基于多总线的PLC通信架构研究与设计

伍儒彬（北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京 102206）

基于多总线的PLC通信架构研究与设计

伍儒彬（北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京 102206）

本文通过对现有PLC通信总线的架构和协议进行分析和总结，提出多总线架构的通信方案，包括低速总线、高速总线以及融合节点的设计和相应的示意图。

PLC；多总线；通信协议

1 引言

随着“工业4.0”、“物联网”、“互联网＋”、“智能制造”等概念的提出和相关国家层面政策的出台和前景探索，可编程逻辑控制器（PLC，Program Logic Controler）从过程自动化控制领域慢慢向自动化全领域延伸，同时，随着软PLC技术类产品的品种增加和成本下降，PLC或类PLC产品在信息化、智能化领域，无论是民用场合还是工业现场都有着广泛的应用案例和市场前景。本文将重点研究当前PLC通信总线及其架构实现的方式，并提出基于多总线思想的PLC通信架构设计和相关分析。

自2004年黄延延等[1]提出软PLC技术后，随着单片机技术的不断发展和成熟，多总线技术既有应用市场，也是发展过程中的一个研究热点和研究方向之一。为解决实际应用，出现了文献[2]的基于CAN总线的PLC网络通信方案研究，该方案的实质是增加一个CAN转换RS232的节点转换器来挂载PLC模块，实质是缺乏多总线而进行的一种补充；为解决PLC编程方面的便利，文献[3]给出解决方案，文献[4]中也提到了双总线和多总线的好处，因此，多总线的PLC通信结构有一定的发展前景和应用需求。

2 PLC通信总线现状

PLC产品的通信总线由PLC的产品形态和应用场景决定的，因此，在了解通信总线现状之前，对PLC产品的现状作简要概述，具体参考表1。

表1 PLC产品概况简表

通过表1可知，PLC产品的厂家众多，国内外厂商根据用户需求的不同，不约而同的将PLC产品分为大型、中型、小型，无论何种类型的PLC，总体归纳起来，PLC产品应具备如下特性：

（1）稳定性。在实现产品具有的功能（如采集、控制、计数、存储）外，稳定性是用户最为关心的，因为工业实际应用中，特别是过程自动化控制领域，稳定性是十分重要的指标和核心要素之一。

（2）可扩展性。可扩展性是指产品可以按照现场的应用需求进行增加和减少，对应一些应用场合，一期工程需要的功能已实现，可能在二期的时候需要进行进一步的扩展和增加，这时，需要在不进行大变动的前提下进行改造和补充。

（3）开放性。开放性一般是指对第三方厂家产品（一般是指对公开协议或者行业内认可的通信协议）的支持程度，比如对一定总线下的标准协议支持，如MODBUS主从站通信协议，CANopen协议等等。支持的协议数量越多则代表开放性越好，反之，则是开放性越差。

（4）冗余度。冗余是工业实际应用中为保证数据、信息、命令等可以顺利上传、下载、监控、执行等实现的一种技术手段和实现方法，其核心和关键为当一条链路或总线失效后，如何安全有效地切换到备份链路上同时安全、完整、有效地继续执行当前任务。

（5）易操作。友好的界面操作和符合常规人类思维的执行方式，是产品软实力的体现和被业界承认的重要标准之一。

（6）安全性。PLC产品的安全性体现在核心和关键数据传输时可否加密上，更重要的是，产品的在受到入侵以后能否进行必要的自我保护和对外发出警告；这一性能指标往往与开放性是相矛盾的，因此，该项性能的提升往往意味着客制化定制和开放性降低。

（7）实时性。是指在一定的时间内保证某一任务或某一动作可以执行或者完成等，如10ms周期内反馈开关量状态。响应时间越小，实时性指标越好，同时响应的点数或任务数越多，实时性功能越强。

（8）指令体系。指令体系一般是指对各种标准或体系下的语言、图形的支持与否；如IEC61131-3体系下的梯形图、功能块等；或者是对某些公用的大厂商，如西门子的指令体系进行支持或部分支持。当前，多数厂家都支持一些业界公认的指令体系，如IEC61131-3。

通过对PLC产品的现状研究和产品特性分析，PLC产品常用的且得到大家公认的通信总线现状可总结如表2所示。

表2 常用工业通信总线现状

表2中，FF总线目前在国内的应用主要限于仪表类产品进行适用，是基于数据流总线来进行的，很少有厂家采用该总线作为PLC产品的通信总线使用；而PROFIBUS总线分为三类，有2类属于数据流总线（PROFIBUS-FMS/PA），而PROFIBUS-DP则属于字节类型总线；CAN总线在汽车类产品使用较多，有较好的灵活性，可根据不同的速率决定通信距离，一般应用上来使用按位总线类型进行处理；RS485总线使用的极为广泛，工业现场的许多设备都采用该总线作为通信接口，现场维护方便，业内知名度高，主要应用于位总线类型；以太网技术已经深入到各个场合，工业设备特别是控制类型设备的必备总线，其带来的革命性速度和技术的不断发展，以太网总线的特点适合应用数据流总线。

谈到通信总线的架构总是离不开相关通信协议的，以下简单对常用工业通信协议进行总结和分析，参考表3。

表3 常用工业通信协议

根据上文的分析和总结，作为最常用的MODBUS协议是工业类产品最常见的也是实现起来最简单的一类，而基于CAN总线的CANopen协议和PROFIBUS协议则是需要花费一定时间以及一定人力进行实现；而代表着未来发展方向则是POWERLINK协议和以太网协议；另外，不可忽视的是为保证安全性，各企业对产品进行自我保护的私有通信协议也是未来发展的一部分分支。

