业控制系统中不同PLC设备的网络通信方法,并分析PLC设备通信稳定性影响因素。
0 引言
       随着工业4.0概念的提出与工业自动化技术的不断发展与更新,越来越多的生产厂商和企业参与到智能化和网络化生产过程的实现,希望能通过互联网、物联网来整合物流资源,充分提高现有资源的供应效率,为用户提供个性化的定制方案。在如今大数据、云计算、移动互联网并行的背景下,只有通过对企业进行生产智能化、数字化的改进,并提高资源的利用率,才能使系统以一种更加稳定、安全可靠的方式运行,同时能够针对用户的不同需求,提出合理的系统问题解决方案。
       其中,PLC控制技术在工业自动化控制领域中逐渐体现出其优势,其在较恶劣的工业控制环境下仍具有较为理想的可靠性,控制系统的精度和灵敏度也较高,同时具有较强的抗干扰能力[1-3]。
       针对目前工业自动化技术的应用情况以及PLC技术在应用中存在的挑战,国内外都对PLC技术的应用进行了前瞻性研究。由于近几年来网络通信技术的发展,工业控制系统不稳定性以及易损性都为其稳定运行增加了隐患[4]。
       文献[5]讨论了如何解决工业控制系统稳定性的问题,提出基于PLC的控制逻辑故障检测技术,解决了动态模型与基准模型之间存在差异性的检测问题,极大地提高了系统分析与故障判断的效率。
       文献[6]研究了用于设备生产以及实验室测试的水泵控制系统,该控制系统通过利用PLC以及工业无线局域网技术来实现设备之间的通信。同时PLC通过发送数字信号给水泵控制系统来实现水泵的打开和关闭,并能通过压力变送器以及限位开关来检测储水池的水位。
       文献[7]讨论了关于太阳能发电的功率消耗问题以及考虑不同天气条件下的太阳能定位采集系统的控制问题,同时该两轴跟踪系统通过利用PLC来实现太阳能光伏板不同高度角和方位角的跟踪。
       不仅如此,文献[8]的作者研发了一种可用于自动生产线的自动翻转设备,通过PLC来实现系统的液压控制,极大地提高了系统的稳定性、可靠性以及自动化水平。对于PLC技术在分布式控制系统中的典型应用,文献[9]中提到原有的分布式控制系统中的计算机由于使用年限较久而出现老化的问题并且无法继续替换补充,同时新兴的PLC控制系统具有编程方式方便灵活,便于用户使用,因此具有较高的市场占有率且性价比较高。PLC控制系统能通过网络与计算机相连,具有良好的人机交互界面,便于观测控制系统各个参数的变化情况,这些特点都更加适用于文献[9]中所涉及的冷冻设备动态控制。随着微处理器技术的革新与不断提升,同时软件编程技术的灵活性与实用性也在不断进步,这都为PLC性能的优化提供了条件,从而PLC能够实现更加复杂的运动控制和过程控制,进一步提高工业生产效率以及系统运行的可靠性、安全性。
       针对以上所述的PLC技术作为工业生产的重要应用以及PLC自身的优势,本文重点考察了PLC技术应用过程中设备信息远程传输的方式及相关的应用。针对PLC能够采用以太网实现设备信息的远程传输,本文提出了不同的PLC之间实现信息交换的方法,信息的发送方以及接收方都能通过控制器自身状态变量的观测,来确定相应的控制信息是否发出成功以及在接收过程中是否存在传输的不稳定或传输错误等问题。该方法能实现控制器主机与从机之间信息的传输,并能及时地检测控制器是否存在通信不稳定的问题,且相比于其他方式,该方法对不同的控制器型号都具有良好的通用性,更加适用于罗克韦尔PLC设备之间信息传输与检测。
1 PLC技术概述
       PLC技术是指可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),其可作为具备计算机功能的一种通用工业控制装置,既能适应恶劣的工业控制环境,也具备一般计算机的通用特性。PLC技术是在改进继电器控制系统的基础上发展起来的,结合了继电器和计算机两者的优点,采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程,使不太熟悉计算机编程的工程人员都能较快地掌握并使用。同时,在模型复杂、实时性要求较高的工业应用场所中,PLC更能发挥其专长。不仅如此,PLC还具备存储和执行操作指令的能力,能进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数等操作,并具有数字式和模拟式输入输出接口,能灵活地控制各类机械或生产操作。同时,PLC能联合其他外围设备,将整个工业系统连成一个整体,高效有序地实现工业自动化控制,并具有良好的可扩展性。
       针对PLC技术在工业自动化控制领域中的应用情况,尤其是其在电气自动化中的优势,良好的通用性和灵活性能使电气设备更加智能化,同时满足不同用户的个性需求[10]。PLC技术采用软件编程来控制硬件输出,方便工程人员根据需要调试与修改控制对象的实时参量,节约大量的人力成本以及减少硬件线路更改的规模与次数,一定程度上为工业生产的智能化提供了便利,进一步提高了企业生产的效率。
       PLC技术控制的本质是采用虚拟的继电器元件来替代实际的硬件继电器,即将原有的继电器控制系统所需的时间继电器、中间继电器等硬件设备用软件来替代,而硬件设备原有的响应时间基本可以忽略不计,此时在实际的大型工业控制系统中就能极大地节约系统的响应时间,对实时控制过程能迅速反应,同时也可以对一些设备故障的出现或虚拟的扰动信号做出及时的判断,避免因错误的故障判断而出现多余的故障输出的情况。不仅如此,对于不同公司与生产厂商的PLC系列产品,PLC本身配置了多种通信接口,如USB接口、串口以及以太网端口等,则可以根据现场设备控制的需要,实现上层控制单元与底层现场设备之间的远程控制,将上层控制单元的调度信息通过多种方式传输到现场设备,现场工程人员可根据现场的情况进行设备调试与检修,同时控制中心的管理人员也能实时监控设备运行的状态,实现设备信息的远距离传输。关于不同控制器之间如何实现远程传输的问题也是本论文重点讨论的问题,这也是互联网技术在PLC技术发展过程中的典型应用,同时,互联网通信的发展也是推动工业自动化进程的重要手段。因此,采用PLC技术能进一步推动工业自动化系统向智能高效的方向发展,同时节约系统设计、调试以及维护的成本,有利于其向大型和超大型分布式控制系统拓展与发展。
2 PLC技术在分布式控制系统中的应用
       分布式控制系统是一种对工业生产进行集中管理和分散控制的计算机系统,其通过网络技术、总线通信技术以及计算机技术对现场控制设备、传感器仪表与检测设备、输入与输出接口设备、服务器等进行分散控制和集中管理。

