工業自動化控制系統通訊網絡應用的探討

黃志軍 羅秋蘭 梁志芬

【摘 要】在信息時代，通訊網絡以及在社會各個領域，在各行各業得到了較為普遍的應用，在工業自動化控制系統中亦是如此。文章將就工業自動化系統中通訊網絡運用的相關問題展開探討。

【關鍵詞】工業自動化；自動化控制系統；通訊網絡

【中圖分類號】TP273.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0107-02

在工業自動化領域，最為熱門的課題之一是：如何針對不同的工業現場生產標準，按照實際的現場設備條件，設計出合理的網絡結構，保證整個通訊系統在快速、實時、開放、可靠的環境中運行，確保整個系統能夠以最好的狀態、最高的效率運行。

1、實際速度同步控制系統的建立

由于實際的速度同步控制系統規模過于龐大，而文章字數有限，因此無法將其完全描述。所以，本文將模擬設計一種速度同步控制系統，進而在探討實現其硬件組態和軟件實現的基本構成。

1.1控制器的選擇

眾所周知，在工業自動化網絡通訊系統中，速度同步控制系統對實時性有著較高的要求，所以在控制器的選擇標準上，運算速度和緩存空間往往是核心要素。而一般的大型系統，其輸入輸出控制點數通常都是在幾百點至上千點，對應的控制器類型為大中型。由于控制器自身必須在同一時間內承擔實時的高速運算和數據通訊的任務，因此只用上位機來完成，難以實現。針對這一情況，我們可以選用PLC控制。本文主要以西門子公司的$7-300系列PLC的探討對象，其具體型號為31 5—2DP。該控制系統最重要性能指標如下：

（1）RAM：

集成128 KB、可擴展、裝入存貯器插有MMC（最大8MB）

（2）地址區I/O：

數字通道：最大16384個（本地分布最大1024個）

模擬通道：最大1024個（本地分布最大256個）

（3）接口：

第l接口：集成的RS485（接口電源15-30VDC，最大200mA）功能：MPI，連接數量16，187.5 Kbps

第2接口：集成的RS485接口（接口電源15-30VDC，最大200mA）功能（主站、從站）：Profibus—DP，連接數量16最大傳輸率12Mbps每個站的DP從站數125地址區域最大244個字節。

1.2控制系統通訊網絡的選擇

生產現場通常都是由多臺交流變頻器對電機進行控制的，這就意味著，選擇必須有一種用于針對變頻器和電機構成的速度閉環系統與控制器之間的通訊，也就是我們通常所說的現場級與監控級之間的通訊。

該層網絡具有自己的獨特性，但往往對通訊網絡的要求極高：需要通訊穩定可靠，且傳輸速度快橫向擴展性好。那么，我們以選擇的PLC為例，就可選擇Profibus—DP現場總線，與變頻器智能從站構成現場級通訊網絡。控制級網絡其實是一種上層控制網絡，其主要用于上層管理，這就決定了該系統需要具備與下層網絡控制器有很好的耦合性，同時需要具備較強的橫向、縱向擴展能力，最為重要的是其對傳輸速度的要求也較高。

因此，我們可以選擇這兩種控制級網絡：一種是MPI網絡，此類網絡主要是針對西門子公司的Profibus通訊設計的，315-2DP的特質就決定了其能夠讓上下層網絡之間實現較為穩定而順暢的配合；另一種是具有很強普適性的Industrial Ethernet，該網絡一方面具備了較強的橫向、縱向擴展性，能夠讓系統的功能和容量及速度大大增加，另一方面也是當前上層管理網絡的普遍選擇之一。

1.2. 1現場級現場總線Profibus

現場層的高速數據傳送，主要是借助PROFIBUS—DP。一般而言，主站周期地讀取從站的輸入信息，同時也根據相應的周期規律，向從站發送輸出信息。當然，必須強調的一點是：總線循環時間一定要比主站（PLC）程序循環時間短。而且，除了傳輸周期性用戶數據外，Profibus—DP還能夠提供智能化現場設備，所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。

