1 引言 長期以來，可編程控制器（PLC）在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到了充分的應(yīng)用，為各種各樣的控制設(shè)備提供了可靠的控制和整體解決方案，滿足企業(yè)對自動(dòng)控制的需求，可以方便靈活地進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)置、檢測、監(jiān)控各種設(shè)備的生產(chǎn)參數(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也向網(wǎng)絡(luò)化，開放性發(fā)展。越來越多的PLC供應(yīng)商開始提供Ethernet接口設(shè)備，從而構(gòu)成了工業(yè)環(huán)境下的以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)，采用工業(yè)以太網(wǎng)徹底打破了傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化“孤島”觀點(diǎn)，使整個(gè)廠區(qū)按生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)有機(jī)地構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。 工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是按照IEEE802.3（以太網(wǎng)）國際標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)用于工業(yè)應(yīng)用的一種單元網(wǎng)絡(luò)，通過它可以使自動(dòng)化系統(tǒng)彼此連接，并為PC和工作站提供同機(jī)種和不同機(jī)種通信，它具有很高的通信性能，可作為實(shí)現(xiàn)范圍廣泛的開放式網(wǎng)絡(luò)的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比，具有向下兼容性，實(shí)現(xiàn)交換、全雙工傳輸、帶寬10MB/S到100MB/S至1000MB/S，主要運(yùn)用于工業(yè)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域具有以下優(yōu)點(diǎn)：低成本、易與Internet集成和受到了廣泛技術(shù)支持等。 某港口20萬噸級鐵礦石碼頭改擴(kuò)建項(xiàng)目中，污水處理和堆場噴灑系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的PLC控制系統(tǒng)。施耐德公司的PLC可以通過工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)與其編程軟件Concept進(jìn)行交互，技術(shù)人員可以在比較良好的環(huán)境下通過以太網(wǎng)絡(luò)對程序進(jìn)行修改，而不必到環(huán)境惡劣的現(xiàn)場去操作。施耐德公司的透明工廠技術(shù)已經(jīng)使得工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可以成功的應(yīng)用于PLC控制系統(tǒng)當(dāng)中。本文將就如何在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)施耐德MODICON PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。 2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 2.1控制要求 污水處理系統(tǒng)的控制要求：污水站集水池設(shè)有2臺(tái)液下泵，根據(jù)集水池的液位自動(dòng)啟停，兩臺(tái)泵輪流先后工作。在啟動(dòng)液下泵的同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)量泵。污水提升到中間水池后，中間水池有兩臺(tái)潛污泵，輪流工作，并可以在一臺(tái)泵故障時(shí)，啟動(dòng)另一臺(tái)泵。污泥池有兩臺(tái)污泥泵，根據(jù)浮球閥的狀態(tài)自動(dòng)啟停污泥泵。并可在上位機(jī)監(jiān)測集水池和清水池水位，容器罐、污泥增壓泵及出水管的壓力，出水管的流量。 灑水系統(tǒng)的控制要求：可在現(xiàn)場控制柜控制噴水和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制操作。遠(yuǎn)程控制時(shí)可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制噴水閥噴水和堆場循環(huán)噴水。分為單堆場噴淋和全堆場循環(huán)兩種模式：單堆場循環(huán)為上位機(jī)選定某個(gè)堆場噴淋；全堆場循環(huán)為根據(jù)堆場有無堆料、有無斗輪機(jī)懸臂信號(hào)和是否選中噴淋的情況對整個(gè)堆場進(jìn)行全堆場循環(huán)噴淋一次。 2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該污水處理和堆場噴灑自動(dòng)控制系統(tǒng)由1座現(xiàn)場PLC主站，10座遠(yuǎn)程I/O子站組成，計(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站設(shè)在中控室內(nèi)，通過工業(yè)以太網(wǎng)連接。在中控室安裝有一套灑水控制工業(yè)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行人—機(jī)界面，完成污水處理系統(tǒng)和堆場噴灑系統(tǒng)的監(jiān)控和生產(chǎn)管理。它監(jiān)視、控制、管理整個(gè)污水處理系統(tǒng)和堆場噴灑系統(tǒng)的全部生產(chǎn)過程和工藝流程。 在該系統(tǒng)中采用100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)光端機(jī)，將所有現(xiàn)場控制主站、操作站及所有遠(yuǎn)程I/O站等用光纖以太網(wǎng)連接起來。在污水處理系統(tǒng)現(xiàn)場控制主站設(shè)一套 MODICON QUANTUM系列 PLC，在堆場噴灑系統(tǒng)10個(gè)閥門控制箱遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)各配一套MODICON MOMENTUM系列PLC作為遠(yuǎn)程I/O站。通過光纖工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場控制站相連接。監(jiān)控工業(yè)計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)連接現(xiàn)場控制PLC主站來實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)和堆場噴灑自動(dòng)控制系統(tǒng)與總控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。因?yàn)槭┠偷鹿镜腗odbusTCP/IP （1998） 是目前工業(yè)以太網(wǎng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并使以太網(wǎng)在傳感器級和設(shè)備級得到了大量的應(yīng)用。 