一、 引言

　　隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機應(yīng)用的迅速推廣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐步深入計算機PLC控制系統(tǒng)領(lǐng)域，在PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)中占有越來越重要的地位。所謂PLC就是可編程控制器。網(wǎng)絡(luò)從應(yīng)用角度來看，就是以相互共享資源方式將各自具備獨立功能的計算機或終端連接起來。在PLC控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)式的資源共享只能通過使用遵循諸如MODBUS，MODBUS　PLUS，GENIUS這樣的通訊協(xié)議的專用通訊模塊來實現(xiàn)�？蛇B接的設(shè)備受通訊模塊的數(shù)量及模塊上的通道數(shù)量所制約，對于現(xiàn)在越來越復雜的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足要求。網(wǎng)絡(luò)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用極大地改善了這方面的不足。通過網(wǎng)絡(luò)可對受控對象進行多點監(jiān)視和控制。其優(yōu)點監(jiān)控距離遠，易擴展，使控制系統(tǒng)更具有靈活性。

　　二、 PLC控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

　　控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)軟件和網(wǎng)絡(luò)硬件組成的。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，硬件對網(wǎng)絡(luò)的選擇起著決定的作用;而網(wǎng)絡(luò)軟件則是挖掘網(wǎng)絡(luò)潛力的工具。

　　1.網(wǎng)絡(luò)軟件

　　在網(wǎng)絡(luò)組成的PLC控制系統(tǒng)中，每個監(jiān)控節(jié)點都可由PLC進行監(jiān)視和直接控制。因此，軟件要能實現(xiàn)對用戶進行分級限制。沒有權(quán)限的用戶禁止對重要數(shù)據(jù)進行修改或?qū)�回路等控制信號輸出，并且軟件要具備操作記錄功能，對每個節(jié)點的動作進行后臺記錄，以便對因誤操作或不應(yīng)有操作造成的后果進行分析。

　　由于現(xiàn)在的PLC種類很多，而且大部分都支持網(wǎng)絡(luò)功能，但不同PLC所遵循的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有很大差異，因此，要求軟件應(yīng)具有各類PLC的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)軟件的組成部分，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議取決于所用PLC的類型以及PLC所采用的網(wǎng)絡(luò)模塊的類型�？傊�，通訊必須具有相應(yīng)PLC設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，并安裝此網(wǎng)絡(luò)軟件。

　　2.網(wǎng)絡(luò)硬件

　　網(wǎng)絡(luò)硬件是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。構(gòu)成一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，首選要有PLC控制器，監(jiān)控工作站及其它設(shè)備連接起來，實現(xiàn)物理連接。不同的PLC控制系統(tǒng)，在硬件方面是有差別的。因此，網(wǎng)絡(luò)硬件更是多種多樣。在這里只簡單的將硬件分為兩部分，即PLC控制部分(這里稱“下位機”)和計算機監(jiān)控部分(這里稱“上位機”)。

　　在PLC計算機控制系統(tǒng)中，上位機和下位機是具有不同功能的硬件設(shè)備。但在網(wǎng)絡(luò)中，賦予它們相同的節(jié)點定義。也就是說，它們均屬網(wǎng)絡(luò)連接上的一個相對獨立的節(jié)點，都具有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。

　　在 PLC設(shè)備中，通訊模塊是網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，通訊模塊的類型決定著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇。目前，多數(shù)廠家的PLC都支持細纜連接，少數(shù)PLC(例如 GE90-70的CMM742)可同時使用雙絞線連接。通訊模塊一般都支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，除了具有與其它不同類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通訊的協(xié)議，還具有專用協(xié)議，主要是與相同設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。例如，TRICONEX公司的PLC網(wǎng)絡(luò)通訊模塊具有四種專用協(xié)議(NCM、ACM、EICM、TSAA)，以便支持專用網(wǎng)絡(luò)上的相同TRICONEX系統(tǒng)。

　　三、 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　1. 拓撲結(jié)構(gòu)

　　所謂拓撲是一種研究與大小，距離無關(guān)的幾何圖形特性的方法。在網(wǎng)絡(luò)中，計算機、PLC控制器作為節(jié)點，通訊線路作為連線，可構(gòu)成相對位置不同的幾何圖形。拋開網(wǎng)絡(luò)中的具體設(shè)備，將PLC控制器，計算機操作站，計算機工程師站等網(wǎng)絡(luò)單元抽象為“點”，將網(wǎng)絡(luò)中的電纜等傳輸介質(zhì)抽象為“線”，這樣從拓撲學的觀點看網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就形成了由點和線組成的幾何圖形，從而抽象出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有星型，總線型，環(huán)型，樹型，網(wǎng)狀和不規(guī)則型等幾種。在計算機PLC控制系統(tǒng)中采用最多的是總線型結(jié)構(gòu)。