（1）傳輸技術：RS一485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。

（2）總線存取：一般來說，其主要的存取方式為：各主站間通過令牌傳遞，主站與從站間采取主一從傳送的方式。這種方式通常都支持單主或多主系統，而總線上最多站點（主一從設備）數通常為126。

（3）通信：點對點（用戶數據傳送）或廣播（控制指令）。基本的模式為：循環主---從用戶數據傳送和非循環主---主數據傳送。

（4）運行模式：運行、清除、停止。

（5）同步：主要是指：控制指令允許輸入和輸出同步，即同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。

（6）功能：DP主站和DP從站間的循環用戶數據傳送。主要功能包括：DP從站組態強大的診斷功能，具備三級診斷信息的效果；輸入或輸出的同步；利用總線對DP主站（DPMl）進行配置；通利用總線給DP從站賦予地址；每個DP從站的輸入和輸出數據最大為246字節。

（7）可靠性和保護機制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。DP從站帶看門狗定時器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監視。

2、系統抗干擾研究

盡管在專業的控制裝置作用下，自動化控制通訊系統在工業生產環境中，受到的干擾并不大。因為，在整個設計的過程中一般會采用多層次抗T擾和精選元件措施，能夠讓通訊系統在惡劣的工業環境中，保持其運行的穩定性和可靠性。

不過，因為通訊系統一般直接和現場的I/0設備相連，這也就意味著有很多的外來干擾，能夠輕易的通過電源線或I/o傳輸線侵入，最終導致控制系統的誤動作。而隨著應用環境越來越復雜，系統受到來自內外的干擾也越來越多。

因此，為了確保工業自動化系統中的通訊網絡能夠正常運轉，就需要研究人員和操作人員在實際的工作中，認真研究控制系統抗干擾信號的來源、成因及其抑制措施，全面提高控制系統的抗干擾能力，才能保證及可靠性具有重要的意義。

事實上，在實際的生產環境下，外部干擾不是固定的，而是隨機的，主要決定因素并非其系統結構，更為重要的是其干擾源是無法消除的，只能是最大限度的加以限制；而內部干擾則相反，其主要是和系統結構有關，往往是由于系統內交流主電路，模擬量輸入信號等引起的。因此，要提高控制系統的可靠性，就要從多方面提高系統的抗干擾能力。

2.1硬件抗干擾的措施

2.1.1抗電源干擾

從相關數據來看，電源波動造成的電壓畸變或毛刺，有 70%是從電源耦合進來的。為了解決這一問題，可以采用下列幾種抗干擾方法：

（1）分離供電系統

動力電源回路中的斷路器、接觸器閉合、斷開時，都會產生沖擊電流或產生電弧，此時就會對信號產生干擾，那么解決這一問題，可以把系統的動力電源和控制電源分成兩路，即動力電源由普通三相380V交流電源供應；控制電源由UPS電源供應。

（2）使用隔離變壓器

因為電源變壓器是電源部分的主要元件，因此，為了更好的減少電網中的干擾，通常選擇變壓器容量應比實際需要大1.2～1.5倍左右的隔離變壓器。同時，在實際的使用過程中，需要確保變壓器的屏蔽層良好接地，同時次級線圈連接線一定要使用雙絞線，這樣才能更有效的減少電源線間干擾。

2.1.2接地

接地是系統結構、設備組裝、以及現場安裝的重要環節。一般來說，接地主要是為了實現以下兩個目標，即預防觸電和為設備、系統提供基準電位，增強抗干擾能力。前者一般稱為安全接地，后者則稱為功能性接地。

