基于Q系列PLC三層網(wǎng)絡(luò)及冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

林嵐

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

基于Q系列PLC三層網(wǎng)絡(luò)及冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

林嵐

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

基于試圖設(shè)計(jì)出擁有比較完善的冗余功能的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，以便提供更加完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的。采用了實(shí)際實(shí)驗(yàn)和綜合調(diào)查的方法，結(jié)合基于Q系列PLC三層網(wǎng)絡(luò)及冗余控制系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)。基于Q系列PLC三層網(wǎng)絡(luò)及冗余控制系統(tǒng)具有很好的利用價(jià)值。當(dāng)前我國(guó)的工業(yè)化水平正在不斷地發(fā)展進(jìn)步，在的基礎(chǔ)之上建立起的控制系統(tǒng)能夠在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)化道路上更快更好地發(fā)展。

三層網(wǎng)絡(luò)；冗余控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)分析；PLC

現(xiàn)代社會(huì)中，工業(yè)控制系統(tǒng)已經(jīng)不是由單一設(shè)備實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單控制，它逐漸走向了更加完善的大型化以及復(fù)雜化，特別是與控制層網(wǎng)絡(luò)相連的已經(jīng)不是單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，而是兩個(gè)甚至更多個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)之間形成的集成化網(wǎng)絡(luò)體系。由此我們可以認(rèn)為，控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)之間的相互依賴也變得更強(qiáng)了。

1　冗余控制系統(tǒng)概述

假如在控制系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)任何網(wǎng)絡(luò)故障，都可能會(huì)造成整個(gè)通訊系統(tǒng)錯(cuò)誤，甚至可能會(huì)帶來(lái)巨大的財(cái)產(chǎn)或者人民群眾生命安全方面的損失。因此，提升控制系統(tǒng)所具備的可靠性以及安全性，設(shè)計(jì)完善的控制層網(wǎng)絡(luò)是非常有必要的。比方說(shuō)，人們?nèi)粘Ｉ钪袝?huì)接觸到的電梯控制系統(tǒng)，乃至于大型場(chǎng)合例如電力、石油化工等，都需要對(duì)控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜哂嗵幚怼?/p>

如今工業(yè)控制的系統(tǒng)規(guī)模正在不斷地?cái)U(kuò)大，需要控制人員監(jiān)視完整的生產(chǎn)流程，以此來(lái)達(dá)到協(xié)調(diào)生產(chǎn)以及控制生產(chǎn)的目標(biāo)。因此在最近這些年以來(lái)，遠(yuǎn)程控制在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了更高度的重視。想要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱最需要做的就是將控制層以及信息層共同進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，而這也就會(huì)涉及到遠(yuǎn)程控制穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，一旦在遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中出現(xiàn)任何故障，就會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控?zé)o法真實(shí)反映情況，甚至發(fā)生誤動(dòng)作導(dǎo)致事故發(fā)生。

2　在基于Q系列基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)PLC三層網(wǎng)絡(luò)

2.1集成化設(shè)計(jì)

伴隨著PLC以及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，漸漸地單層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足大部分控制系統(tǒng)的需求，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)代控制系統(tǒng)中處于上層位置的部分是主要進(jìn)行生產(chǎn)管理信息的傳送的，通信報(bào)文相對(duì)比較長(zhǎng)，傳送的信息量相對(duì)較大，不過(guò)對(duì)于通信所具備的實(shí)時(shí)性并沒(méi)有太高的要求；但是在底層則主要是過(guò)程的數(shù)據(jù)以及控制命令等，報(bào)文相對(duì)較短，通信的信息量自然也比較小，不過(guò)對(duì)信息的實(shí)時(shí)性以及可靠性有比較高的要求；中間層則處于這二者當(dāng)中。由于在不同的層面中需要實(shí)現(xiàn)的功能不同，需要承擔(dān)的責(zé)任也不同［1］。在目前的控制系統(tǒng)當(dāng)中常用的是三層網(wǎng)絡(luò)式的結(jié)構(gòu)，這也是非常實(shí)用的一種結(jié)構(gòu)，讓通信擁有高度的適應(yīng)性，同時(shí)具有擴(kuò)展性。

本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要分成3個(gè)部分，即控制機(jī)械手、控制傳送帶、控制分揀，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中我們使用CCLink來(lái)現(xiàn)場(chǎng)連接總線（CC-Link全名：Control&Communic-ationLink），由于CC-Link屬于是一種能夠廣泛地使用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)當(dāng)中，還是一種高速系統(tǒng)，連接非常簡(jiǎn)便，傳輸距離很遠(yuǎn)。本設(shè)計(jì)中低層系統(tǒng)距離遙遠(yuǎn)，多方考慮之后在低層設(shè)計(jì)中采用CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成通信［2］。

