PLC控制系统中的网络应用

　　一、引言

　　随着计算机技术的飞速发展，计算机应用的迅速推广，网络技术已经逐步深入计算机PLC控制系统领域，在PLC控制系统的开发中占有越来越重要的地位。所谓PLC就是可编程控制器。网络从应用角度来看，就是以相互共享资源方式将各自具备独立功能的计算机或终端连接起来。在PLC控制系统中，传统式的资源共享只能通过使用遵循诸如MODBUS，MODBUS　PLUS，GENIUS这样的通讯协议的专用通讯模块来实现。可连接的设备受通讯模块的数量及模块上的通道数量所制约，对于现在越来越复杂的控制系统已经不能完全满足要求。网络在PLC控制系统中的应用极大地改善了这方面的不足。通过网络可对受控对象进行多点监视和控制。其优点监控距离远，易扩展，使控制系统更具有灵活性。

　　二、PLC控制系统中网络系统的组成

　　控制系统中的网络系统是由网络软件和网络硬件组成的。在网络系统中，硬件对网络的选择起着决定的作用；而网络软件则是挖掘网络潜力的工具。

　　1.网络软件

　　在网络组成的PLC控制系统中，每个监控节点都可由PLC进行监视和直接控制。因此，软件要能实现对用户进行分级限制。没有权限的用户禁止对重要数据进行修改或对回路等控制信号输出，并且软件要具备操作记录功能，对每个节点的动作进行后台记录，以便对因误操作或不应有操作造成的后果进行分析。

　　由于现在的PLC种类很多，而且大部分都支持网络功能，但不同PLC所遵循的网络协议有很大差异，因此，要求软件应具有各类PLC的网络驱动程序。

　　网络协议是网络软件的组成部分，网络协议取决于所用PLC的类型以及PLC所采用的网络模块的类型。总之，通讯必须具有相应PLC设备的网络驱动程序，并安装此网络软件。

　　2.网络硬件

　　网络硬件是网络系统的物质基础。构成一个控制系统网络，首选要有PLC控制器，监控工作站及其它设备连接起来，实现物理连接。不同的PLC控制系统，在硬件方面是有差别的。因此，网络硬件更是多种多样。在这里只简单的将硬件分为两部分，即PLC控制部分（这里称“下位机”）和计算机监控部分（这里称“上位机”）。

　　在PLC计算机控制系统中，上位机和下位机是具有不同功能的硬件设备。但在网络中，赋予它们相同的节点定义。也就是说，它们均属网络连接上的一个相对独立的节点，都具有唯一的网络地址。

　　在PLC设备中，通讯模块是网络连接设备，通讯模块的类型决定着网络结构和网络协议的选择。目前，多数厂家的PLC都支持细缆连接，少数PLC（例如GE90-70的CMM742）可同时使用双绞线连接。通讯模块一般都支持各种网络协议，除了具有与其它不同类型网络节点通讯的协议，还具有专用协议，主要是与相同设备进行数据交换。例如，TRICONEX公司的PLC网络通讯模块具有四种专用协议（NCM、ACM、EICM、TSAA），以便支持专用网络上的相同TRICONEX系统。

　　三、网络设计

　　1.拓扑结构

　　所谓拓扑是一种研究与大小，距离无关的几何图形特性的方法。在网络中，计算机、PLC控制器作为节点，通讯线路作为连线，可构成相对位置不同的几何图形。抛开网络中的具体设备，将PLC控制器，计算机操作站，计算机工程师站等网络单元抽象为“点”，将网络中的电缆等传输介质抽象为“线”，这样从拓扑学的观点看网络系统，就形成了由点和线组成的几何图形，从而抽象出了网络系统的具体结构。网络拓扑结构主要有星型，总线型，环型，树型，网状和不规则型等几种。在计算机PLC控制系统中采用最多的是总线型结构。

　　1.1总线结构

　　总路线结构网络是将各个节点的设备用一根总线相连。网络中所有节点工作站通过总线进行数据信息传输。作为总线的通讯连线通常采用同轴电缆。在总线结构中，作为数据通信必经的总线，其负载能量是有限度的。这是由传输介质本身的物理特性所决定的。所以，总线结构网络中节点的个数是有限制的，如果节点的个数超出总线负载的能量，就需要延长总线的长度，并加入相当数量的附加转接部件，使总线负载达到容量要求。

　　PLC控制系统要求网络可靠性高，节点间响应速度快，当某个节点处理故障时，不会对网络上其它节点造成影响，而且要有很好的扩充性，总线型网络系统具备这些条件，因此，目前的PLC通讯模块支持总线型网络结构。在这里，我们也只介绍控制系统的总线型网络设计。

　　2.网络通信协议

　　在网络系统中，为了保证数据通信双方能正确而自动地进行通信，针对通信过程的各种问题，制定了一整套约定，这就是网络系统的通信协议。通信协议是一套语义和语法规则，它决定了网络通信中传输的信息/文件格式及控制方式，主要功能是数据交换，信息编码，差错控制与线路合理利用等。

　　为了便于网络互联，国际标准化组织（ISO）提供了一个标准的协议结构，即开放系统互联OSI（Open System Interconnection）参考模型，它定义了连接异种计算机标准的主体结构，任何两个遵守参考模型和有关标准的系统可以进行互联。这样的系统称为开放系统。

