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贝加莱 发展迅猛的PLC控制技术(二)

--工厂自动化的网络控制技术(二)

供稿:贝加莱工业自动化(中国)有限公司 2011/9/14 9:56:00

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  • 关键词: 贝加莱 PLC 控制
  • 摘要:工厂自动化(FA)是制造技术、自动化技术、信息技术和管理技术等相互渗透和发展的产物。它是一种集管理和生产于一体的高度自动化模式。实现工厂自动化的关键,则是计算机组网技术,而现场总线无疑成了工业级网络的核心。

一、工厂目动化的网络控制系统

1.传统的集中式控制系统

  图1 所示是传统的集中式控制系统。主机通过串行通信接口进入PLC,经处理后来控制现场设备。这种控制方式不仅难以处理远距离控制问题,而且布线复杂,能耗也大。更严重的是,一旦中央控制单元出了问题,则全局都要瘫痪,所以这种方式正逐渐被智能型的分布式控制系统所取代。

图1         集中式控制系统

2. 智能型分布式控制系统

  智能型分布式控制系统是基于现场总线技术而发展起来的一种新型控制系统。如图2 所示。它主要分管理、控制及现场三个层面。其特点有以下几个部分。

图2       分层工厂自动化网络

第一,系统的可靠性程度高。

  由于采用了模块化组合结构,所以即使某个控制部分发生故障,也只局限于某个小范围,不会影响其它子站的正常工作,因此整个系统的可靠性就得到了很大的提高。此外,这种控制方式实际上形成了一种模块式的网络拓扑结构,系统的扩展和缩减便可以象积木那样操作了。当然系统的模块化还要求软件也具备模块化的特点,即增加硬件时,在不改动原有软件的基础上,在应用软件平面上添加相应的软件模块即可。

第二,集管理与现场控制于一体。

  在分布式控制系统中,控制层和现场层主要负责控制或监控决策的组织和实施,这两层物理层上主要通过现场总线(如CAN 、PROFIBUS 等)的手段来实现。管理层是整个网络的最高层次。整个系统的图文显示、管理决策制定与实施、各子系统间或与外系统的信息互换与交流以及数据库管理等职能都属于这个网络层次的范畴。这里同时又是广域网的节点。

第三,具有开放性和智能性。

  当前国际上标准的现场总线如CAN 、PROFIBUS 等的使用,可使整个系统具有对外系统很好的兼容性;另一方面,智能分布式网络系统原则上可通过任一子站,实现对整个系统的监控和维护。譬如要对远方某一子站的软件进行维护,则工程师无须亲自到该站去,只要在就近的子站进行处理或在家中通过MODEM 进行工作就可以了。当然,系统的开放性还体现在用户对系统的参与,数据库可以很方便地以某种方式将用户自己的应用软件连接到系统中去,从而使系统充分体现出用户的个性。
  
  这种分布式的系统拓扑结构实际上将智能也进行了空间上的分布,使得系统中的每一个子站既能独立地工作,又能实现和系统其它部分的交流协作。更形象地说,与集中式自动化系统相比,智能分布式的系统就象一个神经网络一样,将智能分配到了神经系统中的每一个节点或单元。所谓系统的智能性实际上就是系统具有根据获取的信息进行分析运算和判断的能力。

二、现场总线技术

1 .工业总线系统概貌

  在工业自动化领域中常常要实现设备间的数据交流或对某设备进行远程维护。这就提出了一个控制与通讯问题。工业的计算机通信通常采用所谓的总线技术。图3 列出了对常见总线系统的概括。


  由图3 可以看出,现场总线是工业总线系统中串行方式的一个分支。但它在工业自动化领域将起到越来越重要的作用。

2 .工业总线的网络结构

  要实现PC 、PLC、智能驱动设备等之间的相互连接,实际上就构成了一个计算机网络,我们通常称网络拓扑结构。其慨念是指一方面网络成员在网络中几何上的排序;另一方面与几何排序无关的逻辑排序。下面将介绍几种互为不同的几何排序方式。