PLC实现分布式控制网络拓扑图
图1 PLC实现分布式控制网络拓扑图   

       新型的分布式控制方法与传统控制方案的区别在于,其能将设备控制、检测、调试和管理整合起来,进行设备管理的工程人员可以从操作室监视设备的运行情况,而不需要时时处于生产现场,从而实现现场各类设备的远程监控与管理,有效地减少了人力资源的浪费,并提高了设备管理运行效率。
       分布式控制系统若要实现现场设备的分散控制和集中管理,则需构建实时数据传输的网络,借助现场总线技术或工业以太网,从而实现设备信息的有效传输。而PLC属于专门用于工业控制的计算机,其根据可编辑的逻辑控制算法,利用软件来完成设备输入/输出量的控制,相对于传统的继电器控制和复杂的计算机控制来说,其更加方便快捷,易于调试,并且能保证系统运行的可靠性。若将PLC技术应用于分布式控制系统设计中,则PLC技术的实时性和可靠性会有更加充分的体现,还能进一步节约系统开发的成本,同时提升系统的可扩展性。利用PLC技术来实现分布式系统的设计如图1所示。
3 PLC网络组成的分布式控制系统设计
       3.1 系统硬件构成
       在本论文所讨论的PLC控制系统中,主要涉及罗克韦尔PLC、以太网交换机以及计算机等。罗克韦尔Micro850控制器之间采用其自带的以太网接口进行通信,相互通信的控制器均接到工业以太网交换机或路由器上。设发送方控制器为A,接收方控制器为B,且控制器A和B都需分别通过一个全局标签来实现数据的发送与接收,则分别定义发送标签为Send_A,接收标签为Received_B。系统的接线图如图2所示。

