PLC與人機(jī)界面在組網(wǎng)控制中的應(yīng)用

余俊杰 張 偉 夏 玲 孫 云 楊厚太 錢雪峰

(合肥通用機(jī)械研究院，合肥 230088)

近年來，PLC的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日益廣泛，組成更高級(jí)的集散控制系統(tǒng)甚至整個(gè)工廠的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，已成為工業(yè)現(xiàn)代化的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接和通信成為PLC的基本性能之一。OMRON PLC具有使用方便及可靠性高等特點(diǎn)，在我國(guó)工控領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。威倫觸摸屏則憑借其強(qiáng)大的功能和友好的界面，逐步贏得廣大用戶的青睞。掌握它們之間的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信方法，能有效地控制成本，并極大地提高遠(yuǎn)程監(jiān)控的便捷性，對(duì)進(jìn)一步推廣PLC和HMI的應(yīng)用，提高工廠自動(dòng)化水平具有現(xiàn)實(shí)意義。筆者以WeinVIEW 8000 HMI和OMRON CP1H PLC為例，從一屏多機(jī)和一機(jī)多屏兩條主線，再擴(kuò)展到多機(jī)多屏的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)方法。

1 一屏多機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法①

WeinVIEW MT8000 HMI的背面有兩個(gè)物理9針串口，一個(gè)為9針公頭，COM1 RS485 4W/2W，COM3 RS485 2W/RS232共用；一個(gè)為9針母頭，COM1 RS232,COM2 RS232共用。實(shí)際上這兩個(gè)物理串口包含了3組串口，通過9針頭里不同的管腳定義，可以分配出不同的串口[1]。

在只有一臺(tái)PLC且通信距離不超過15m的情況下，選擇RS-232和RS-485通信差別不大；對(duì)于多臺(tái)PLC且通信距離超過15m的情況，只能選擇RS-485通信[2]。現(xiàn)以RS-485通信為例，闡述組網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn)方法。某系統(tǒng)只有一臺(tái)HMI，要同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)PLC，即一屏多機(jī)，可以采用如圖1所示的兩種方式實(shí)現(xiàn)通信。

HMI自帶的COM1或COM3連接第一臺(tái)PLC(作為主機(jī))，與其他PLC之間通過主-從協(xié)議交換數(shù)據(jù)(圖1a)。PLC之間采取RS-485通信時(shí)，串行通信分配區(qū)域3100CH～3199CH，主站3100～3109，從站每個(gè)10通道，最大能實(shí)現(xiàn)9臺(tái)PLC之間的連接(主站1臺(tái)、從站8臺(tái))。其中兩個(gè)CP1W-CIF11間的接線方式如圖2所示。

圖1 PLC與HMI一屏多機(jī)的兩種通信方式

圖2 兩個(gè)CP1W-CIF11的接線方式

通過設(shè)定CPU單元前面的撥碼開關(guān)，選擇PLC的通信串口，選擇COM1時(shí)將SW4撥到OFF；選擇COM2時(shí)將SW5撥到OFF。

在PLC串口設(shè)置中，分別將主機(jī)和從機(jī)的通信設(shè)置為如圖3 所示的參數(shù)模式。同時(shí)，主站還要設(shè)置NT/PC鏈接最大數(shù)，即最大的從機(jī)站號(hào)；從機(jī)中要設(shè)置PC鏈接單元號(hào)，即從機(jī)站號(hào)。不同PLC從機(jī)通過在相應(yīng)的PLC串口設(shè)置不同的站號(hào)來區(qū)分通信。

圖3 PLC串口主、從機(jī)通信參數(shù)設(shè)置

HMI還可以僅用COM1或COM3通過RS-485方式分別連接到所有PLC(圖1b)，不同PLC通過在相應(yīng)的PLC串口設(shè)置不同的單元號(hào)來區(qū)分通信，在WeinVIEW HMI中的系統(tǒng)參數(shù)配置如圖4所示。PLC串口設(shè)置中，模式仍然為Host Link，不同PLC設(shè)置不同的單元號(hào)，通過RS-485通信，一臺(tái)HMI最多能連接31臺(tái)PLC。

圖4 通過單一COM和PLC通信時(shí)WeinVIEW HMI的系統(tǒng)參數(shù)配置

可以對(duì)方法二再進(jìn)行優(yōu)化，HMI COM1以RS-485方式連其中的幾臺(tái)PLC，COM3以RS-485方式連余下的幾臺(tái)PLC，同一COM port下的不同PLC通過設(shè)置不同的站號(hào)來區(qū)分通信，如圖5所示。

圖5 通過兩個(gè)COM和PLC通信時(shí)WeinVIEW HMI的系統(tǒng)參數(shù)配置

方法一直接與HMI相連的只有一臺(tái)PLC，其余PLC是利用PLC的串行通信功能，與主PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，分配區(qū)域和通信數(shù)量都有較大限制；方法二是利用HMI與PLC之間的串行通信，PLC之間的數(shù)據(jù)交換都要通過HMI傳輸，這樣對(duì)HMI的CPU要求較高，如果使用同一個(gè)COM port，有時(shí)需在等待完成對(duì)第一臺(tái)PLC的命令后，才會(huì)執(zhí)行對(duì)第二臺(tái)PLC的命令，這樣對(duì)兩臺(tái)PLC的命令會(huì)互相影響。在方法二的基礎(chǔ)上，盡量同時(shí)利用觸摸屏的多個(gè)COM port，以提高通信速率和可靠性。