  ( l )点对点连接  两个通信伙伴最简单的数据交换方式是通过一根电缆来连接。比如MODEM连接,PC 和打印机之间的连接等。这也是网络中最简单的一种。若有多个成员要通过点对点方式进行连接,则构成了一个网格化的网络,见图4 所示。

 

图4     点对点网络结构

  在这种拓扑结构中,每两个通信的成员便构成了一个点对点连接。这样对于n个成员中的每个成员有(n-1)个接口的网络,一共需(2")连接。一个结构网络的费用是可想而知的了。出错时或者一个成员或者一个通信通道退出,诊断是较为简单的。

( 2 )环形结构  环形结构(如图5)同样是利用了点对点连接,只是在这里构成了一个物理环。在环上传递的信息是由一个成员传递到下一个成员依次形成的信息传输。当然这里需要规定一个总线访问规约,以保证某一时刻只有一个成员发送信息。由于每个网络成员同时又起到了一个中继器的作用,而采用光纤传输媒介时,两个成员间的距离可达公里级,而且还可获得很高的传输速率。

图5     环形结构

  当一个成员出问题或电缆断裂时,为了不至于使整个网络瘫痪.设立冗余环而且需要有一个适当搜寻逻辑对错误进行定位并用短路环切除是完全必要的。

( 3 )星形结构  如图6 所示,星形结构是由中央站通过点对点连接和其它成员构成的。实现中央站有两种方法:一是集线器(HUB) ,它的任务只是将信号从发送站传到正确的接收站。因此集线器既可以是主动的也可以是被动的。另一种是用智能中央站。在这种情况下,中央站操纵整个网络的通信。

图6      星形结构

  由于一切通信活动要通过中央站。这就出现了一个瓶颈的问题。所以一旦中央站出现故障可导致整个网络的瘫痪。

( 4 )总线结构  如图7 所示,在这种结构中所有网络成员的通信交流是通过一条总线进行的。每一个成员是通过一较短的分接电缆接入总线的。每一个成员只需一个接口就可以和总线上的任一成员进行通信了。这也就是工业总线为什么被广泛采用的缘故。

图7     树状结构

  然而在总线上的某一时刻只能有一个成员发送信息。这就需要有一个总线访问规约。一般来说总线结构存在如下问题:因为总线上的数据交流带有任意性,在每次总线信息发布的时候所有的成员都要随听。由此随着总线成员数目的增多,发送者的压力也越大。

  由于总线的长度一般在几百米范围内,这与要传送的信号波长相比已是不可忽略的了。因此在总线两端要接终端电阻,以避免波反射现象。此终端电阻同样给发送者造成压力。所以总线结构其成员的数目是有限的,同时总线长度和传输速率成反比。

( 5 )树状结构  如图7 所示,树状结构实际上是一般总线结构的扩展。其网络覆盖面比之一般的总线结构要大。总线的基
  本数据如最多成员数,最大传输速率以及最大总线长度同一般总线结构一样。只是这些数值可由中继器提高。对于树状结构当建立一个新的树枝时使用中继器。如目前国际上应用广泛的PROFIBUS和CAN 都可以方便地通过中继器做成树状结构,给现场总线的应用带来了灵活性。

3.工业总线的通信模型

  70 年代属于联合国组织的国际标准组织(ISO)成立了一个工作小组专门制定计算机通信的标准。并于1983 年出台了一个参考模型,这就是所谓“开放系统互连(OSI)基本参考模型(Basic Reference Model for Opon Systems Interconnection ) ”。这个OSI--参考模型将通信抽象地分成了7 个层面。

  ODI--分层模型在抽象的层面上描述了伙伴过程的通信。至于每一层具体应如何配置,未作任何描述。因此当整个系统由多个厂家的成分构成时,通过定义每层的内容和确定可用接口便可创造一个开放系统。这由7 个层面构成的计算机通信模型可用附表示出。

4.工业总线的访问方式

  当我们了解了<

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