本控制系統(tǒng)設(shè)備采用施耐德電氣公司生產(chǎn)的TSX Quantum和Momentum系列PLC。以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為中央操作站（操作站和工程師站）。中央操作站負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)信息處理、打印、系統(tǒng)起停命令發(fā)送、回路調(diào)節(jié)、設(shè)定位給定等功能?，F(xiàn)場站負(fù)責(zé)現(xiàn)場I/O信號(hào)采集、回路控制、聯(lián)鎖順序控制，現(xiàn)場所有的信號(hào)通過電纜引到現(xiàn)場站?，F(xiàn)場站和操作站通過工業(yè)以太網(wǎng)完成它們之間的信息和數(shù)據(jù)交換，真正體現(xiàn)了分散控制、集中管理的原則。本系統(tǒng)的建立遵循開放性原則，采用結(jié)構(gòu)化體系，并對將來的發(fā)展具有完全的兼容性和可擴(kuò)充性，采用工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，具有良好的可擴(kuò)充性和開放性，只要符合工業(yè)以大網(wǎng)協(xié)議的設(shè)備都可以上網(wǎng)，可以極其方便地外掛生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）。 3 控制網(wǎng)絡(luò)的組成與實(shí)現(xiàn) 3.1控制網(wǎng)絡(luò)的組建 該系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的硬件組成是：中控室操作站PC一臺(tái)，現(xiàn)場控制站Quantum PLC一臺(tái)、遠(yuǎn)程控制子站Momentum PLC十臺(tái)，施耐德MODICON以太網(wǎng)集線器10Mbps 3TP/FL 499NOH10510十一只，工業(yè)以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器一只。 網(wǎng)絡(luò)組建方案設(shè)計(jì)如下：由主站Quantum PLC和子站Momentum PLC通過光纖收發(fā)器和以太網(wǎng)集線器499NOH10510組成一個(gè)有十一個(gè)節(jié)點(diǎn)的冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，并通過光纖收發(fā)器和499NOH10510集線器實(shí)現(xiàn)環(huán)形子網(wǎng)與上位機(jī)的通信。采用環(huán)形網(wǎng)的方式，如果系統(tǒng)中環(huán)形光纖發(fā)生故障，環(huán)形結(jié)構(gòu)將在小于500 ms時(shí)間內(nèi)切換成具有全部傳輸能力的總線結(jié)構(gòu)。所以在其中某個(gè)Momentum PLC出現(xiàn)問題時(shí)，由于環(huán)網(wǎng)的冗余作用而不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)如圖1所示。 在網(wǎng)絡(luò)硬件組建成功之后，使用施耐德公司的Bootp工具對組成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)PLC分配IP地址，該地址要與上位機(jī)操作站電腦的IP地址在同一個(gè)域段內(nèi)。 3.2通信問題的解決 在該P(yáng)LC控制系統(tǒng)中，硬件網(wǎng)絡(luò)的組建只是其中一部分，如何解決網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是需要解決的重要問題。 要實(shí)現(xiàn)Quantum PLC與Momentum PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信有兩種方式：1 通過組態(tài)設(shè)置master主站及進(jìn)行信息交互的Slave從站，并設(shè)置讀寫的數(shù)據(jù)長度的單元地址；2 利用Concept編程軟件中的FBD功能指令，實(shí)現(xiàn)對子站的讀寫操作。 在該系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)中，我們采用了集線器499NOH10510作光電轉(zhuǎn)換。由于集線器是在接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會(huì)把它傳遞到其它的各個(gè)端口。在消息傳遞方面，集線器是低速低效的，可能會(huì)出現(xiàn)消息沖突。顯然，由于集線器的這一個(gè)不足，當(dāng)各個(gè)PLC中的信息同時(shí)占用某個(gè)通信信道時(shí)，就會(huì)引起信道的消息沖突，而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信中斷，這樣整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)就會(huì)處于癱瘓狀態(tài)。只有重新啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)才能使系統(tǒng)恢復(fù)正常，但是，由于在控制系統(tǒng)中信息的傳遞是頻繁的，因此如果不解決信息沖突的問題，發(fā)生系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)癱瘓的可能性就時(shí)刻存在。 要解決信息沖突的關(guān)鍵就是使多個(gè)PLC之間信息交換對信道分時(shí)使用，這樣就不會(huì)出信息信道沖突的問題。在第一種方案中，只是簡單的為信息通信分配了相應(yīng)的存儲(chǔ)寄存器，不能夠解決信息同時(shí)占用信道的沖突問題。因此我們采用第二種方案來解決這個(gè)問題。施耐德PLC編程軟件Concept 2.6具有強(qiáng)大的功能，其簡單的編程語言和完備的功能指令讓使用者能夠輕松的解決遇到的問題。 在FBD編程方式中具有強(qiáng)大的FFB功能指令，可以實(shí)現(xiàn)包括網(wǎng)絡(luò)通信（MB_TCP/IP，MODBUS等等）在內(nèi)的所用組態(tài)功能和邏輯梯形圖功能。 上位機(jī)操作站的人－機(jī)操作界面采用北京杰控公司的FameView組態(tài)軟件開發(fā)。利用FameView攜帶的Modbus TCP/IP協(xié)議接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的通信控制。 4 結(jié)束語 該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)投入使用，經(jīng)過近幾個(gè)月的試運(yùn)行證明該控制系統(tǒng)得到設(shè)計(jì)的要求，成功的解決了工業(yè)以太網(wǎng)中存在的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性問題，控制效果非常明顯。充分體現(xiàn)了PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制直觀，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。