　　OSI参考模型是设计和描述网络通信的基本框架。OSI参考模型的系统结构是层次式结构，由七层组成。从高层到低层依次是：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层和物理层。OSI参考模型定义了不同计算机和互联标准的框架结构。通过分层把复杂的通信过程分成了各个独立的，比较容易解决的问题。在OSI模型中，下一层为上一层提供服务，而分层内部的工作与相邻层是无关的。

　　2.1　IEEE802.3网络标准

　　IEEE802.3是PLC控制系统网络系统的主要标准。

　　IEEE802是由美国电气与电子工程师协会IEEE802委员会制定的局域网标准。是针对局域网的网络体系结构特点而制定的。IEEE802遵循ISO/OSI参考模型的原则，解决最低两层??物理层和数据链路层的功能以及网络层的接口服务，网络互联有关的高层功能。

　　OSI参考模型的物理层对应IEEE802参考模型的物理层，OSI参考模型的数据链路层对应IEEE802参考模型的逻辑链路控制子层和介质访问控制块子层。

　　IEEE802.3是IEEE802标准的一部分，意为CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路复用）访问控制方法和物理层技术规范。PLC控制系统只使用IEEE802.3的物理层。应用的802.3网络物理层标准化技术范围如下：

　　2.2TCP/IP协议

　　PLC控制系统中，PLC控制器与各计算机操作站之间通讯普遍使用TCP/IP协议。TCP/IP协议是网络通信协议的一种，TCP是指传输控制协议，对应OSI参考模型的传输层。IP是指网间协议，对应OSI参考模型的网络层。

　　2.2.1　IP地址

　　在以TCP/IP为通讯协议的网络上，每个节点都有一个唯一的地址标识，即IP地址。IP地址不但可以用来辨识每一个节点，其中也隐含着网络间的路由信息。

　　IP地址为32个二进制位长，一般是以4个十进制数字表示，并且每个数字间以点隔开，如：203.35.88.7。

　　IP地址分为A，B，C，D，E五类，地址格式的最左边的一个或多个二进制位用来指定网络类型。（具体的分类请参见有关资料，在此不详细介绍）

　　PLC控制系统中的网络系统属于局域网，采用C类IP地址。C类网的IP范围是192.0.0.0~223.0.0.0。这个范围中192.168.0.0~192.168.255.255地址是留给用户自定义的。在实际应用中，发现有些厂家的PLC只能使用这个网段的IP地址，而且必须用24位表示网段。

　　2.2.2子网掩码

　　子网掩码也是一个32位二进制值，格式与IP地址相同。子网掩码有两大功能：

　　(1)用来区分IP地址中的网段地址和节点地址。

　　(2)用来将网络分割为多个子网。

　　PLC网络系统中，由于采用C类网，所以IP地址的前24位为网段地址。故子网掩码定为255.255.255.0。（具体子网掩码的含义参见有关资料，在此不作介绍）

　　四、典型应用实例

　　下面以实例进一步分析PLC控制系统的以太网网络构成。PLC控制器选用美国GE公司的90-70系列，PLC的以太网接口模块（通讯模块）选用GE90-70系列中的CMM742。工作站选用美国Itellution公司的FIX32工控软件。该软件运行于Windows NT,或Windows 2000操作平台。

　　1.硬件功能介绍

　　（1）CMM742通讯模块

　　CMM742是GE90－70系列PLC中功能的网络接口模块。可连接于IEEE802.3网络，传输率为10Mbps，有BNC，RJ45和AUI三种接口，可通过细缆，双绞线和AUI的D型15针连接器接入总线型或星型网络中。支持TCP/IP协议。

　　实际应用中，我们采用总线型拓扑结构。通过CMM742将PLC的网络IP地址设为192.168.1.1，子网掩码设为255.255.255.0。将PLC起始节点，在BNC接口需加50Ω终端电阻。

　　（2）以太网卡

　　网卡用于将PC工作站连接到网络中，是计算机与通信媒体进行数据交互的中间处理部件，每个网卡有自己的控制器，用以发送接收数据。

　　我们选用了3COM公司的3C509型网卡，该卡有BNC和RJ45两种接口，通过T型头连于网络。

　　2.软件设置

　　三台工作站均选用Windows2000操作系统，并安装FIX32工控软件。

　　软件设置步骤：

　　（1）安装网卡驱动程序。

　　（2）安装TCP/IP协议，对三台工作站进行IP地址分配，分别设为192.168.1.2，192.168.1.3，192.168.1.4，子网掩码为255.255.255.0。

　　（3）测试网络连接

　　在任一台工作站的DOS下，键入PING 192.168.1.1，回车，屏幕出现四行

　　Reply from 192.168.1.1:bytes=32time<10ms,TTL=128

　　说明已经与PLC接通，再分别PING其它IP地址，确认PLC与工作站正确。

　　（4）确认网卡绑定TCP/IP协议。

　　（5）设置FIX32用于通讯的GE9驱动程序。

　　GE9是FIX32用于与GE90－70系列PLC进行网络通讯的驱动程序，支持TCP/IP协议，通过它可与PLC进行数据交换。

　　以上只是一个简单的网络应用，在实际的应用中由于选用的PLC和工作站软件的不同，如：选用PLC的远程扩展；本地扩展以及冗余和热备等不同系统；工作站操作系统的不同；采用对等网或是主从网；工控软件的选择其它不同软件；还有环境因素等等；都会使网络的设计千变万化，但总体思路方法大体相同。