2 一機(jī)多屏的實(shí)現(xiàn)方法

在一個(gè)系統(tǒng)中，多臺(tái)HMI同時(shí)監(jiān)控一臺(tái)PLC，即一屏多機(jī)，HMI可以通過串口或以太網(wǎng)連接遠(yuǎn)端HMI，并讀取遠(yuǎn)端HMI上PLC的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 通過串口實(shí)現(xiàn)一屏多機(jī)的連接

HMI對(duì)每一臺(tái)它所支持的PLC都可以支持主機(jī)-副機(jī)通信方式。所有的HMI一臺(tái)連著一臺(tái)，而第一臺(tái)與PLC連接。和PLC直接相連接的第一臺(tái)HMI為主機(jī)，所有不與PLC直接相連的為副機(jī)，它們可以通過第一臺(tái)HMI來獲得PLC數(shù)據(jù)。主機(jī)在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，要配置本機(jī)HMI和與其相連的PLC接口類型，所在位置均設(shè)為本機(jī)。副機(jī)在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，除配置本機(jī)HMI，還要配置主機(jī)HMI和與其相連的PLC，所在位置均為遠(yuǎn)端。

主機(jī)HMI在系統(tǒng)參數(shù)中要配置本機(jī)HMI和與它相連的PLC接口類型，所在位置均為本機(jī)，如圖7所示。

副機(jī)在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，除配置本機(jī)HMI，還要配置主機(jī)HMI和與其相連的PLC，所在位置均設(shè)為遠(yuǎn)端，地址均為主機(jī)HMI的IP，如圖8所示。

圖7 一屏多機(jī)主機(jī)HMI的系統(tǒng)參數(shù)配置

圖8 一屏多機(jī)副機(jī)HMI的系統(tǒng)參數(shù)配置

MT8000 WeinVIEW HMI支持以太網(wǎng)口通信，通過交換機(jī)將不同HMI連接在一起，并將IP設(shè)置到同一域下，即可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)觸摸屏之間的通信。MT6000系列及更早期的WeinVIEW還不支持以太網(wǎng)通信，可以選擇RS-485串行端口方式來實(shí)現(xiàn)[3]。

在RS-485組網(wǎng)過程中需要注意的問題是，在設(shè)備少且距離短的情況下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能很好地工作，但隨著距離的增加性能會(huì)有所降低。一般終端匹配采用終端電阻方法，RS-485應(yīng)在總線電纜的開始和末端都并接終端電阻。終端電阻在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω，相當(dāng)于電纜特性阻抗的電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線電纜特性阻抗約在100～120Ω。

3 多機(jī)多屏實(shí)現(xiàn)方法

在熟悉了一屏多機(jī)和一機(jī)多屏通信的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建多屏多機(jī)網(wǎng)絡(luò)就相對(duì)容易得多。某實(shí)驗(yàn)大樓的一、二、三層分布有許多設(shè)備，分別由3臺(tái)PLC主機(jī)進(jìn)行控制，且每層都配有一臺(tái)HMI。設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在任何一層的控制室，都能同時(shí)監(jiān)控所有設(shè)備，任何一臺(tái)HMI執(zhí)行操作后，在其他HMI上都能實(shí)時(shí)反映，這就要求構(gòu)建由PLC和HMI組成的控制網(wǎng)絡(luò)。筆者先畫出需要組成通信網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備，根據(jù)位置進(jìn)行分部排列，組成如圖9所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌蝗缓筢槍?duì)某個(gè)樓層，采用一屏多機(jī)方法，通過RS-485通信連接，使每個(gè)樓層的HMI都能對(duì)該層的3個(gè)PLC實(shí)行監(jiān)控；針對(duì)不同樓層的HMI之間，可采用一機(jī)多屏方法，通過RS-485或以太網(wǎng)通信，在HMI的系統(tǒng)參數(shù)中添加遠(yuǎn)端HMI和與之相連的PLC參數(shù)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)HMI要監(jiān)控其他樓層的PLC，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控要求。

圖9 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

當(dāng)然，對(duì)于每個(gè)案例，可以構(gòu)建多種網(wǎng)絡(luò)，都能實(shí)現(xiàn)控制要求，但大致思路大致相同，現(xiàn)總結(jié)如下：

a. 根據(jù)控制要求將所有設(shè)備作為支點(diǎn)，之間的通信作為連線，設(shè)計(jì)控制拓?fù)洌?/p>

b. 根據(jù)拓?fù)鋱D，選擇合適的通信分類方式，如哪幾臺(tái)設(shè)備可以設(shè)計(jì)為一屏多機(jī)，哪幾臺(tái)設(shè)備可以設(shè)計(jì)為一機(jī)多屏，再按照上述方法實(shí)現(xiàn)局部通信；

c. 通過以太網(wǎng)或串行通信，將局部通信歸總，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信要求。

對(duì)于實(shí)際工程案例而言，在實(shí)現(xiàn)功能的前提下，還要對(duì)操作的方便性、使用的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行評(píng)估，從而選擇最優(yōu)方案。需要注意的是，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)總線中，只能存在一個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)一定要用不同的站號(hào)來區(qū)分。另外，條件允許的情況下，盡量要以不同的COM port實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在常規(guī)PLC和HMI通信的基礎(chǔ)上，對(duì)一屏多機(jī)和一機(jī)多屏的通信連接方式做了詳細(xì)介紹，并比較不同連接方式的優(yōu)、缺點(diǎn)。然后針對(duì)多屏多機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)際工程為例，闡述網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)現(xiàn)方法，并總結(jié)常規(guī)的構(gòu)建思路和注意事項(xiàng)。這對(duì)提高工廠的自動(dòng)化水平，降低遠(yuǎn)程監(jiān)控的成本，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，都具有積極意義。