通信技术在PLC自动化控制系统中的应用研究

屈俊玲

摘要：文章将通信技术在PLC自动化控制系统中的应用作为研究对象，简单叙述了PLC自动化控制系统的原理，再从通信网络、通信协议、信息检错等维度，详细分析了通信技术在PLC自动化控制中的具体应用，最后对PROFIBUS通信技术做了详细分析，旨在为更多工业生产单位提供技术指导，提升通信技术在PLC自动化控制系统中的应用效果。

关键词：通信技术；PLC自动化控制系统；技术应用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.033

中圖分类号：TN 91，TP 273          文献标志码：A           文章编码：1672-7274（2024）04-0-03

Research on the Application of Communication Technology

in PLC Automation Control System

QU Junling

（Shanxi Railway Vocational and Technical College， Taiyuan 030013， China）

Abstract： The article takes the application of communication technology in PLC automation control system as the research object， briefly describes the principle of PLC automation control system， and then analyzes in detail the specific application of communication technology in PLC automation control from the dimensions of communication network， communication protocol， information error detection， etc. Finally， a detailed analysis is conducted on PROFIBUS communication technology， aiming to provide technical guidance for more industrial production units， improve the application effect of communication technology in PLC automation control system.

Keywords： communication technology; PLC automation control system; technology application

1   PLC自动化控制系统工作基本原理

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑），其作为工业生产领域的重要计算机系统，是工业自动化生产体系的重要组成部分。因为PLC硬件设备使用数量较少，所以合理应用PLC，可以有效降低硬件设备的接线数量，规避连接点接触不良的运行故障。并且，我国在PLC软件系统开发方面逐渐完善，制造适合多个领域应用的硬件设备类型，可以适配于不同工业生产单位的生产需求，适用性较强，在安装维护等方面具有较好的应用效果。

其中，CPU（Central Processing Unit，中央处理器）作为PLC的核心零部件，主要工作是负责接收PLC软件程序与生产设备的运行数据。在PLC自动化控制系统运行期间，CPU会接收来自机械生产设备的运行数据，收集机械生产设备的工作状态参数，将运行数据、状态参数等内容全部存储到I/O映像区中。在这个工作过程中，PLC系统会和机械生产设备进行信息交互，机械生产设备会根据PLC自动化控制系统的指令执行逻辑，执行预先设置的运行程序。在数据存储到I/O映像区，结束执行运行程序的任务后，机械生产设备会接收I/O映像区的输出数据，让机械生产设备在PLC自动化控制系统的全程控制下稳定运行。实现机械生产设备的稳定运行。在实际生产作业中，使用PLC自动化控制系统时，一般会启用双CPU冗余模式，即将两套CPU系统投入到应用中，一套投入生产应用，一套作为备用。如果一个CPU出现运行故障，可以及时切换到正常的CPU，让PLC自动化控制系统保持正常运行状态，让机械生产设备可以实现不停机维护，保障稳定的工业生产[1]。

2   通信技术在PLC自动化控制系统中的应用

在PLC自动化控制系统条件下应用通信技术，可以细化为通信网络、通信协议、信息检错等几项内容。

2.1 通信网络

计算机网络的运行质量与网络分布距离、组成规模等因素有着直接关系，通信技术在PLC自动化控制系统中的应用，可以根据其组成规模，划分为简单网络和多级复杂网络两种类型。对于简单网络，即将PC（Personal Computer，个人计算机）作为通信网络的主体角色使用，根据一台或多台相同型号的PLC建设简单网络系统。在PLC自动化控制系统规模较小时，可以考虑构建一个内容相对完善、结构相对简单的集散化控制系统。在系统中，PC作为操作站使用，负责显示PLC自动化控制系统的各个环节运行情况，根据使用需求进行系统的编程作业，并对各类工业生产设备运行情况进行实时化监控。在遇到突发安全事故时，工作人员可以直接通过控制PC的方式，对问题工业生产设备进行有效控制。除此之外，也可以考虑用PLC设置主站，以相同型号若干台PLC设置从站，建设主从化的PLC通信网络结构。多级复杂网络是在大型工业生产单位中广泛应用的一种网络结构。但是，不同的PLC生产工艺存在一定差异，实现功能也有所不同，这会导致PLC自动化控制系统在运行功能、结构层数等方面出现较大程度的差异。PLC的制造商一般会使用金字塔结构设计PLC产品，将底层作为工业生产控制的工具，将中间层作为生产过程中控制与生产程序优化的工具，上层则作为管理、控制生产各个环节的工具。以PLC产品结构设计的多级复杂通信网络，则是以三级子网或四级子网为设计基础，设计的一种复合型通信结构，以系统互连、功能互通作为底层运行逻辑，实现对不同生产区域的不同工业生产设备实时化控制。考虑到不同层次使用的通信协议存在较大差异，为合理匹配工业生产过程中的差异化控制需求，可以考虑启用多层次的控制网络，对于多级复杂网络做进一步细化处理[2]。