系统接线图

图2 系统接线图

       3.2 系统工作原理
       Micro850控制器之间采用以太网通信的方式传输数据信息,相互通信的控制器均接到路由器上,同时,与控制器相连的两台计算机也接在该网络中。发送方控制器A通过软件CCW(Connected Components Workbench)中自带的功能块指令MSG_CIPSYMBOLIC将数据发送到接收方控制器B,并用一个全局变量标签进行识别与接收。
       由于控制器之间采用以太网通信,通过固定发送方和接收方的控制器IP地址实现信息的点对点传输,则可设控制器A的IP地址为192.168.1.8,发送标签为Send_A,控制器B的IP地址为192.168.1.16,接收标签为Received_B。在控制器A往控制器B写数据的过程中,
通过识别标签来实现信息的传输。
       3.3 控制器数据传输方案实现
       3.3.1 软件实现流程图
       在Micro850控制器之间进行数据传输的过程中,通过CCW软件中的MSG_CIPSYMBOLIC指令实现信息的发送,并在接收方控制器进行检测数据是否传输成功。若两者之间信息通信成功,则可以相互传送数据,实现设备之间的相互控制。系统通信实现方法的流程图如图3所示。

软件实现流程图
图3 软件实现流程图

地址映射实现方式
图4 地址映射实现方式

       3.3.2系统控制器通信实现方法
       (1)路由器设置及地址映射实现方法在图2所示的控制系统接线图中,为了实现两个控
制器之间的通信,需将两者的IP地址设置在同一个网段内,并将两者的MAC地址进行配对,从而实现发送方与接收方之间的MAC地址映射,在数据传输的过程中能找到目标控制器。控制器A进行IP地址设置及地址映射实现步骤如图4所示,控制器B的设置方法与控制器A相同。
       (2)创建发送方控制器的变量及程序设计
       a.创建发送方变量
       为了实现发送方控制器的信息的传输,则首先需在CCW软件中新建一个Micro850控制器的工程项目,使用梯形图进行编程,并在新项目中创建控制器A的发送数据变量,取名为Src1,数据类型为UDINT。为了方便存储数据,再创建一个含四个元素的一维数组Dest1,维数(Dimension)设置为[1…4]。
       b.添加数据转换模块
       两个控制器之间进行数据传输的时候采用CCW软件自带的MSG_CIPSYMBOLIC指令,该指令是按位进行传输的,其发送寄存器是一个USINT类型的8位数组。若控制器之间传输的是32位UDINT型数据,则需先将该数据分成4个八位的UDINT数据才能实现数据之间信号传递。此时需要COP功能块进行数据类型的转换,将要传递到控制器B中的32位数据(即控制器A的发送变量Src1),存放到含有4个元素的一维数组(即Dest1)中,再将该数组通过MSG_CIPSYMBOLIC指令发送出去。
       COP功能块的主要作用是将发送方数据变量Src1的值以二进制流的方式存放到Dest1数组中,即Dest1[1]存储的是Src1写成二进制流的前八位,Dest1[4]存储的是Src1写成二进制流的最后八位。将需要传送的数据进行数据类型转换之后还需检测该数据是否转换成功,则需再添加一个UINT类型的变量COPsts,并设置初始值,且该变量的维数设置为[1…1],用以判定COP功能块的输出状态。
       在判定数据类型是否转换成功时,需在梯形图中添加一个比较指令和输出线圈。当数据类型转换成功时,COP功能块的输出端COPsts[1]会置1,同时输出线圈Value_to_write的状态也会置1,此时表明数据类型转换成功,可以使用MSG指令进行数据传送。
       c.创建数据传送功能块
       当数据类型转换成功后,可以利用MSG_CIPSYMBOLIC功能块实现数据传送,同时需在该功能块创建相应的变量并赋初始值。其中MSG_CIPSYMBOLIC功能块中的CtrlCfg变量、SymCfg变量和TargetCfg变量的参数设置如表1、表2、表3所示。

CtrlCfg参数设置
表1 CtrlCfg参数设置

       在CCW软件中将MSG_CIPSYMBOLIC功能块创建完成之后,添加一个以Value_to_write为变量名的开关,用以激活MSG功能块,则设计的数据传送梯形图程序如图5所示。

