基于多總線的PLC通信架構研究與設計

伍儒彬（北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京 102206）

基于多總線的PLC通信架構研究與設計

伍儒彬（北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京 102206）

本文通過對現有PLC通信總線的架構和協議進行分析和總結，提出多總線架構的通信方案，包括低速總線、高速總線以及融合節點的設計和相應的示意圖。

PLC；多總線；通信協議

1 引言

隨著“工業4.0”、“物聯網”、“互聯網＋”、“智能制造”等概念的提出和相關國家層面政策的出臺和前景探索，可編程邏輯控制器（PLC，Program Logic Controler）從過程自動化控制領域慢慢向自動化全領域延伸，同時，隨著軟PLC技術類產品的品種增加和成本下降，PLC或類PLC產品在信息化、智能化領域，無論是民用場合還是工業現場都有著廣泛的應用案例和市場前景。本文將重點研究當前PLC通信總線及其架構實現的方式，并提出基于多總線思想的PLC通信架構設計和相關分析。

自2004年黃延延等[1]提出軟PLC技術后，隨著單片機技術的不斷發展和成熟，多總線技術既有應用市場，也是發展過程中的一個研究熱點和研究方向之一。為解決實際應用，出現了文獻[2]的基于CAN總線的PLC網絡通信方案研究，該方案的實質是增加一個CAN轉換RS232的節點轉換器來掛載PLC模塊，實質是缺乏多總線而進行的一種補充；為解決PLC編程方面的便利，文獻[3]給出解決方案，文獻[4]中也提到了雙總線和多總線的好處，因此，多總線的PLC通信結構有一定的發展前景和應用需求。

2 PLC通信總線現狀

PLC產品的通信總線由PLC的產品形態和應用場景決定的，因此，在了解通信總線現狀之前，對PLC產品的現狀作簡要概述，具體參考表1。

表1 PLC產品概況簡表

通過表1可知，PLC產品的廠家眾多，國內外廠商根據用戶需求的不同，不約而同的將PLC產品分為大型、中型、小型，無論何種類型的PLC，總體歸納起來，PLC產品應具備如下特性：

（1）穩定性。在實現產品具有的功能（如采集、控制、計數、存儲）外，穩定性是用戶最為關心的，因為工業實際應用中，特別是過程自動化控制領域，穩定性是十分重要的指標和核心要素之一。

（2）可擴展性。可擴展性是指產品可以按照現場的應用需求進行增加和減少，對應一些應用場合，一期工程需要的功能已實現，可能在二期的時候需要進行進一步的擴展和增加，這時，需要在不進行大變動的前提下進行改造和補充。

（3）開放性。開放性一般是指對第三方廠家產品（一般是指對公開協議或者行業內認可的通信協議）的支持程度，比如對一定總線下的標準協議支持，如MODBUS主從站通信協議，CANopen協議等等。支持的協議數量越多則代表開放性越好，反之，則是開放性越差。

（4）冗余度。冗余是工業實際應用中為保證數據、信息、命令等可以順利上傳、下載、監控、執行等實現的一種技術手段和實現方法，其核心和關鍵為當一條鏈路或總線失效后，如何安全有效地切換到備份鏈路上同時安全、完整、有效地繼續執行當前任務。

（5）易操作。友好的界面操作和符合常規人類思維的執行方式，是產品軟實力的體現和被業界承認的重要標準之一。

（6）安全性。PLC產品的安全性體現在核心和關鍵數據傳輸時可否加密上，更重要的是，產品的在受到入侵以后能否進行必要的自我保護和對外發出警告；這一性能指標往往與開放性是相矛盾的，因此，該項性能的提升往往意味著客制化定制和開放性降低。

（7）實時性。是指在一定的時間內保證某一任務或某一動作可以執行或者完成等，如10ms周期內反饋開關量狀態。響應時間越小，實時性指標越好，同時響應的點數或任務數越多，實時性功能越強。