　　1.1總線結(jié)構(gòu)

　　總路線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是將各個節(jié)點的設(shè)備用一根總線相連。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點工作站通過總線進行數(shù)據(jù)信息傳輸。作為總線的通訊連線通常采用同軸電纜。在總線結(jié)構(gòu)中，作為數(shù)據(jù)通信必經(jīng)的總線，其負載能量是有限度的。這是由傳輸介質(zhì)本身的物理特性所決定的。所以，總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的個數(shù)是有限制的，如果節(jié)點的個數(shù)超出總線負載的能量，就需要延長總線的長度，并加入相當數(shù)量的附加轉(zhuǎn)接部件，使總線負載達到容量要求。

　　PLC控制系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)可靠性高，節(jié)點間響應(yīng)速度快，當某個節(jié)點處理故障時，不會對網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點造成影響，而且要有很好的擴充性，總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備這些條件，因此，目前的PLC通訊模塊支持總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這里，我們也只介紹控制系統(tǒng)的總線型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

　　2. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

　　在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)通信雙方能正確而自動地進行通信，針對通信過程的各種問題，制定了一整套約定，這就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信協(xié)議。通信協(xié)議是一套語義和語法規(guī)則，它決定了網(wǎng)絡(luò)通信中傳輸?shù)男畔?文件格式及控制方式，主要功能是數(shù)據(jù)交換，信息編碼，差錯控制與線路合理利用等。

　　為了便于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，國際標準化組織(ISO)提供了一個標準的協(xié)議結(jié)構(gòu)，即開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI(Open System Interconnection)參考模型，它定義了連接異種計算機標準的主體結(jié)構(gòu)，任何兩個遵守參考模型和有關(guān)標準的系統(tǒng)可以進行互聯(lián)。這樣的系統(tǒng)稱為開放系統(tǒng)。

　　OSI參考模型是設(shè)計和描述網(wǎng)絡(luò)通信的基本框架。OSI參考模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是層次式結(jié)構(gòu)，由七層組成。從高層到低層依次是：應(yīng)用層，表示層，會話層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。OSI參考模型定義了不同計算機和互聯(lián)標準的框架結(jié)構(gòu)。通過分層把復雜的通信過程分成了各個獨立的，比較容易解決的問題。在OSI模型中，下一層為上一層提供服務(wù)，而分層內(nèi)部的工作與相鄰層是無關(guān)的。

　　2.1　IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)標準

　　IEEE802.3是PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要標準。

　　IEEE802是由美國電氣與電子工程師協(xié)會IEEE802委員會制定的局域網(wǎng)標準。是針對局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)特點而制定的。IEEE802遵循ISO/OSI參考模型的原則，解決最低兩層¾¾物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能以及網(wǎng)絡(luò)層的接口服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)有關(guān)的高層功能。

　　OSI參考模型的物理層對應(yīng)IEEE802參考模型的物理層，OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層對應(yīng)IEEE802參考模型的邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問控制塊子層。

　　IEEE802.3是IEEE802標準的一部分，意為CSMA/CD(帶沖突檢測的載波偵聽多路復用)訪問控制方法和物理層技術(shù)規(guī)范。PLC控制系統(tǒng)只使用IEEE802.3的物理層。應(yīng)用的802.3網(wǎng)絡(luò)物理層標準化技術(shù)范圍如下：

　　2.2TCP/IP協(xié)議

　　PLC控制系統(tǒng)中，PLC控制器與各計算機操作站之間通訊普遍使用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的一種，TCP是指傳輸控制協(xié)議，對應(yīng)OSI參考模型的傳輸層。IP是指網(wǎng)間協(xié)議，對應(yīng)OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層。

　　2.2.1　IP地址

　　在以TCP/IP為通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)上，每個節(jié)點都有一個唯一的地址標識，即IP地址。IP地址不但可以用來辨識每一個節(jié)點，其中也隱含著網(wǎng)絡(luò)間的路由信息。

