工业自动化控制系统通讯网络应用的探讨

黄志军 罗秋兰 梁志芬

【摘 要】在信息时代，通讯网络以及在社会各个领域，在各行各业得到了较为普遍的应用，在工业自动化控制系统中亦是如此。文章将就工业自动化系统中通讯网络运用的相关问题展开探讨。

【关键词】工业自动化；自动化控制系统；通讯网络

【中图分类号】TP273.5 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0107-02

在工业自动化领域，最为热门的课题之一是：如何针对不同的工业现场生产标准，按照实际的现场设备条件，设计出合理的网络结构，保证整个通讯系统在快速、实时、开放、可靠的环境中运行，确保整个系统能够以最好的状态、最高的效率运行。

1、实际速度同步控制系统的建立

由于实际的速度同步控制系统规模过于庞大，而文章字数有限，因此无法将其完全描述。所以，本文将模拟设计一种速度同步控制系统，进而在探讨实现其硬件组态和软件实现的基本构成。

1.1控制器的选择

众所周知，在工业自动化网络通讯系统中，速度同步控制系统对实时性有着较高的要求，所以在控制器的选择标准上，运算速度和缓存空间往往是核心要素。而一般的大型系统，其输入输出控制点数通常都是在几百点至上千点，对应的控制器类型为大中型。由于控制器自身必须在同一时间内承担实时的高速运算和数据通讯的任务，因此只用上位机来完成，难以实现。针对这一情况，我们可以选用PLC控制。本文主要以西门子公司的$7-300系列PLC的探讨对象，其具体型号为31 5—2DP。该控制系统最重要性能指标如下：

（1）RAM：

集成128 KB、可扩展、装入存贮器插有MMC（最大8MB）

（2）地址区I/O：

数字通道：最大16384个（本地分布最大1024个）

模拟通道：最大1024个（本地分布最大256个）

（3）接口：

第l接口：集成的RS485（接口电源15-30VDC，最大200mA）功能：MPI，连接数量16，187.5 Kbps

第2接口：集成的RS485接口（接口电源15-30VDC，最大200mA）功能（主站、从站）：Profibus—DP，连接数量16最大传输率12Mbps每个站的DP从站数125地址区域最大244个字节。

1.2控制系统通讯网络的选择

生产现场通常都是由多台交流变频器对电机进行控制的，这就意味着，选择必须有一种用于针对变频器和电机构成的速度闭环系统与控制器之间的通讯，也就是我们通常所说的现场级与监控级之间的通讯。

该层网络具有自己的独特性，但往往对通讯网络的要求极高：需要通讯稳定可靠，且传输速度快横向扩展性好。那么，我们以选择的PLC为例，就可选择Profibus—DP现场总线，与变频器智能从站构成现场级通讯网络。控制级网络其实是一种上层控制网络，其主要用于上层管理，这就决定了该系统需要具备与下层网络控制器有很好的耦合性，同时需要具备较强的横向、纵向扩展能力，最为重要的是其对传输速度的要求也较高。

因此，我们可以选择这两种控制级网络：一种是MPI网络，此类网络主要是针对西门子公司的Profibus通讯设计的，315-2DP的特质就决定了其能够让上下层网络之间实现较为稳定而顺畅的配合；另一种是具有很强普适性的Industrial Ethernet，该网络一方面具备了较强的横向、纵向扩展性，能够让系统的功能和容量及速度大大增加，另一方面也是当前上层管理网络的普遍选择之一。

1.2. 1现场级现场总线Profibus

现场层的高速数据传送，主要是借助PROFIBUS—DP。一般而言，主站周期地读取从站的输入信息，同时也根据相应的周期规律，向从站发送输出信息。当然，必须强调的一点是：总线循环时间一定要比主站（PLC）程序循环时间短。而且，除了传输周期性用户数据外，Profibus—DP还能够提供智能化现场设备，所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

（1）传输技术：RS一485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。

（2）总线存取：一般来说，其主要的存取方式为：各主站间通过令牌传递，主站与从站间采取主一从传送的方式。这种方式通常都支持单主或多主系统，而总线上最多站点（主一从设备）数通常为126。

（3）通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。基本的模式为：循环主---从用户数据传送和非循环主---主数据传送。

（4）运行模式：运行、清除、停止。

（5）同步：主要是指：控制指令允许输入和输出同步，即同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。

（6）功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。主要功能包括：DP从站组态强大的诊断功能，具备三级诊断信息的效果；输入或输出的同步；利用总线对DP主站（DPMl）进行配置；通利用总线给DP从站赋予地址；每个DP从站的输入和输出数据最大为246字节。

（7）可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。

2、系统抗干扰研究

尽管在专业的控制装置作用下，自动化控制通讯系统在工业生产环境中，受到的干扰并不大。因为，在整个设计的过程中一般会采用多层次抗T扰和精选元件措施，能够让通讯系统在恶劣的工业环境中，保持其运行的稳定性和可靠性。

不过，因为通讯系统一般直接和现场的I/0设备相连，这也就意味着有很多的外来干扰，能够轻易的通过电源线或I/o传输线侵入，最终导致控制系统的误动作。而随着应用环境越来越复杂，系统受到来自内外的干扰也越来越多。

因此，为了确保工业自动化系统中的通讯网络能够正常运转，就需要研究人员和操作人员在实际的工作中，认真研究控制系统抗干扰信号的来源、成因及其抑制措施，全面提高控制系统的抗干扰能力，才能保证及可靠性具有重要的意义。