另外，系統(tǒng)控制層當(dāng)中，由于各高性能的PLC當(dāng)中需要完成比較好的數(shù)據(jù)互聯(lián)，讓不同的低層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)共享，并且保證相互之間的協(xié)調(diào)，考慮到MELSECNET/H網(wǎng)絡(luò)具有非常理想的實(shí)時(shí)性以及設(shè)置的簡(jiǎn)單性等優(yōu)勢(shì)，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中我們主要選擇MELSECNET/H。

信息層當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC系統(tǒng)以及生產(chǎn)、質(zhì)量等方面的信息傳遞，由此在本設(shè)計(jì)的信息層中我們主要使用以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行通訊，便于和Internet進(jìn)行連接，并且能夠借助它來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控企業(yè)生產(chǎn)的目的。

總的來(lái)說(shuō)在本文中在基于Q系列基礎(chǔ)之上對(duì)PLC三層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)大概結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　在基于Q系列基礎(chǔ)之上PLC三層網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)圖

2.2冗余設(shè)計(jì)

在最近這些年，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)漸漸地已經(jīng)成為了工業(yè)控制領(lǐng)域當(dāng)中非常有用的一部分，想要很好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控就必須將控制層以及信息層與網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)并實(shí)現(xiàn)通訊，而這就涉及到了安全性方面的問(wèn)題［3］，因此設(shè)計(jì)冗余是非常重要的。基于此，本設(shè)計(jì)將在原有CPU基礎(chǔ)以及電源冗余基礎(chǔ)之上，加以對(duì)H網(wǎng)以及以太網(wǎng)的模塊進(jìn)行了冗余，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2　冗余整體框架示意圖

2.3在基于Q系列進(jìn)行PLC三層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具體方式

Q系列PLC能夠提供出具有非常清晰的層次的三層網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)中選擇Q系列三層網(wǎng)絡(luò)作為本設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)，也就是設(shè)備層（CC-Link）、控制層（MELSECNET/H，即H網(wǎng)）以及信息層（以太網(wǎng)）。具體的結(jié)構(gòu)圖基本如圖3所示。

圖3Q系列基本網(wǎng)絡(luò)框架示意圖

以上設(shè)計(jì)思路基本參數(shù)設(shè)置情況如下。

設(shè)備層（CC-Link）硬件連接參數(shù)：主站號(hào)0，一號(hào)站1，占1個(gè)站位；二號(hào)站2，占1個(gè)站位。安排適當(dāng)?shù)奈恢谩魉退俣燃s為2.5 Mbp，最大的傳送距離在不考慮中繼的情況下為200米。在主站模塊當(dāng)中設(shè)置為在線模式，模式設(shè)置2，速率約為2.5 Mbp。

控制層（MELSECNET/H，即H網(wǎng)）硬件參數(shù)：從PLC開(kāi)始到PLC網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中有效站號(hào)為1～64之間，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不能使用相同的站號(hào)［4］，只要是有效站號(hào)就可以將任何站點(diǎn)作為主站點(diǎn)，設(shè)置站號(hào)不需要保證連貫，不過(guò)如果沒(méi)有站號(hào)的時(shí)候需要設(shè)置保留站。另外，在同樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中，全部模塊的模式都要將開(kāi)關(guān)設(shè)置在一樣的位置上，待網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)完全結(jié)束之后，設(shè)置成在線模式，在使用10 Mbp的時(shí)候?qū)⒛Ｊ介_(kāi)關(guān)設(shè)置成0，在使用25 Mbp的時(shí)候?qū)⒛Ｊ介_(kāi)關(guān)設(shè)置為4。

信息層（以太網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：針對(duì)以太網(wǎng)的具體參數(shù)，僅需要依靠與其相連的PLC來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置，基本上主要的設(shè)置內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)類型以及模塊的起始號(hào)、站號(hào)等，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況有所改變。

3　在基于Q系列進(jìn)行PLC控制冗余的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體方式

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)電源、CPU以及MELSECNET/H網(wǎng)進(jìn)行冗余，通過(guò)上一課題我們可以發(fā)現(xiàn)，在PLC系統(tǒng)當(dāng)中，控制層始終有一臺(tái)PLC需要和控制層不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互［5］，同時(shí)還要和信息層隨時(shí)通信，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中處于一個(gè)比較重要的位置上，因此本設(shè)計(jì)針對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先我們需要確定冗余所需的硬件，主要包括：

電源模塊為S64RP；CPU則為Q12PRHCPU以及Q25PRHCPU兩種；MELSECNET/H模塊為QJ71LP21-25以及QJ71BR11兩種；Ethernet接口為QJ71E71-100。