　　IP地址為32個二進制位長，一般是以4個十進制數(shù)字表示，并且每個數(shù)字間以點隔開，如：203.35.88.7。

　　IP地址分為A，B，C，D，E五類，地址格式的最左邊的一個或多個二進制位用來指定網(wǎng)絡(luò)類型。(具體的分類請參見有關(guān)資料，在此不詳細介紹)

　　PLC 控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)屬于局域網(wǎng)，采用C類IP地址。C類網(wǎng)的IP范圍是192.0.0.0~223.0.0.0。這個范圍中 192.168.0.0~192.168.255.255地址是留給用戶自定義的。在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)有些廠家的PLC只能使用這個網(wǎng)段的IP地址，而且必須用24位表示網(wǎng)段。

　　2.2.2子網(wǎng)掩碼

　　子網(wǎng)掩碼也是一個32位二進制值，格式與IP地址相同。子網(wǎng)掩碼有兩大功能：

　　(1) 用來區(qū)分IP地址中的網(wǎng)段地址和節(jié)點地址。

　　(2) 用來將網(wǎng)絡(luò)分割為多個子網(wǎng)。

　　PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由于采用C類網(wǎng)，所以IP地址的前24位為網(wǎng)段地址。故子網(wǎng)掩碼定為255.255.255.0。(具體子網(wǎng)掩碼的含義參見有關(guān)資料，在此不作介紹)

　　四、典型應(yīng)用實例

　　下面以實例進一步分析PLC控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。PLC控制器選用美國GE公司的90-70系列，PLC的以太網(wǎng)接口模塊(通訊模塊)選用 GE90-70系列中的CMM742。工作站選用美國Itellution公司的FIX32工控軟件。該軟件運行于Windows NT,或Windows 2000操作平臺。

　　1. 硬件功能介紹

　　(1) CMM742通訊模塊

　　CMM742是GE90-70系列PLC中功能的網(wǎng)絡(luò)接口模塊�？蛇B接于IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)，傳輸率為10Mbps，有BNC，RJ45和AUI三種接口，可通過細纜，雙絞線和AUI的D型15針連接器接入總線型或星型網(wǎng)絡(luò)中。支持TCP/IP協(xié)議。

　　實際應(yīng)用中，我們采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)。通過CMM742將PLC的網(wǎng)絡(luò)IP地址設(shè)為192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼設(shè)為255.255.255.0。將PLC起始節(jié)點，在BNC接口需加50Ω終端電阻。

　　(2) 以太網(wǎng)卡

　　網(wǎng)卡用于將PC工作站連接到網(wǎng)絡(luò)中，是計算機與通信媒體進行數(shù)據(jù)交互的中間處理部件，每個網(wǎng)卡有自己的控制器，用以發(fā)送接收數(shù)據(jù)。

　　我們選用了3COM公司的3C509型網(wǎng)卡，該卡有BNC和RJ45兩種接口，通過T型頭連于網(wǎng)絡(luò)。

　　2. 軟件設(shè)置

　　三臺工作站均選用Windows2000操作系統(tǒng)，并安裝FIX32工控軟件。

　　軟件設(shè)置步驟：

　　(1) 安裝網(wǎng)卡驅(qū)動程序。

　　(2) 安裝TCP/IP協(xié)議，對三臺工作站進行IP地址分配，分別設(shè)為192.168.1.2，192.168.1.3，192.168.1.4，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。

　　(3) 測試網(wǎng)絡(luò)連接

　　在任一臺工作站的DOS下，鍵入PING 192.168.1.1，回車，屏幕出現(xiàn)四行

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

　　說明已經(jīng)與PLC接通，再分別PING其它IP地址，確認PLC與工作站正確。

　　(4) 確認網(wǎng)卡綁定TCP/IP協(xié)議。

　　(5) 設(shè)置FIX32用于通訊的GE9驅(qū)動程序。

　　GE9是FIX32用于與GE90-70系列PLC進行網(wǎng)絡(luò)通訊的驅(qū)動程序，支持TCP/IP協(xié)議，通過它可與PLC進行數(shù)據(jù)交換。

　　以上只是一個簡單的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在實際的應(yīng)用中由于選用的PLC和工作站軟件的不同，如：選用PLC的遠程擴展;本地擴展以及冗余和熱備等不同系統(tǒng);工作站操作系統(tǒng)的不同;采用對等網(wǎng)或是主從網(wǎng);工控軟件的選擇其它不同軟件;還有環(huán)境因素等等;都會使網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計千變?nèi)f化，但總體思路方法大體相同。 

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本文標題：PLC控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

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