事实上，在实际的生产环境下，外部干扰不是固定的，而是随机的，主要决定因素并非其系统结构，更为重要的是其干扰源是无法消除的，只能是最大限度的加以限制；而内部干扰则相反，其主要是和系统结构有关，往往是由于系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起的。因此，要提高控制系统的可靠性，就要从多方面提高系统的抗干扰能力。

2.1硬件抗干扰的措施

2.1.1抗电源干扰

从相关数据来看，电源波动造成的电压畸变或毛刺，有 70%是从电源耦合进来的。为了解决这一问题，可以采用下列几种抗干扰方法：

（1）分离供电系统

动力电源回路中的断路器、接触器闭合、断开时，都会产生冲击电流或产生电弧，此时就会对信号产生干扰，那么解决这一问题，可以把系统的动力电源和控制电源分成两路，即动力电源由普通三相380V交流电源供应；控制电源由UPS电源供应。

（2）使用隔离变压器

因为电源变压器是电源部分的主要元件，因此，为了更好的减少电网中的干扰，通常选择变压器容量应比实际需要大1.2～1.5倍左右的隔离变压器。同时，在实际的使用过程中，需要确保变压器的屏蔽层良好接地，同时次级线圈连接线一定要使用双绞线，这样才能更有效的减少电源线间干扰。

2.1.2接地

接地是系统结构、设备组装、以及现场安装的重要环节。一般来说，接地主要是为了实现以下两个目标，即预防触电和为设备、系统提供基准电位，增强抗干扰能力。前者一般称为安全接地，后者则称为功能性接地。

尽管PLC本身的抗干扰能力很强，但是在实际的运用过程中，还是会产生不少的干扰。尤其是在电源干扰严重的情况下，受干扰情况更为突出。因此，一般都要把PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，以便抑制来自电源线来的干扰，一般的作法是加接一个带屏蔽层的隔离变压器，这样能够有效的减少设备与地之间的干扰，进而提高系统的可靠性。

当然，假如一个系统中含有扩展单元，那么就需要让电源与基本单元共用一个开关控制，即让它们的上电与断电同时开始。事实证明，良好的接地确保PLC安全可靠运行的重要条件。那么为了更好的减少附加在电源及输入端、输出端的干扰，就，假如条件不允许，那就采用公共接地方式。

2.1.3合理布线

在抗干扰措施中，合理布线是重要的途径。因此，在布线的过程中，应该尽可能的根据实际的需要，采用有效的布线方式，包括对导线的类型、线径的粗细、走线的方式等方面的合理控制。

（1）电缆选择

必须要严格根据回路的特点，选择最恰当的电缆和铺设方法，以便能够达到不用或少用特殊的、格昂贵的电缆就能到达的效果。基本原则就是：以经济和效果为前提，兼顾实施方便而尽量减少电缆品种。

（2）电缆铺设

合理的铺设电缆，能够大大的减少电磁干扰。由于动力电缆为高压大电流线路，因此当信号线靠近时就必然会产生干扰，那么，在布线时就需要尽可能的将动力电缆、信号线以及通信线分开走线。此外，需要保证在控制柜外部布线时，把通信电缆、控制电缆、动力电缆、输入/输出线分开单独布线，而且一定要按照相关的要求，确保他们之间的距离在合理范围内。

2.2软件抗干扰措施

由于硬件抗干扰存在随机性，尤其是在现代工业环境中，硬件干扰很难排除或者是杜绝，因此，就需要充分发挥软件的灵活性，全面的提高系统抗干扰能力。

（1）通过“看门狗”，对系统的运动状态进行监控

由于PLC内部的软元件丰富，因此，抓住这一特点可以设计一些程序，有效的屏蔽输入元件的误信号，进而能够有效的避免输出元件的误动作。那么在设计应用程序时，就可以充分发挥“看门狗”对系统各组成部分运行状态的监控。举例来说，如果需要PLC控制某一运动部件时，就可以在编程时定义一个定时器作“看门狗”用，以完成对运动部件的工作状态的全程重点监视。关于定时器的设定值，可以借鉴为运动部件所需要最大时间。在发出该部件的动作指令后，同时启动“看门狗”定时器。

（2）消抖

在现代工作环境中，振动是不可避免的。而在振动环境中，行程开关或按钮往往会因为抖动而发出误信号。要解决这一问题，就需要根据抖动时间的长短采取相应的抗干扰措施，如大部分抖动时间都很短，那么就可以用PLC内部计时器经过一定时间的延时，这一就能够得到消除抖动后的可靠有效信号，最终实现有效的抗干扰。

（3）提高输入信号的信噪比

提高输入信号的信噪比，也是抗干扰的有效途径。通常会选择软件数字滤波，来确保有用信号的真实性。

当然，这一方法也要根据实际条件进行处理。如果是有大幅度随机干扰的系统，那么就需要正确的采用程序限幅法，也就是连续采样五次，如果出现其中一次采样值，远远大于其它几次采样的幅值，就将其去掉；如果是流量、压力、液面、位移等参数，通常就会在一定范围内频繁波动，那么，此时最合适的方法就是算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。

3、结束语

总而言之，在现代工业自动化控制系统中，通讯网络是否能够正常的使用，使用的过程是否稳定顺畅，决定了该系统运行的效率。因此，就需要科研人员和操作人员，从各自的工作出发，研究出实用有效的通讯系统，并制定有效的抗干扰措施。

参考文献：

[1]冯冬芹，黄文君等.工业通讯网络与系统集成[M].北京：科学出版社，

2005.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]刘泽祥.现场总线技术[M].北京：机械工业出版社，2010.