在PLC系統(tǒng)中的冗余結(jié)構(gòu)大致如圖4，其控制系統(tǒng)以及待機(jī)系統(tǒng)是包括硬件的組成以及軟件編寫都完全一致的系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)借助熱備電纜相互連接，保證數(shù)據(jù)能夠隨時(shí)交互，冗余系統(tǒng)的切換需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)置切換系統(tǒng)的觸發(fā)原因、切換優(yōu)先等級(jí)以及切換的具體時(shí)機(jī)等，在電源模塊或者CPU發(fā)生任何故障的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)切換，新系統(tǒng)立刻開(kāi)始運(yùn)作［6］；如果是網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)生故障，那么首先要將切換請(qǐng)求發(fā)送到控制系統(tǒng)當(dāng)中，之后才可以開(kāi)始切換（切換過(guò)程如圖5所示）。

圖4　完整的冗余系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　控制系統(tǒng)冗余基本示意圖

在冗余過(guò)程當(dāng)中，CPU以及備用系統(tǒng)的CPU均正常運(yùn)行，二者之間借助跟蹤電纜來(lái)完成數(shù)據(jù)的跟蹤，以此保證出現(xiàn)故障之后系統(tǒng)數(shù)據(jù)不會(huì)流失，控制系統(tǒng)當(dāng)中的CPU進(jìn)行正常運(yùn)算以及控制，在備用系統(tǒng)當(dāng)中的CPU則單純運(yùn)行程序不輸出數(shù)據(jù)。但是在前者出現(xiàn)了故障的情況下，備用的CPU立即切換，這種方式成本低、維護(hù)方便且高度兼容。在通訊模塊當(dāng)中，它的冗余含有H網(wǎng)的通訊冗余以及以太網(wǎng)通訊冗余，二者配置了基本一致的網(wǎng)絡(luò)模塊［7］，一旦控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，就可以讓待機(jī)系統(tǒng)保證正常工作。

另外，冗余系統(tǒng)切換的時(shí)間需要在整個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到系統(tǒng)切換具體的原因，將其作為開(kāi)始，直到新的控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，這就是冗余系統(tǒng)進(jìn)行控制最重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)，而對(duì)系統(tǒng)切換的具體時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的主要方法是：

在這個(gè)公式當(dāng)中，指無(wú)法進(jìn)行具體的信號(hào)流儲(chǔ)存熱備傳送的實(shí)際時(shí)間，為20.5毫秒，能進(jìn)行信號(hào)流儲(chǔ)存熱備傳送的實(shí)際時(shí)間則為1.5毫秒；Tαm則是MELSECNET/H以及CCLink的具體刷新時(shí)間，按照不同程序的特征會(huì)出現(xiàn)一些變化；Trc指的是按照待機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的CPU進(jìn)行熱備傳送數(shù)據(jù)所花費(fèi)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，也就是熱備傳送處理所要花費(fèi)的時(shí)間，在進(jìn)行熱備傳送的時(shí)間分析當(dāng)中已經(jīng)描述完畢。

4　結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)基于Q系列PLC三層網(wǎng)絡(luò)及冗余控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，在當(dāng)前的社會(huì)環(huán)境下，科學(xué)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展以及自動(dòng)化水平的不斷提升，在我們?nèi)粘Ｉ钜约肮ぷ鳟?dāng)中也隨處可見(jiàn)不同形式的控制系統(tǒng)，而它們是否具有可靠的安全性也得到了越來(lái)越廣泛的重視。例如在2011年，從北京出發(fā)的D307動(dòng)車組與D3115動(dòng)車組發(fā)生嚴(yán)重追尾事故，導(dǎo)致四十人身亡，一百余人受傷，造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.9億，盡管諸如此事件的發(fā)生原因當(dāng)中都含有一定的人為原因，不過(guò)從中我們也可以發(fā)現(xiàn)，安全控制系統(tǒng)往往與人民生命的安全以及國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全有非常密切的聯(lián)系，因此，對(duì)控制系統(tǒng)而言，其本身是否具有安全性和可靠性是極其重要的。如今計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)都在不斷地發(fā)展，在工業(yè)當(dāng)中安全控制系統(tǒng)也在向著更大規(guī)模以及更完善的網(wǎng)絡(luò)化前進(jìn)著，多層網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)也開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中得以應(yīng)用，冗余系統(tǒng)也正是解決系統(tǒng)本身安全性以及穩(wěn)定性的最有效辦法。

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［2］鄧富文.基于PLC控制的生活污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（23）:190.

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Based on the Q series PLC three layer network and the redundancy control system design and analysis

LIN Lan
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Based on trying to design have comparative perfect redundant functions of network control system，in order to provide more perfect experiment platform.Adopted the approach of practical experiments and comprehensive investigation，combined with three layers based on Q series PLC network and redundancy control system test.Three layers network and redundancy based on Q series PLC control system has good use value.The current our country's industrialization level is constantly progress，on the basis of establishing the control system can better and faster development in the future network roads.

three layer network；redundancy control system；design and analysis；PLC

TN99

A

1674－6236（2016）17-0125-03

2015-08-07稿件編號(hào)：201508031

林嵐（1982-），女，山東煙臺(tái)人，講師。研究方向：圖像處理。