盡管PLC本身的抗干擾能力很強，但是在實際的運用過程中，還是會產生不少的干擾。尤其是在電源干擾嚴重的情況下，受干擾情況更為突出。因此，一般都要把PLC的電源與系統的動力設備電源分開配線，以便抑制來自電源線來的干擾，一般的作法是加接一個帶屏蔽層的隔離變壓器，這樣能夠有效的減少設備與地之間的干擾，進而提高系統的可靠性。

當然，假如一個系統中含有擴展單元，那么就需要讓電源與基本單元共用一個開關控制，即讓它們的上電與斷電同時開始。事實證明，良好的接地確保PLC安全可靠運行的重要條件。那么為了更好的減少附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，就，假如條件不允許，那就采用公共接地方式。

2.1.3合理布線

在抗干擾措施中，合理布線是重要的途徑。因此，在布線的過程中，應該盡可能的根據實際的需要，采用有效的布線方式，包括對導線的類型、線徑的粗細、走線的方式等方面的合理控制。

（1）電纜選擇

必須要嚴格根據回路的特點，選擇最恰當的電纜和鋪設方法，以便能夠達到不用或少用特殊的、格昂貴的電纜就能到達的效果。基本原則就是：以經濟和效果為前提，兼顧實施方便而盡量減少電纜品種。

（2）電纜鋪設

合理的鋪設電纜，能夠大大的減少電磁干擾。由于動力電纜為高壓大電流線路，因此當信號線靠近時就必然會產生干擾，那么，在布線時就需要盡可能的將動力電纜、信號線以及通信線分開走線。此外，需要保證在控制柜外部布線時，把通信電纜、控制電纜、動力電纜、輸入/輸出線分開單獨布線，而且一定要按照相關的要求，確保他們之間的距離在合理范圍內。

2.2軟件抗干擾措施

由于硬件抗干擾存在隨機性，尤其是在現代工業環境中，硬件干擾很難排除或者是杜絕，因此，就需要充分發揮軟件的靈活性，全面的提高系統抗干擾能力。

（1）通過“看門狗”，對系統的運動狀態進行監控

由于PLC內部的軟元件豐富，因此，抓住這一特點可以設計一些程序，有效的屏蔽輸入元件的誤信號，進而能夠有效的避免輸出元件的誤動作。那么在設計應用程序時，就可以充分發揮“看門狗”對系統各組成部分運行狀態的監控。舉例來說，如果需要PLC控制某一運動部件時，就可以在編程時定義一個定時器作“看門狗”用，以完成對運動部件的工作狀態的全程重點監視。關于定時器的設定值，可以借鑒為運動部件所需要最大時間。在發出該部件的動作指令后，同時啟動“看門狗”定時器。

（2）消抖

在現代工作環境中，振動是不可避免的。而在振動環境中，行程開關或按鈕往往會因為抖動而發出誤信號。要解決這一問題，就需要根據抖動時間的長短采取相應的抗干擾措施，如大部分抖動時間都很短，那么就可以用PLC內部計時器經過一定時間的延時，這一就能夠得到消除抖動后的可靠有效信號，最終實現有效的抗干擾。

（3）提高輸入信號的信噪比

提高輸入信號的信噪比，也是抗干擾的有效途徑。通常會選擇軟件數字濾波，來確保有用信號的真實性。

當然，這一方法也要根據實際條件進行處理。如果是有大幅度隨機干擾的系統，那么就需要正確的采用程序限幅法，也就是連續采樣五次，如果出現其中一次采樣值，遠遠大于其它幾次采樣的幅值，就將其去掉；如果是流量、壓力、液面、位移等參數，通常就會在一定范圍內頻繁波動，那么，此時最合適的方法就是算術平均法。即用n次采樣的平均值來代替當前值。

3、結束語

總而言之，在現代工業自動化控制系統中，通訊網絡是否能夠正常的使用，使用的過程是否穩定順暢，決定了該系統運行的效率。因此，就需要科研人員和操作人員，從各自的工作出發，研究出實用有效的通訊系統，并制定有效的抗干擾措施。

參考文獻：

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