SymCfg参数设置
表2 SymCfg参数设置
TargetCfg参数设置
表3 TargetCfg参数设置

发送数据程序设计
图5 发送数据程序设计

       (3)创建接收方控制器的变量及程序设计
       a.设置目标控制器的IP地址
       目标控制器即是进行数据传送过程中的接收方控制器,控制器的IP地址在本文中设置为“192.168.1.102”,该IP地址与MSG_CIPSYMBOLIC功能块中的目标控制器地址保持一致。
       b.创建接收方控制器的接收全局变量
在接收方控制器中创建全局变量Received_B,作为接收标签,数据类型设置为UDINT。该接收标签需与MSG_CIPSYMBOLIC功能块中的SymCfg参数设置保持一致。
       (4)检测控制器数据传送结果
       在CCW中完成了关于发送控制器和接收控制器的数据传送程序设计,则需将编译正确的程序下载至Micro850控制器中,同时确认两者的地址映射正确,保证通信成功之后则可以看到相应的传送变量的数值变化。
       在进行数据传输测试中,将Scr1参数设置为987654321,激活开关Convert_Data之后,运行数据类型转换功能块以及数据传送功能块,可在CCW软件中的变量观测对话框中看到所传递数值987654321变换后的二进制数,分别存放于Dest1[1]~[4]中,显示的数值依次为177、104、222以及58,同时,COP功能块的输出端COPsts[1]取值也会置1,输出线圈Value_to_write也会置1,表明此时数据转换成功。接着可以看到在数据传送功能块MSG_CIPSYMBOLIC中的参量也发生变化,其中CCFG显示为False,SCFG置为1,TCFG对应显示接收方控制器的IP地址。若发送方控制器与接收方控制器通信成功,此时MSG功能块的输出点Q显示为True,Status显示为False,表明此时没有出现传输错误,即两者通信已成功。同时,在接收方控制器中可以查看预先创建的全局变量Received_B,其数值变为了987654321,即为发送方控制器所要传递的数值,说明此时发送方控制器已经将该数据传送到接收方控制器中。为了方便观测数据是否传输成功,也可以增加一个输出信号灯作为辅助检测元件。当数据传送成功之后,与所传输的数值做一个比较,若比较结果相同,则输出指示灯会点亮。
       3.4 系统设备通信传输及稳定性分析
       在本文所设计的基于罗克韦尔PLC的分布式控制系统中,为了实现不同的控制器之间的数据传输,需首先设置路由器并完成不同控制器之间的地址映射。在路由器的无线网络设置过程中,需选择正确的频带带宽、信道以及设备MAC地址,且相互通信的设备MAC地址应一一对应。由于一台设备可以同时与四台设备进行通信,则进行无线网络通信时能将系统设计为环状或者网状结构,使系统设备之间的信息传输更加多样化。尽管在本文中是以两台控制器之间的通信实现为例,但由于一台设备可以与多台设备同时进行通信,则在实际的工程应用中能将本文所述系统进一步扩大化,使更多的设备参与到PLC分布式系统的网络传输中,完善PLC控制系统功能。
       除此之外,当分布式控制系统中的控制器进行数据传输的过程中,根据所使用的功能块要求需进行相应的数据类型转换以及数据传送,则需保证数据转换正确以及控制器之间的通信成功,才能进一步检测数据是否传送成功。其中,当使用COP功能块进行数据转换时,需实时检测该功能块的输出端STS的输出结果是否符合要求,在进行程序设计时建议增加一个判定条件以及输出线圈以辅助检测输出结果。当数据转换成功之后,则可以利用MSG功能块进行数据传送。在进行控制器之间的数据传送时,同样应实时监测数据传送的结果是否符合设计要求,即同步观测MSG功能块各输出参量是否正确。当MSG功能块能顺利完成数据传送时,其输出端口Q应为True,表明发送方与接收方能实现通信;当输出端口Q为False时,则两者通信失败。出现控制器之间通信失败的原因可能是两者地址映射未设置正确导致IP地址未对应,或是该无线通信网络中本身存在的网络通信不稳定问题导致通信失败,此时应及时检查当前的网络状况,及时修改对应的IP地址,多次尝试通信连接,直至发送方与接收方通信成功。因此,在实际的工程应用中,若由于通信不稳定而导致设备之间无法传输控制信息,可以采用上述方法解决设备之间的信息传输问题。
4 结语
       本文基于罗克韦尔PLC技术设计了一种应用于工业自动化的分布式控制系统,实现局域网中多个控制器之间的相互通信,并分析了影响PLC通信稳定性的相关因素。该分布式控制系统可以实时监测控制器之间的通信情况,并可根据实际需要将该系统设计为环状或者网状结构,实现多个PLC之间的信息传送。本文所设计的控制功能主要包括主机向从机写入数据,而罗克韦尔PLC所能实现的功能不仅仅限于此,其控制器还能利用相关MSG功能块实现主机读取从机数据的功能,为控制器之间的信息通信提供便利,这也是本文作者今后继续研究的方向。因此,PLC控制技术的不断发展和功能指令的不断丰富,是全球实现工业自动化的必然要求,也是工业4.0战略实施的必然趋势。
参考文献
责任编辑:杨培
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