三菱PLC通信组网设计初探<br/>——以国赛现代电气控制系统安装与调试项目为例

三菱PLC通信组网设计初探
——以国赛现代电气控制系统安装与调试项目为例

2020-04-02蔡明书刘剑昀

机械设计与制造工程 2020年2期

蔡明书，刘剑昀

(1.上海立达学院机电与信息学院，上海 201609)

(2.上海交通大学继续教育学院，上海 200052)

现代电气控制系统安装与调试项目自2015年被正式确立为全国职业院校技能大赛(以下简称国赛)高职组的比赛项目至今已经有5个年头了。该项目涵盖了现代电气控制应用领域所需的可编程逻辑控制器(PLC)控制技术、传感器技术、网络通信技术和触摸屏组态等核心技术[1]。目前国内外主流的自动化企业纷纷推出了新款、高性能的PLC作为现代电气控制系统的核心设备。该项目推荐三菱PLC(Q+FX3U)及西门子S7(300+200 smart或1500+1200)系列及汇川(AM600+H2U)系列的PLC作为比赛的选型设备。为了体现当前企业生产日趋智能化、信息化的特点，比赛要求侧重于生产企业自动化电气控制系统的网络组建，以满足复杂控制要求下不同自动化设备的通信需求。

1 三菱Q系列PLC与CC-Link通信网络

三菱电机公司生产的PLC具有结构简单、配置灵活和使用成本低等特点。三菱Q系列PLC是三菱公司中型机A系列PLC的升级产品，采用模块化结构形式，产品的组成和规模可以根据控制要求灵活组合。历经十几年的更新换代，其性能领先于其他主流品牌的PLC产品，具有强大的组网功能并有很高的可靠性与兼容性。随着网络化控制和集散控制的发展，PLC生产企业都开发了相应的通信模块或网络系统[2]。

CC-Link是三菱电机公司开发的现场设备总线，是一种使用简单、低成本、高性能的开放式现场总线网络[3]。三菱PLC的网络系统一般由现场设备总线网(CC-Link)、控制网(MELSECNET/H)和工厂信息网(Ethernet)构成[4]。CC-Link总线网络底层遵循RS-485标准，性能有了大幅度提升，抗干扰能力强、通用性强，最大速率可达10 Mb/s[5]，但随着工业网络化的发展，其较小的通信网络容量难以满足现代化大中型网络的现场设备控制需求。在集成其协议的循环通信技术基础上，CC-Link家族新推出的CC-Link IE可以实现控制与信息网络层间的整合[6]。Q系列PLC主要采用三菱MELSECNET/10(H)、CC-Link、串行通信等通信方式，并支持Modbus等其他厂商的网络协议[7]。Q系列PLC通常搭配型号为QJ61BT11N的CC-Link通信模块组成网络主站，选用FX系列PLC作为从站时需搭配FX-CCL系列的通信模块。

2 物流仓储自动化系统的组网设计

现代物流仓储系统通常由输送设备、存储设备与分拣设备等组成[8]。国赛现代电气控制系统项目先后设立了仓库分拣系统、立体仓库系统和平面仓库系统等具有物流仓储自动化特点的比赛任务[9]，各任务的电气控制对象见表1。

表1 仓库分拣系统、立体仓库系统和平面仓库系统任务的电气控制对象

本文以仓库分拣系统任务为研究对象，选用CC-Link网络对其进行通信组网设计与试验。

2.1 仓库分拣系统的控制要求

根据国赛题库公布的仓库分拣系统任务书，系统包括立体仓库、仓库分拣和平面存货三大工作区。各工作区的主要控制要求是：立体仓库区需实现仓库取货小车的水平、垂直运行控制；分拣区需完成货物类型检测及转运传送带的控制；平面存货区需对分拣传送带进行多段速变频运行控制等。该系统的各工作区既要满足独立的控制要求，又要能实现互相协调的控制流程。图1为仓库分拣系统图。

图1 仓库分拣系统图

2.2 系统组网的硬件设计

依据仓库分拣系统任务的控制要求，选用三菱Q系列的Q00UCPU搭配QJ61BT11N通信模块作为CC-Link网络的主站，仓库分拣区和平面存货区选用FX3U系列MR(继电器输出型)PLC作为网络中从站1(远程设备站)，立体仓库区选用FX3U系列MT(晶体管输出型)PLC作为网络中从站2(远程设备站)，并分别搭配FX2N-32CCL通信模块和屏蔽电缆与主站组网。为减少设备终端的信号反射，整个系统组网的电缆两端还需分别并联1只110 Ω的终端电阻，每只电阻跨接在两端站点通信模块的DA和DB端子之间[4]。

组网中人机交互界面采用触摸屏(HMI)控制主站及对各工作区从站进行统一的网络监控。选用昆仑通态公司的触摸屏(TPC7062系列)，并通过型号为TPC-Q的RS-232接口电缆与主站PLC实现串行通信。仓库分拣系统任务的组网设计连接图如图2所示。

图2 仓库分拣系统的组网设计连接图

仓库分拣系统的CC-Link组网一般包括系统组网的通信数据规划、主站网络参数设置、通信模块参数设置、通信组网程序设计和触摸屏的设置。

2.3 系统组网的通信数据规划

根据组网系统的规模，从站可以设置成占用1到4个逻辑站，每个占用的逻辑站有32个远程输入/输出点、4个远程读/写寄存器。仓库分拣系统的组网采用两个从站各占用1个逻辑站的设置，具体规划如下。

