西门子PLC控制网络的配置策略与应用

2018-07-27赵良皓隋起先

天津冶金 2018年3期

赵良皓，隋起先，李强

（天津鞍钢天铁冷轧薄板有限公司，天津300400）

0 引言

随着社会的不断发展，自动化控制在生产生活中的应用越来越广泛，PLC控制系统由于具有抗干扰能力强、稳定可靠性高、故障率低等优点，在工业生产中具有非常重要的应用价值。西门子PLC控制系统是一种较为常用的PLC控制系统，在实际应用中，为使系统发挥作用，需要对控制网络进行合理配置。

1 西门子PLC控制网络的配置策略

1.1 通讯接口

在西门子PLC控制网络中，主要包括两种通讯接口的方式，分别是模块处理器和PG/PC通信卡。在系统中，模块处理器通过和PLC的一侧连接来进行工作。这种接口方式的特点在于其具有智能性，能够使PLC自动接入到相匹配的网络之中。通过这样的方式能够使PLC的功能得到充分发挥。同时，模块处理器还具有一些功能上的特性，这就使得其能够通过自身来解决一些问题，而不是过分地依赖于CPU，间接地减轻了CPU的工作压力。目前，模块处理器有多种不同类型，在功能特性上也存在一定差异，各具特点。西门子S7-200系列模块处理器特点为，它有 PPI（point to point interface，PPI）和MPI（multi-point interface，MPI）两个专门负责通信联络信号的接口。PG/PC通信卡能够使PG/PC设备和与之相对应的网络进行连接，一般在PLC主机上都设有专门进行PG/PC通信卡连接的接口。PG/PC接口能够协助一些未设微处理器的设备来进行相应的连接工作，从而使设备的功能得到充分发挥。

1.2 网络类型

西门子PLC中具有很多不同的网络类型，功能各有差别，优缺点也不尽相同。设计这些不同网络类型的目的是满足不同层次控制网络的实际需求。目前，可以将控制网络分为符合国际标准的通讯网络和西门子公司自行开发的专用通信网络这两类。前者包括工业以太网（indust rial ethernet）、传感器-执行器接口（AS-i）和Profibus；后者包括了点对点接口（point to point connections）、MPI和 PPI。下面对这几种不同的网络类型进行介绍。

（1）点对点接口。其主要特点是可以让用户根据自身需求来进行通讯协议的定义，从而使S7-400和S7-300系列的PLC能够和上位机、控制器等其它等通讯协议公开的设备进行通讯。

（2）PPI网络。它是作为S7-200的通信协议而设计开发的，可以应用普通的双芯屏蔽双绞电缆来完成网络的连接，主要特点是遵循主-从协议，即从站只能根据主站发出的要求而做出响应信息，而不能够主动地进行信息的发送。

（3）MPI网络。MPI其实是一种令牌网络通讯协议，是基于西门子的内部标准来进行开发设计的。MPI通讯协议应用RS-485作为物理层，使其最大传输速率能够接近12 Mb/s。通过MPI网络能够使PLC同时连接多个通讯对象，如计算机、人机界面等，而同时进行连接的对象数量是由CPU的类型来决定的。

（4）Profibus网络。Profibus是种符合国际标准的通讯网络，主要应用于生产车间的监控以及现场的指挥方面，其与MPI网络都采用RS-485作为物理层，因此其最大传输速率也和MPI网络相同。Profibus网络具有开放性的特点，因此厂商可以根据自身需求在Profibus协议下进行产品的开发，并且将其连接到同一Profibus网络来进行通讯，从而更好地适应现场的实际需求。Profibus的协议结构如图1所示。

图1 Profibus的协议结构

（5）工业以太网。其是为了满足工业需求而专门设计的通讯网络，工作原理是在ISO和TCP/IP的通讯协议之下，使用同轴电缆、光缆和双绞线等实现互相间的通讯，其具有的一个重要特点是能够支持广域的开放型网络模型。

