基于Q系列PLC三层网络及冗余控制系统的设计分析

林岚

（西安铁路职业技术学院陕西西安710014）

基于Q系列PLC三层网络及冗余控制系统的设计分析

林岚

（西安铁路职业技术学院陕西西安710014）

基于试图设计出拥有比较完善的冗余功能的网络控制系统，以便提供更加完善的实验平台的目的。采用了实际实验和综合调查的方法，结合基于Q系列PLC三层网络及冗余控制系统进行的试验。基于Q系列PLC三层网络及冗余控制系统具有很好的利用价值。当前我国的工业化水平正在不断地发展进步，在的基础之上建立起的控制系统能够在未来的网络化道路上更快更好地发展。

三层网络；冗余控制系统；设计分析；PLC

现代社会中，工业控制系统已经不是由单一设备实现的简单控制，它逐渐走向了更加完善的大型化以及复杂化，特别是与控制层网络相连的已经不是单独的网络，而是两个甚至更多个不同的网络之间形成的集成化网络体系。由此我们可以认为，控制系统与网络之间的相互依赖也变得更强了。

1　冗余控制系统概述

假如在控制系统当中出现任何网络故障，都可能会造成整个通讯系统错误，甚至可能会带来巨大的财产或者人民群众生命安全方面的损失。因此，提升控制系统所具备的可靠性以及安全性，设计完善的控制层网络是非常有必要的。比方说，人们日常生活中会接触到的电梯控制系统，乃至于大型场合例如电力、石油化工等，都需要对控制系统最关键的部分进行适当的冗余处理。

如今工业控制的系统规模正在不断地扩大，需要控制人员监视完整的生产流程，以此来达到协调生产以及控制生产的目标。因此在最近这些年以来，远程控制在工业控制领域得到了更高度的重视。想要实现远程操纵最需要做的就是将控制层以及信息层共同进行网络通讯，而这也就会涉及到远程控制稳定性方面的问题，一旦在远程控制的网络当中出现任何故障，就会导致监控无法真实反映情况，甚至发生误动作导致事故发生。

2　在基于Q系列基础上设计PLC三层网络

2.1集成化设计

伴随着PLC以及网络信息技术的不断发展，渐渐地单层网络已经无法满足大部分控制系统的需求，这是因为在现代控制系统中处于上层位置的部分是主要进行生产管理信息的传送的，通信报文相对比较长，传送的信息量相对较大，不过对于通信所具备的实时性并没有太高的要求；但是在底层则主要是过程的数据以及控制命令等，报文相对较短，通信的信息量自然也比较小，不过对信息的实时性以及可靠性有比较高的要求；中间层则处于这二者当中。由于在不同的层面中需要实现的功能不同，需要承担的责任也不同［1］。在目前的控制系统当中常用的是三层网络式的结构，这也是非常实用的一种结构，让通信拥有高度的适应性，同时具有扩展性。

本次设计的控制系统主要分成3个部分，即控制机械手、控制传送带、控制分拣，在本次设计当中我们使用CCLink来现场连接总线（CC-Link全名：Control&Communic-ationLink），由于CC-Link属于是一种能够广泛地使用在工业现场的控制系统当中，还是一种高速系统，连接非常简便，传输距离很远。本设计中低层系统距离遥远，多方考虑之后在低层设计中采用CC-Link现场总线来完成通信［2］。

另外，系统控制层当中，由于各高性能的PLC当中需要完成比较好的数据互联，让不同的低层网络数据能够很好地实现共享，并且保证相互之间的协调，考虑到MELSECNET/H网络具有非常理想的实时性以及设置的简单性等优势，在本次设计当中我们主要选择MELSECNET/H。

信息层当中，能够实现PLC系统以及生产、质量等方面的信息传递，由此在本设计的信息层中我们主要使用以太网来进行通讯，便于和Internet进行连接，并且能够借助它来实现监控企业生产的目的。

