分布式PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方案的實踐與探究

常 浩

（陜西銀河電力自動化股份有限公司，陜西西安 710000）

隨著科學技術的不斷進步，生產(chǎn)過程的自動化程度也逐步提高，用于生產(chǎn)過程控制的PLC 控制系統(tǒng)也從最初單一工序的自動控制，逐步發(fā)展成為如今大、中、小不同類型的系列化產(chǎn)品。PLC 基于可靠性高和抗干擾能力強的特點，使其廣泛用于各種不同的工業(yè)控制場景。除了邏輯處理功能以外，PLC 還具備完善的、強大的數(shù)據(jù)運算能力。未來，PLC 控制系統(tǒng)將沿著開放式、網(wǎng)絡化、分布式的方向繼續(xù)發(fā)展。

文中提出了基于西門子SIMATIC S7-1200 PLC系列CPU1214C 的分布式控制系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信方案設計和實際應用案例，實現(xiàn)了小型化PLC 對中大型生產(chǎn)系統(tǒng)的過程控制，同時也是對PLC 系統(tǒng)的開放式、網(wǎng)絡化的一次有意的實踐和探索。重點介紹了在分布式PLC 控制系統(tǒng)中，位于不同機架上的同型號小型CPU 之間數(shù)據(jù)通信的方案設計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計背景

本系統(tǒng)的設計背景為榆林市供熱有限公司多熱源中繼能源站建設項目。該項目納入自控系統(tǒng)的設備有：6 kV 高壓變頻循環(huán)泵7臺、380 V 低壓變頻補水泵8臺、開關型電動閥門32臺、電磁閥3臺、各型熱表及壓力和溫度變送器數(shù)十臺，數(shù)字量和模擬量測點累積超過400個。若采用傳統(tǒng)的PLC 系統(tǒng)設計方案，可采用中大型PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)，如西門子S7-300系列，但從分布式控制系統(tǒng)的設計思路出發(fā)，經(jīng)過慎重的考慮和決策，最終本系統(tǒng)采用了基于西門子小型PLC S7-1200系列CPU1214C 的分布式控制系統(tǒng)設計方案。

1.2 系統(tǒng)設計

1.2.1 設計思路

（1）從整體方面考慮，本系統(tǒng)的設計應滿足用戶對控制系統(tǒng)各種復雜連鎖關系及保護等控制策略和系統(tǒng)的完備性、可靠性及可擴展性的全部需求；并且系統(tǒng)的設計和組成應符合分布式系統(tǒng)的控制思想。

（2）從細節(jié)方面考慮，本系統(tǒng)的設計要從受控設備著手。

①依據(jù)受控設備的測點總數(shù)，選定PLC 系統(tǒng)的機架及模塊的配置；再根據(jù)受控設備相互之間的聯(lián)鎖關系，將測點一一分配到各機架的對應模塊中。

②完成系統(tǒng)組網(wǎng)。為了保證控制系統(tǒng)通信的及時性和高可靠性，本系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲采用以太網(wǎng)通過現(xiàn)場硬接線的方式與現(xiàn)場設備相連，從而實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的“分散控制，集中管理”。

1.2.2 設計重點

1.2.2.1 測點的合理分配

依據(jù)現(xiàn)場設備的類型、數(shù)量、控制要求，統(tǒng)計實際接入本系統(tǒng)的數(shù)字量和模擬量測點超過400余個，再加之上下位通信的中間寄存器，系統(tǒng)容量遠超過單臺CPU 的負載能力。因此實際設計過程中，通過對工藝系統(tǒng)的反復研究，將400多個實際測點及其相關的中間寄存器，分配進入不同的4個CPU 機架中。測點分配的基本原則是：

（1）盡量將參與同一過程控制的相關測點，分配到同一CPU；

（2）盡量將互有聯(lián)鎖關系的測點，分配到同一CPU；

（3）盡量減少不同CPU 之間的數(shù)據(jù)通信；

（4）盡量考慮系統(tǒng)通信的及時性和可靠性，以及系統(tǒng)的完備性和可擴展性。

根據(jù)上述原則進行測點分配后，每個機架不僅滿足了系統(tǒng)設計容量的要求，還預留了相應數(shù)量的備用測點，第四個機架還有3個空余槽位，為今后系統(tǒng)的檢修維護、改造擴容留有余地。

1.2.2.2 不同機架CPU之間數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)

本系統(tǒng)不同CPU 之間數(shù)據(jù)通信，是采用基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準PROFINET 的網(wǎng)絡解決方案而實現(xiàn)。PROFINET 總線標準是由西門子公司和 PROFIBUS 用戶協(xié)會共同開發(fā)，并針對分布式智能自動化系統(tǒng)進行了優(yōu)化。PROFINET 為自動化控制系統(tǒng)提供了一套完整的網(wǎng)絡通信解決方案。

（1）系統(tǒng)組網(wǎng)。①根據(jù)實際的硬件配置，為本系統(tǒng)內(nèi)的操作員工作站、CPU 模塊、觸摸屏分配不同的IP 地址，并采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡架構的硬件搭建。②在西門子編程軟件中，完成硬件組態(tài)及端口的參數(shù)設置。