3 多总线PLC通信架构的可行性

CANopen协议和PROFIBUS协议均有相应的机构或者标准进行保证，所以不需要做过多的分析，而POWERLINK协议则是新成长起来的协议，本文亦不作过多的分析。

（1） 多总线通信架构的协议技术可行性分析

从技术上看，本文所列出的总线，均是成熟的、经过验证可行的总线（或现场总线）架构，在技术实现上无太多难点，现将相关实现要点作简要说明：

①MODBUS协议，工业类的通信总线，基本上都可以支持该协议，实现难度低，普及程度高。

②以太网协议，现有的居多工业类操作系统都包含以太网通信协议栈，实现起来方便快捷，更多的工作主要体现在裁剪和应用层修改上。

③私有协议，为保证安全性，需要根据客户需求或者产品特点进行；工作量和实现难度取决于协议覆盖面、通信效率、协议纠错能力以及响应时间等特征来进行判断，一般来说，都是基于某一标准协议进行打包或者修改完成，如基于CAN总线的CANopen私有通信协议。这样便可以大幅度减少工作量，同时又保证了协议的质量。

（2） 多总线通信架构的硬件成本简要分析

多总线带来的好处显而易见，但其带来成本的上升也要做考量，以下对成本作简要分析。

①以太网总线，须有以太网芯片或者以太网交换芯片和以太网控制器组成，成本大约在100～200之间可实现该功能，并具备一定的接口保护能力。

②CAN总线，CAN控制器和CAN接口通信芯片，价格大约在40～70之间可以实现。

③RS485总线，485控制器和485接口通信芯片，价格大约在30～50之间可以实现。

综上所述，多总线的PLC通信架构在技术实现上没有障碍，成本价格上会有适当的增加，因为其支持的总线类型至少是两种或以上，成本增加是可以理解和接受的。

4 多总线PLC通信架构的设计

根据前文所述的特点及可行性分析，本文关于多总线通信架构的设计分为3部分，即低速总线设计、高速总线设计、高低速总线的节点融合设计。

（1） 低速总线设计

图1 低速总线示意图

如图1所示，低速总线主要包含CAN总线和RS485总线，即任何一个PLC模块都包含CAN总线RS485总线，若考虑冗余性能，可将每个模块都包含双CAN总线和双RS485总线。

（2） 高速总线设计

图2 高速总线示意图

如图2所示，高速总线采用以太网进行实现，主要根据不同的需求设计成两种，即由交换芯片和处理器组成的以太网级联通信架构方案，该方案由交换通信芯片和通信控制处理器组成实现；而双以太网通信方案，则由两个以太网芯片分别连接通信控制处理器组成实现。两方案最大的不同在于通信处理器的要求不一样，一般双以太网通信方案的芯片要求要高于级联的方案。

（3） 融合节点设计

高速总线与低速总线在数据交换时会存在一个节点或者说容器进行转换，这个节点需要进行响应的指标计算以及高速总线与低速总线数据交换流程的设计。

①基于串行结构的融合节点设计

图3 串行结构融合节点连接示意图

图4 串行结构融合节点挂载PLC模块示意图

基于串行结构的融合节点需要支持3条总线，即支持级联的以太网总线、RS485总线、CAN总线，并且应具备一定的存储空间和运算能力，同时，需要对低速总线上挂载的PLC模块进行控制和数据上传、下载、命令执行等。其结构如图3所示，融合节点与PLC模块之间通信如图4所示。

②基于并行结构的融合节点设计

图5 并行结构融合节点连接示意图

图6 并行结构融合节点挂载PLC模块示意图

并行结构的融合节点，也需要支持3条通信总线，即支持级联的以太网通信总线、CAN总线、RS485总线，其中支持级联的以太网总线可以是单总线，也可以是双总线，若是双总线则可以将另一总线用着备份，使其局部具备冗余特性。其结构如图5所示，融合节点与PLC模块之间通信如图6所示。

③基于混合结构的融合节点设计

图7 混合结构融合节点连接示意图

图8 混合结构融合节点挂载PLC模块示意图

混合结构是串行结构和并行结构的组合实现的，因此，包含的3类总线与上面一致，同时，要求其以太网总线必须是双总线，一条以太网总线实现对上数据传输，另一条总线则用于串行结构的数据进行通信和传输，其结构和连接分别如图7、图8所示。

5 结语

本文对PLC多总线通信结构设计进行了研究和探讨，并提出了适应PLC总线研究及其实际需要的总线架构和方案，该方案具备一定的开放性、通用性并为冗余性预留可行性空间，其实用性和价值有待未来继续验证和证明。

[1] 黄延延, 林跃, 于海斌. 软PLC技术研究及实现[J]. 计算机工程, 2004, 30(1) : 165 - 167.

[2] 薛青娜. 基于CAN总线的多PLC网络通信方案研究[J]. 微处理机, 2012, 33(1) : 27 - 30.

[3] 任伟, 蔡启仲. PLC编程器核心模块设计[J]. 计算机系统应用, 2010, 19(4) : 219 - 223.

[4] 高骥超, 吴旖, 舒云. 基于PROFIBUS总线通信的船舶配电设备监控系统设计[J]. 船电技术, 2010, 30(9) : 16 - 19.

Research and Design of PLC Communication Architecture Based on Multibus

This paper analyzes and summarizes the existing PLC bus architectures and communication protocols. We present a new communication scheme in the multibus architecture, including the design of low speed bus, high speed bus and fusion node, and the corresponding schematic diagram as well.

PLC; Multibus; Communication protocol

伍儒彬（1982-），男 ，湖北武穴人， 工程师， 硕士研究生，研究方向为嵌入式系统及应用。

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1003-0492(2016)12-0078-04

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