（8）指令體系。指令體系一般是指對各種標準或體系下的語言、圖形的支持與否；如IEC61131-3體系下的梯形圖、功能塊等；或者是對某些公用的大廠商，如西門子的指令體系進行支持或部分支持。當前，多數廠家都支持一些業界公認的指令體系，如IEC61131-3。

通過對PLC產品的現狀研究和產品特性分析，PLC產品常用的且得到大家公認的通信總線現狀可總結如表2所示。

表2 常用工業通信總線現狀

表2中，FF總線目前在國內的應用主要限于儀表類產品進行適用，是基于數據流總線來進行的，很少有廠家采用該總線作為PLC產品的通信總線使用；而PROFIBUS總線分為三類，有2類屬于數據流總線（PROFIBUS-FMS/PA），而PROFIBUS-DP則屬于字節類型總線；CAN總線在汽車類產品使用較多，有較好的靈活性，可根據不同的速率決定通信距離，一般應用上來使用按位總線類型進行處理；RS485總線使用的極為廣泛，工業現場的許多設備都采用該總線作為通信接口，現場維護方便，業內知名度高，主要應用于位總線類型；以太網技術已經深入到各個場合，工業設備特別是控制類型設備的必備總線，其帶來的革命性速度和技術的不斷發展，以太網總線的特點適合應用數據流總線。

談到通信總線的架構總是離不開相關通信協議的，以下簡單對常用工業通信協議進行總結和分析，參考表3。

表3 常用工業通信協議

根據上文的分析和總結，作為最常用的MODBUS協議是工業類產品最常見的也是實現起來最簡單的一類，而基于CAN總線的CANopen協議和PROFIBUS協議則是需要花費一定時間以及一定人力進行實現；而代表著未來發展方向則是POWERLINK協議和以太網協議；另外，不可忽視的是為保證安全性，各企業對產品進行自我保護的私有通信協議也是未來發展的一部分分支。

3 多總線PLC通信架構的可行性

CANopen協議和PROFIBUS協議均有相應的機構或者標準進行保證，所以不需要做過多的分析，而POWERLINK協議則是新成長起來的協議，本文亦不作過多的分析。

（1） 多總線通信架構的協議技術可行性分析

從技術上看，本文所列出的總線，均是成熟的、經過驗證可行的總線（或現場總線）架構，在技術實現上無太多難點，現將相關實現要點作簡要說明：

①MODBUS協議，工業類的通信總線，基本上都可以支持該協議，實現難度低，普及程度高。

②以太網協議，現有的居多工業類操作系統都包含以太網通信協議棧，實現起來方便快捷，更多的工作主要體現在裁剪和應用層修改上。

③私有協議，為保證安全性，需要根據客戶需求或者產品特點進行；工作量和實現難度取決于協議覆蓋面、通信效率、協議糾錯能力以及響應時間等特征來進行判斷，一般來說，都是基于某一標準協議進行打包或者修改完成，如基于CAN總線的CANopen私有通信協議。這樣便可以大幅度減少工作量，同時又保證了協議的質量。

（2） 多總線通信架構的硬件成本簡要分析

多總線帶來的好處顯而易見，但其帶來成本的上升也要做考量，以下對成本作簡要分析。

①以太網總線，須有以太網芯片或者以太網交換芯片和以太網控制器組成，成本大約在100～200之間可實現該功能，并具備一定的接口保護能力。

②CAN總線，CAN控制器和CAN接口通信芯片，價格大約在40～70之間可以實現。

③RS485總線，485控制器和485接口通信芯片，價格大約在30～50之間可以實現。

綜上所述，多總線的PLC通信架構在技術實現上沒有障礙，成本價格上會有適當的增加，因為其支持的總線類型至少是兩種或以上，成本增加是可以理解和接受的。

4 多總線PLC通信架構的設計

根據前文所述的特點及可行性分析，本文關于多總線通信架構的設計分為3部分，即低速總線設計、高速總線設計、高低速總線的節點融合設計。

（1） 低速總線設計

圖1 低速總線示意圖

如圖1所示，低速總線主要包含CAN總線和RS485總線，即任何一個PLC模塊都包含CAN總線RS485總線，若考慮冗余性能，可將每個模塊都包含雙CAN總線和雙RS485總線。