2.2 通信协议

为保障通信网络在通信过程中，通信双方可以保持正常的数据传输与信息交流，需要设计合适的网络通信协议，从而有效保障PLC自动化控制系统稳定运行。这也是通信技术的重点处理内容。对于通信协议来说，其本质是一种通信网络运行的规章制度，通信双方可以正常识别通信的数据内容，保障通信的同步性。并搭配与通信协议功能配合的信息检错机制，对通信数据信息做相应的检测，从而获得准确的数据信息。PLC自动化控制系统的通信网络，一般会选择通用型通信协议或专用型通信协议。通信网络的中层与底层子网络一般会选择面向工业生产单位的專用型通信协议。以底层子网络为例，其需要控制通信网络通信的过程，维持正常的数据传输。尽管在信息量方面，底层子网络传输信息量要低于中层子网络、高层子网络，可是其对信息传输实时性具有较高标准。专用型通信协议存在应用层、链路层、物理层等层次，在信息传输效率方面表现良好，可以满足底层子网络的运行需求[3]。PROFIBUS（PROcess FIeld BUS，程序总线网络）是一种使用频率相对较高的专用型通信协议，在实际应用中，对于保障信息传输效果具有较好的表现效果。通用型通信协议主要应用在PLC自动化控制系统的高层子网络，其负责各个子网络的相互连接，并将PLC自动化控制系统构建的内部通信网络与局域网进行互联。对于高层子网络，其主要负责管理传输信息数据，通用型通信协议可以极大提升数据传输效率，提高数据传输量，更符合高层子网络的运行需求。

2.3 信息检错

对于PLC自动化控制系统，需要保证其可以正常使用检错功能、纠错功能，实现误码的有效控制目标，进而提升工业生产体系运行的稳定性。而这种检错、纠错功能，也是通信技术在PLC自动化控制系统应用的重要考核标准，需要确保通信技术可以有效识别数据信息传输过程中的各类错误，并根据预设的系统与程序，对错误做出合理纠正，避免最后接收的数据信息出现严重错误，进而达到对PLC自动化控制系统有效的信息纠错效果。在普通的通信技术信息检错功能中，一般会通过奇偶校验等方法实现。如果是一些生产高精密机械设备的PLC自动化控制系统，可以考虑使用CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）与通信技术的组合方式，根据PLC自动化控制系统的运行与停止，作为技术组合的启动与关闭指令，实现自动化检错，可以极大缩减检错的时间成本，稳定提升数据信息检错准确率[4]。

3   PROFIBUS通信技术分析

3.1 总线访问控制

对于PROFIBUS系统，其DP总线（Data Path Bus）、PA总线（Address Path Bus）均采用单一总线访问模式，开展PLC自动化控制系统的相关控制，主要控制形式可以细分为令牌传递、主从传递两种形式。在PROFIBUS运行过程中，在每个时刻发送数据信息的站点具有唯一性，对于PLC自动化控制系统的数据信息实时传输具有较高标准，一般会通过令牌传递形式满足访问控制需求。对于令牌，其仅与主站之间的通信需求有直接关系。可以通过设定主站之间通信周期的方式，强化令牌的传递控制，确保各个主站可以在预先设置的规定时间内，获取相应的令牌，主站会在这个时间内获得相应的总线访问权。由令牌构成的令牌环，在PLC自动化控制系统则以各个主站中的组织链形式存在。在主站获得令牌后，会向从站发送相应的数据信息，进而实现主站与从站的有效通信。利用这种令牌传递+主从传递的组合方式，可以根据工业生产实际需求，对PLC自动化控制系统做整合处理，以若干通信子系统的方式，提升PLC自动化控制系统的灵活性。