总的来说在本文中在基于Q系列基础之上对PLC三层网络进行集成化设计大概结构图如图1所示。

图1　在基于Q系列基础之上PLC三层网络基本结构图

2.2冗余设计

在最近这些年，远程操控系统渐渐地已经成为了工业控制领域当中非常有用的一部分，想要很好地实现远程操控就必须将控制层以及信息层与网络相联并实现通讯，而这就涉及到了安全性方面的问题［3］，因此设计冗余是非常重要的。基于此，本设计将在原有CPU基础以及电源冗余基础之上，加以对H网以及以太网的模块进行了冗余，系统框架如图2所示。

图2　冗余整体框架示意图

2.3在基于Q系列进行PLC三层网络的设计具体方式

Q系列PLC能够提供出具有非常清晰的层次的三层网络，本设计中选择Q系列三层网络作为本设计的主要结构，也就是设备层（CC-Link）、控制层（MELSECNET/H，即H网）以及信息层（以太网）。具体的结构图基本如图3所示。

图3Q系列基本网络框架示意图

以上设计思路基本参数设置情况如下。

设备层（CC-Link）硬件连接参数：主站号0，一号站1，占1个站位；二号站2，占1个站位。安排适当的位置。传送速度约为2.5 Mbp，最大的传送距离在不考虑中继的情况下为200米。在主站模块当中设置为在线模式，模式设置2，速率约为2.5 Mbp。

控制层（MELSECNET/H，即H网）硬件参数：从PLC开始到PLC网络当中有效站号为1～64之间，在同一个网络环境下不能使用相同的站号［4］，只要是有效站号就可以将任何站点作为主站点，设置站号不需要保证连贯，不过如果没有站号的时候需要设置保留站。另外，在同样的网络环境当中，全部模块的模式都要将开关设置在一样的位置上，待网络模块进行独立检测完全结束之后，设置成在线模式，在使用10 Mbp的时候将模式开关设置成0，在使用25 Mbp的时候将模式开关设置为4。

信息层（以太网）网络参数：针对以太网的具体参数，仅需要依靠与其相连的PLC来完成网络参数的设置，基本上主要的设置内容包括网络类型以及模块的起始号、站号等，根据现实情况有所改变。

3　在基于Q系列进行PLC控制冗余的系统设计具体方式

本设计主要针对电源、CPU以及MELSECNET/H网进行冗余，通过上一课题我们可以发现，在PLC系统当中，控制层始终有一台PLC需要和控制层不断地进行数据的交互［5］，同时还要和信息层随时通信，在网络系统当中处于一个比较重要的位置上，因此本设计针对这几个模块进行设计。

首先我们需要确定冗余所需的硬件，主要包括：

电源模块为S64RP；CPU则为Q12PRHCPU以及Q25PRHCPU两种；MELSECNET/H模块为QJ71LP21-25以及QJ71BR11两种；Ethernet接口为QJ71E71-100。

在PLC系统中的冗余结构大致如图4，其控制系统以及待机系统是包括硬件的组成以及软件编写都完全一致的系统，两个系统借助热备电缆相互连接，保证数据能够随时交互，冗余系统的切换需要根据实际情况来设置切换系统的触发原因、切换优先等级以及切换的具体时机等，在电源模块或者CPU发生任何故障的时候，系统自动切换，新系统立刻开始运作［6］；如果是网络模块发生故障，那么首先要将切换请求发送到控制系统当中，之后才可以开始切换（切换过程如图5所示）。

图4　完整的冗余系统基本结构示意图

图5　控制系统冗余基本示意图

在冗余过程当中，CPU以及备用系统的CPU均正常运行，二者之间借助跟踪电缆来完成数据的跟踪，以此保证出现故障之后系统数据不会流失，控制系统当中的CPU进行正常运算以及控制，在备用系统当中的CPU则单纯运行程序不输出数据。但是在前者出现了故障的情况下，备用的CPU立即切换，这种方式成本低、维护方便且高度兼容。在通讯模块当中，它的冗余含有H网的通讯冗余以及以太网通讯冗余，二者配置了基本一致的网络模块［7］，一旦控制系统中网络出现故障，就可以让待机系统保证正常工作。