（2） 高速總線設計

圖2 高速總線示意圖

如圖2所示，高速總線采用以太網進行實現，主要根據不同的需求設計成兩種，即由交換芯片和處理器組成的以太網級聯通信架構方案，該方案由交換通信芯片和通信控制處理器組成實現；而雙以太網通信方案，則由兩個以太網芯片分別連接通信控制處理器組成實現。兩方案最大的不同在于通信處理器的要求不一樣，一般雙以太網通信方案的芯片要求要高于級聯的方案。

（3） 融合節點設計

高速總線與低速總線在數據交換時會存在一個節點或者說容器進行轉換，這個節點需要進行響應的指標計算以及高速總線與低速總線數據交換流程的設計。

①基于串行結構的融合節點設計

圖3 串行結構融合節點連接示意圖

圖4 串行結構融合節點掛載PLC模塊示意圖

基于串行結構的融合節點需要支持3條總線，即支持級聯的以太網總線、RS485總線、CAN總線，并且應具備一定的存儲空間和運算能力，同時，需要對低速總線上掛載的PLC模塊進行控制和數據上傳、下載、命令執行等。其結構如圖3所示，融合節點與PLC模塊之間通信如圖4所示。

②基于并行結構的融合節點設計

圖5 并行結構融合節點連接示意圖

圖6 并行結構融合節點掛載PLC模塊示意圖

并行結構的融合節點，也需要支持3條通信總線，即支持級聯的以太網通信總線、CAN總線、RS485總線，其中支持級聯的以太網總線可以是單總線，也可以是雙總線，若是雙總線則可以將另一總線用著備份，使其局部具備冗余特性。其結構如圖5所示，融合節點與PLC模塊之間通信如圖6所示。

③基于混合結構的融合節點設計

圖7 混合結構融合節點連接示意圖

圖8 混合結構融合節點掛載PLC模塊示意圖

混合結構是串行結構和并行結構的組合實現的，因此，包含的3類總線與上面一致，同時，要求其以太網總線必須是雙總線，一條以太網總線實現對上數據傳輸，另一條總線則用于串行結構的數據進行通信和傳輸，其結構和連接分別如圖7、圖8所示。

5 結語

本文對PLC多總線通信結構設計進行了研究和探討，并提出了適應PLC總線研究及其實際需要的總線架構和方案，該方案具備一定的開放性、通用性并為冗余性預留可行性空間，其實用性和價值有待未來繼續驗證和證明。

[1] 黃延延, 林躍, 于海斌. 軟PLC技術研究及實現[J]. 計算機工程, 2004, 30(1) : 165 - 167.

[2] 薛青娜. 基于CAN總線的多PLC網絡通信方案研究[J]. 微處理機, 2012, 33(1) : 27 - 30.

[3] 任偉, 蔡啟仲. PLC編程器核心模塊設計[J]. 計算機系統應用, 2010, 19(4) : 219 - 223.

[4] 高驥超, 吳旖, 舒云. 基于PROFIBUS總線通信的船舶配電設備監控系統設計[J]. 船電技術, 2010, 30(9) : 16 - 19.

Research and Design of PLC Communication Architecture Based on Multibus

This paper analyzes and summarizes the existing PLC bus architectures and communication protocols. We present a new communication scheme in the multibus architecture, including the design of low speed bus, high speed bus and fusion node, and the corresponding schematic diagram as well.

PLC; Multibus; Communication protocol

伍儒彬（1982-），男 ，湖北武穴人， 工程師， 碩士研究生，研究方向為嵌入式系統及應用。

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1003-0492(2016)12-0078-04

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