（2）數(shù)據(jù)通信程序的編制。本系統(tǒng)雖然在測點劃分過程中盡量避免CPU 之間的相互的數(shù)據(jù)通信，但實際上，控制系統(tǒng)在實現(xiàn)控制策略和聯(lián)鎖保護的過程中，不同CPU 之間很難避免相互間的數(shù)據(jù)傳遞。所以，端口通信程序的編制同樣也是為了確保控制系統(tǒng)在控制策略實現(xiàn)過程中數(shù)據(jù)通信的高可靠性和及時性。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)組態(tài)

根據(jù)系統(tǒng)設計最終確定的系統(tǒng)容量和模塊選型，在西門子全集成自動化編程軟件TIA portal 中完成硬件設備組態(tài)及相關的參數(shù)設置，并導入本地PLC 系統(tǒng)所用的IO 測點和編程過程中使用到的中間寄存器

2.2 不同CPU之間數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)緩存區(qū)的建立

在系統(tǒng)中的每一個CPU（位于不同機架）中分別創(chuàng)建4個數(shù)據(jù)緩存區(qū)，其中一個緩存區(qū)存儲本機架CPU 的變量數(shù)據(jù)，其余三個緩存區(qū)分別接受其他三臺CPU 的變量數(shù)據(jù)，如下所示（C1代表CPU1，C2代表CPU2，以此類推）：

2.2.2 數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)

編制程序將本地數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送的緩存區(qū)，并接收其他機架CPU 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)（具體實現(xiàn)程序以PLC 機架1CPU 中的程序為例）。在建立了4個數(shù)據(jù)緩存區(qū)（緩存區(qū)的大小和數(shù)據(jù)類型，因編程思路的不同而不同，具體根據(jù)實際確定）后，先將本機架CPU 的實時數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)緩存區(qū)。在程序塊中增加相應的數(shù)據(jù)轉發(fā)函數(shù)（FC 塊），并在主函數(shù)Main（OB1）中，編制數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序。

分別將模擬量測點和開關量測點實時數(shù)據(jù)全部寫入數(shù)據(jù)緩存區(qū)。

模擬量測點實時數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)緩存區(qū)程序，文中僅以其中一個模塊的一個測點為例，如圖1所示。

圖1 模擬量測點實時數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)緩存區(qū)

開關量測點實時數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)緩存區(qū)程序（文中僅以其中一個模塊的一個測點為例，如圖2所示）。

圖2 開關量測點實時數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)緩存區(qū)

使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送指令（TSEND_C）和接收指令（TRCV_C），在主函數(shù)（Main）中編程實現(xiàn)本地CPU 與目標CPU 實時數(shù)據(jù)的傳遞和接收，程序以本地CPU1與目標CPU2通信為例，如圖3所示。

圖3 本地CPU與目標CPU實時數(shù)據(jù)通信程序

這里要注意的是，本地CPU 和目標CPU 數(shù)據(jù)通信使用的TSEND_C 和TRCV_C 應該是成對出現(xiàn)的。

以此類推，系統(tǒng)中每個PLC 系統(tǒng)的程序編制時，主函數(shù)（Main）中均包含6段本地CPU 與其他3個目標CPU 之間的收發(fā)通信程序。

2.2.3 通信參數(shù)設置

在使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送指令（TSEND_C）和接收指令（TRCV_C）編制數(shù)據(jù)轉發(fā)和接收程序時，應在對應的發(fā)送指令（TSEND_C）和接收指令（TRCV_C）中進行相關的參數(shù)設置，即組態(tài)，比如伙伴CPU的選定、鏈接類型、端口設置、數(shù)據(jù)緩存區(qū)的設置等。完成指令中參數(shù)設置后，程序進行編譯和生成，CPU之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)和讀取通信，便得以實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)轉發(fā)和接收的通信建立過程中，CPU 遵循誰發(fā)送數(shù)據(jù)，誰主動和伙伴CPU 建立鏈接的原則。這是在對發(fā)送指令（TSEND_C）和接收指令（TRCV_C）中進行參數(shù)設置時，需要格外注意的。

經(jīng)過上述一系列步驟后，實現(xiàn)了位于不同機架上的CPU 之間數(shù)據(jù)通信功能。本地CPU 除了使用本地I/O 測點進行編程以外，還可以調(diào)用目標CPU 的I/O測點，以便實現(xiàn)更復雜的系統(tǒng)控制策略。

至此，基于西門子小型PLC S7-1200 系列CPU1214C 的分布式控制系統(tǒng)的難點——CPU 之間的數(shù)據(jù)通信功能的方案設計和實現(xiàn)介紹完畢。

3 結束語

本方案的成功實施，較為完美地解決了傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)設計過程中，小型PLC 的分布式控制系統(tǒng)通常僅適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，還必須附加通信模塊，而無法承擔一個超過自身負載能力的相對復雜的中大型系統(tǒng)整體控制的困境，也是分布式PLC 控制系統(tǒng)在開放式和網(wǎng)絡化方面的一次有意義的嘗試。

PLC 技術在其30 多年的發(fā)展過程中逐步壯大，因為自身的可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活等特點，深受廣大工控從業(yè)人員的喜愛，因而在工業(yè)自動化控制領域的應用范圍越來越大。近年來，隨著控制理念的不斷發(fā)展，分散控制系統(tǒng)（DCS）的不斷壯大，以及管理理念的完善（火電廠主輔一體化），PLC 逐步退出中大型控制系統(tǒng)的應用范疇。所以，為了適應時代發(fā)展和技術進步的新要求，PLC 也需在保持原有特點的基礎上，將向著網(wǎng)絡化、開放化進一步發(fā)展。