另外，冗余系统切换的时间需要在整个控制系统当中进行检测，检测到系统切换具体的原因，将其作为开始，直到新的控制系统开始工作，这就是冗余系统进行控制最重要的一项性能指标，而对系统切换的具体时间进行计算的主要方法是：

在这个公式当中，指无法进行具体的信号流储存热备传送的实际时间，为20.5毫秒，能进行信号流储存热备传送的实际时间则为1.5毫秒；Tαm则是MELSECNET/H以及CCLink的具体刷新时间，按照不同程序的特征会出现一些变化；Trc指的是按照待机系统当中的CPU进行热备传送数据所花费的反应时长，也就是热备传送处理所要花费的时间，在进行热备传送的时间分析当中已经描述完毕。

4　结束语

文中针对基于Q系列PLC三层网络及冗余控制系统进行了设计分析，在当前的社会环境下，科学技术得到了飞速的发展以及自动化水平的不断提升，在我们日常生活以及工作当中也随处可见不同形式的控制系统，而它们是否具有可靠的安全性也得到了越来越广泛的重视。例如在2011年，从北京出发的D307动车组与D3115动车组发生严重追尾事故，导致四十人身亡，一百余人受伤，造成直接经济损失达1.9亿，尽管诸如此事件的发生原因当中都含有一定的人为原因，不过从中我们也可以发现，安全控制系统往往与人民生命的安全以及国家财产安全有非常密切的联系，因此，对控制系统而言，其本身是否具有安全性和可靠性是极其重要的。如今计算机信息技术以及互联网都在不断地发展，在工业当中安全控制系统也在向着更大规模以及更完善的网络化前进着，多层网络的控制系统也开始在各个领域当中得以应用，冗余系统也正是解决系统本身安全性以及稳定性的最有效办法。

［1］朱光灿.基于Citect和冗余PLC的煤层气集输控制系统［J］.机械工程与自动化，2015（4）:172-174.

［2］邓富文.基于PLC控制的生活污水处理控制系统设计探讨［J］.科技创新与应用，2015（23）:190.

［3］邓明华，葛蓁，熊琼，汪小志，等.基于嵌入式PLC的秸秆切割力动态控制方法研究［J］.农机化研究，2016（2）:44-48.

［4］刘志林，张卫江，罗红英.基于PLC和WINCC的水力机械模型试验台控制系统设计［J］.大电机技术，2015（4）：55-58.

［5］钱稷，周娟，张广华，等.基于模糊控制的温室内土壤湿度智能监控系统设计［J］.华中农业大学学报，2015（5）:121-126.

［6］仵理帆.基于PLC的轴流风机控制软件的设计与实现［J］.电子技术与软件工程，2015（15）:65-66.

［7］仝卫卫，郝建新，王少辉.基于PLC的吹脱法脱氨塔内污水温度模糊控制器的设计［J］.郑州轻工业学院学报:自然科学版，2015（Z1）:128-132.

Based on the Q series PLC three layer network and the redundancy control system design and analysis

LIN Lan
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Based on trying to design have comparative perfect redundant functions of network control system，in order to provide more perfect experiment platform.Adopted the approach of practical experiments and comprehensive investigation，combined with three layers based on Q series PLC network and redundancy control system test.Three layers network and redundancy based on Q series PLC control system has good use value.The current our country's industrialization level is constantly progress，on the basis of establishing the control system can better and faster development in the future network roads.

three layer network；redundancy control system；design and analysis；PLC

TN99

A

1674－6236（2016）17-0125-03

2015-08-07稿件编号：201508031

林岚（1982-），女，山东烟台人，讲师。研究方向：图像处理。