（6）（AS-i）。这是一种符合国家和欧洲标准的接口，这种网络类型是应用于网络控制最低层的，具有比较简单的特点，只能进行少量数据的传输。

1.3 传输介质

PLC控制网络中存在多样化的传输介质，在材料和性能上都有所差别，在实际工作中往往不是应用单独的传输介质，而是使用不同介质的组合，使这些介质充分发挥各自的功能和特性，促进PLC控制网络效率的提升。例如，在Profibus-DP网络的实际应用过程中应用了多种传输的介质。无线短距离传输主要依靠红外线的导向作用来实现，光纤材料传输是目前主要的网络数据传输的方式，光纤材料具有优良的特性，能够实现远距离、高速率的传输，不仅能应用于短距离传输中，也可以应用于长距离的传输中。电气数据的传输方式是通过具有屏蔽作用的双绞线电缆和地下电缆的相互配合来实现的。

1.4 通讯能力

在西门子网络控制系统之中，能够实现S5兼容通讯、S7基本通讯、标准通讯以及OP通讯等通讯功能。这些通讯接口的主要功能和实现方式各不相同，如S7通讯的特点是能够提供简单、功能强大的通讯任务，在实现方式上，其可以通过MPI、Profibus以及工业以太网等来实现。由于这些通讯接口在功能上的差异性，因此在实际应用过程中需要根据实际情况来解决具体问题。

2 西门子PLC控制网络配置的具体应用

钢铁企业生产过程中涉及到很多对象，其中包含许多需要进行控制的对象，如拉矫机、工作辊和索尼磁尺等在轧钢生产过程中应用的重要设备。由于生产过程中需要控制的设备种类较多，在功能上差别较大，因此钢铁企业在进行控制时面临的难度较大，加之需要传输的数据量非常大，因此在选择西门子PLC控制网络的类型时，最好能和国家标准相适应。综合上述条件，选择Profibus网络是较为适合的，其能够在钢铁生产过程中起到较好的控制效果，保证钢铁生产的正常进行。

在完成网络类型的选择之后，企业需要对自身的状况进行评估，根据设备在生产车间中的实际位置进行控制系统的划分，确定出多个PLC控制站，保证数据通讯能够正常运行，不同点之间的数据通信都能够利用连锁控制技术来完成，从而实现正常的生产。除了上述工作外，还需要进行Profuse-DP网络数据链路层中数据存储方式的选择。Profuse-DP网络在现场链路层中包含了令牌总线方式和混合方式两种方式，前者能够通过令牌将数据信息传送到总站上，然后总站在收到信息之后能够向主站获取信息或者进行信息的发送，而从站却不具备索取信息的功能，其只能被动的反应或者向总站进行信息的发送，这就导致了信息的传输工作难以保证其稳定性和准确性。为了解决这一问题，需要对控制站进行重新的设置，将所有的控制站都设置成主战，从而实现信息在控制系统内部的自由交换，保证信息传送的准确性和高效性。

在钢铁企业生产过程中工艺流程较长，每个主站所控制的设备距离其自身都有较长的距离，并且还具有分散性的问题，为了有效的节约成本，减少昂贵的信号线的使用并保证系统的可靠性，在主站的选择时选用S7-400，s7-300系列 PLC，这一类型的主站集成的Profibus-DP能够作为主站，而且形成下一级的Profibus-DP子网，此在远程I/O从站的选用上可以使用ET200M。按照上述方式完成Profibus-DP控制网络拓扑结构的构建，如图2所示。

图2 Profibus控制网络拓扑结构

通过从整体角度对西门子PLC控制网络进行分析，可以发现：整个控制网络从本质上是由两级子网结构组成的，其中处于底层的子网作用是进行通讯服务，保证主站和远程从站之间的通讯服务，从而使信息能够合理地进行传递。而位于顶层的顶层Profibus-DP子网的主要功能是为上位机和PLC主站提供相应的通讯服务。此外，在不同的主站和上位机之间的数据传输量非常大，为保证数据传输的准确性以及运行的合理性，最好应用多协议混合模式来对运行进行操作。