3.2 通信协议

对于PROFIBUS的物理层，可以使用RS-485物理连接形式连接，比如DP物理连接或FMS物理连接。对于RS-485，其也会通过平衡差分传输模式，强化通信协议的稳定性。考虑到PLC自动化控制系统运行过程中，会产生一定的环境噪声，可以通过铺设拥有屏蔽层的双绞电缆，对大小相同、方向相反的信号进行传输，合理控制环境噪声对于PROFIBUS信号造成的负面干扰。以RS-485物理连接形式形成的拓扑结构，单一网段可以实现同时接入32台设备，拥有1 200 m的网段距离，最大传输速率可达12 Mbps。以OSI参考模型设计的PROFIBUS数据链路层，可以对数据安全、传输协议等做有效规定，进而对链路连接的构建、拆除等行为进行有效控制，确保PLC自动化控制系统数据信息的精准传输[5]。

4   PLC自动化控制系统的故障诊断

在PLC自动化控制系统中，应用PROFIBUS通信技术的故障诊断可以细分为硬件设备与软件系统两种类型。

4.1 硬件设备诊断

对于PROFIBUS总线，其使用RS-485双绞线进行通信，通过标准DP电缆做相应的站点连接处理，利用信号中继器等硬件设备进行网络扩展。针对底层物理线路的通信故障诊断，一般会使用硬件设备诊断工具完成。比如工作人员手持式BT200，在铺设总线线路网络、安装站点期间，测试PROFIBUS线路各个位置是否保持正常连接状态，检查当前应用的站点端口能够实现稳定通信。一般情况下，可以通过BT200测试A线与B线是否出现接反问题，或是测试Shield线路是否产生断路或短路故障。也可以直接将BT200应用到主站或从站站点，检查整个PLC自动化控制系统的通信网络运行质量，确认总线网络可以投入使用的站点数量。相比于其他硬件设备诊断工具，BT200操作难度偏低，可以实现快速测试，测试结果具有较高的准确率，在PLC自动化控制系统中安装PROFIBUS初期发挥重要作用。除此之外，也可以考虑使用Profitrace在线诊断的硬件设备诊断工具，其主要功能是短时监测，是针对PROFIBUS监测物理信号、站点电压等专用工具。技术人员可以根据实际工作的需求，利用硬件设备以动态形式显示PLC自动化控制系统运行信号的波形图，从而诊断网络拓扑是否保持正常工作状态，并对主站当前运行情况做相应的诊断处理[6]。

4.2 软件系统诊断

对于PROFIBUS的软件系统诊断，可以细分为系统功能块与专用诊断功能块两种形式。可以使用S7V5.5编程软件，利用其内置的系统功能块诊断功能，获取PROFIBUS运行过程中产生的数据信息，并根据功能块的工作条件，分析获取的数据信息，确认PLC自动化控制系统各个工作环节是否保持正常运转状态。这些数据信息包括站点的当前工作状态、网络拓扑信息等内容。对于专用诊断功能块，则是由PLC生产单位，向工业生产单位的程序开发人员提供的功能模块，可以对PLC自动化控制系统运行故障进行有效诊断，分析PROFIBUS的运行状态。

5   结束语

在升级PLC自动化控制系统时，除本文提及的几种通信技术基础应用内容外，也可以从PROFIBUS通信技术角度，对其在PLC自动化控制系统中的应用做更全面的分析。在具体应用中，可以对工业生产单位当前生产需求、未来发展规模等做详细分析，结合本文理论内容，设计一套匹配实际生产条件的通信技术应用方案，确保PLC自动化控制系统可以实现稳定、高效运行，向社会输出高品质的工业产品，助力各个领域的稳定发展。

参考文献

[1] 张志国．油田工业控制系统PLC通信技术研究[J]．油气田地面工程，2022（4）：49-53.

[2] 李宇轩．基于PLC自动化控制系统的通信技术探究[J]．科学技术创新，2021（24）：104-105.

[3] 张玉伽．通信技术在PLC自动化控制系统中的应用分析[J]．现代工业经济和信息化，2021（6）：113-114.

[4] 孔继民．PLC冶金自动化控制系统中的通信技术运用研究[J]．冶金管理，2021（3）：47-48.

[5] 高专科．对基于PLC自动化控制系统的通信技术分析[J]．中国新技术新产品，2021（1）：4-6.

[6] 王兆远．浅议PROFIBUS通信技术在PLC冶金自动化控制系统中的应用[J]．电子测试，2020（9）：90-91.