从站1：通过M0～M31、D0～D3读取主站的通信数据，通过M64～M95、D10～D13共享给主站通信数据。

从站2：通过M32～M63、D4～D7读取主站的通信数据，通过M96～M127、D14～D17共享给主站通信数据。

主站的远程输入/输出点选用M元件，远程读/写寄存器选用D元件。远程输出点(RY)为M0～M63，远程输入点(RX)为M64～M127。远程输入/输出点按顺序依次分配给从站1、从站2各32个输入/输出点。由于最终逻辑站的最后两位输入/输出点被系统占用，不能用于主站与从站之间的通信[10]，因此每个从站可使用30个远程输入/输出点。

2.4 系统组网的主站网络参数设置

在CC-Link网络中主站起到主管从站的作用，在整个CC-Link网络中仅需要在主站中规划通信数据并设置CC-Link网络参数。在编程软件GX Works2中新建“工程项目”，并进行CC-link主站参数设置。设置界面中，“模块块数”为“1”，“起始I/O”通过其端口分配设置中“PLC数据读取”获得，由主站的通信模块安装在基板中的插槽位置决定，本系统为“0000”；“类型”设置为“主站”，“模式设置”选择“远程网络(Ver.1模式)”；“总连接台数”依据网络中从站的个数，设置为“2”；“远程输入(RX)、输出(RY)点”依据上述M元件地址的分配设置为“M64”和“M0”。“远程读寄存器(RWr)、写寄存器(RWw)”依据上述D元件地址的分配设置为“D10”和“D0”。在网络发生通信错误时系统将进行重试，重试次数系统默认设置为“3”；“自动恢复台数”是从站因断电等原因从数据链接中断开后再次恢复链接时每次链接扫描能够恢复的台数，设置为“1”。

CC-Link网络还需要在“站信息”中对从站进行参数设置，两个从站的参数设置相同，“站类型”设置为“远程设备站”，“占用站数”设置为“1”；系统中“保留/无效站”选项，设置为“无”。

2.5 系统组网的通信模块参数设置

完成软件中参数设置后，还要根据所设参数在CC-Link模块上进行站数、站号和通信速率的设置。

从站的站数设置：将从站通信模块的“OCCUPY STATION”旋转开关设置为“0”，表示占用1个站(即占用1个逻辑站地址)。通过增加占用的站数可增加网络系统中通信点数量[11]。

站号设置：主站、从站1和从站2通信模块的“STATION NO×10”都设置为“0”，“STATION NO×1”分别设置为“0”“1”“2”。

通信速率的设置：根据CC-link网络的工作环境可设置156 kb/s～10 Mb/s不同的传输速率。由于试验环境较为理想，通信速率设为10 Mb/s，通信模块上的“B RATE”设置成“4”。如果各个模块的传输速率不一致，则通信错误灯“LERR”亮，此时各站之间无法进行数据传输。

2.6 系统组网的通信程序设计

CC-Link网络主要采用广播-轮询通信方式[5]，通信过程中主站通过链接扫描方式与从站的通信模块进行数据交换，从站使用FROM或TO指令读写缓冲存储器BMF中的数据。从站1通过FROM指令从通信模块的缓冲存储器BMF读取M0～M31和D0～D3的数据，用TO指令把M64～M95和D10～D13的数据传到通信模块的缓冲存储器BMF中；从站2通过FROM指令读取M32～M63和D4～D7的数据，用TO指令把M96～M127和D14～D17的数据传到通信模块的缓冲存储器BMF中。图3所示为从站1的通信程序。

图3 从站1的通信程序

2.7 系统组网触摸屏的设置

根据系统任务的控制要求，必须先在触摸屏的配套组态软件(MCGS)中设计控制界面并正确下载到设备。组网设计中触摸屏与主站采用串行通信的方式。为实现触摸屏与主站的正常通信，在触摸屏组态软件中建立Q系列工程串口，“编程接口类型”选项中选择主站的型号，通信数据格式与主站设置一致。如果组态软件的“编程接口类型”选项中没有Q00UCPU，可选用同系列的Q02UCPU。

3 试验与测试

基于上述仓库分拣系统的通信组网设计，搭建了试验的硬件平台。该平台主要由供电电源、控制设备、控制载体等组成。通信组网的测试区如图4所示。

图4 试验平台组网测试区

仓库分拣系统的通信组网测试分为3个步骤。

第1步，CC-Link参数诊断。使用三菱编程软件GX Work2对主站进行CC-Link诊断，查看通信模块参数及网络参数设置是否正确。CC-Link系统诊断测试界面如图5所示。

图5 CC-Link系统诊断测试界面

第2步，主站与各工作区从站的PLC通信测试。在主站、各从站的外部连接按钮开关和指示灯，对各站网络通信情况进行监测。在设计的各站通信程序控制下，通过主站的外接按钮开关逐步检测各从站之间的通信情况，观察外接指示灯的状态是否正常，以此确定CC-Link网络设计中的各项参数设置是否正确。

第3步，触摸屏与主站、各工作区从站的PLC通信测试。在组态软件中根据仓库分拣系统的控制要求，设计了各站的组网测试界面。触摸屏显示的组网测试界面中“触摸屏与主站通信灯”为通信状态变量，通信状态灯点亮表示触摸屏与主站的通信参数设置正确。按下组网测试界面中的通信测试按钮，从触摸屏的通信显示区中的指示灯状态观察各站的通信情况。仓库分拣系统的通信组网测试界面如图6所示。