基于最优同变估计的PLC工业控制网络

张斌

摘 要：本文提出基于最优同变估计的PLC工业控制网络的最优同变估计解决方案，实例验证MODBUS/TCP工业以太网和EPA工业以太网集成PLC现场总线。依据电力设备故障诊断系统的需求，实例验证基于工业以太网和PLC现场总线的嵌入式数据采集与故障诊断系统的设计方案。

关键词：工业以太网 PLC现场总线 网络集成

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0086-02

近几年工业控制网络是最新发展形成的自动控制领域的网络技术，它是计算机网络、通信与自动控制技术相结合的产物。随着自动控制、计算机、通信网络等技术的发展，企业信息集成系统也在快速增长，为了适应企业管理和控制应用的集成将涵盖从现场控制监控市场、各级管理层次、采购原料、生产加工的各个方面，一直延伸到成品的储运销售，甚至世界各地市场的供需链的整个过程中[1-2]。企业信息系统的开发对开放式的工业数据通信，底层控制网络的功能和性能都提出了更高的要求。这也是PLC现场总线在国内应用较少的一个重要原因[3]。尽管PLC现场总线发展多年，但从经济、安全与现有的DCS或PLC相比，没有明显的优势，因此PLC现场总线系统目前应用集中在小的系统和旧系统改造上较多。这导致了一方面，小系统一般不加入管理自动化和远程诊断功能，不能发挥PLC现场总线系统功能，减少了运行和维护成本的优点；另一方面，大系统或关键系统在小型系统不能被反射的问题，PLC现场总线优势不能充分体现，这也阻碍了PLC现场总线的发展[4]。

1 基于最优同变估计的PLC工业控制网络的系统架构设计

在图1所示的工业以太网PLC现场总线系统的集成架构。该架构是基于流行的嵌入式平台上，主要使用ARM和x86的嵌入式系统的硬件平台，嵌入式硬件平台，研究了MODBUS杨磷、环保局、MODBUS、INTERBUS、PROFIBUS和其他工业以太网和PLC现场总线技术。

该平台分为三层。支持工业以太网或PLC现场总线的智能I/O设备组成设备层。目前这款智能I/O设备已经在工业领域非常流行，较多地应用于工业现场。通过不同的网络协议转换网关实现设备层的不同网络，这样的设备也比较受欢迎，而且还可以自己开发。控制层由一个基于控制器的嵌入式平台构成。控制器通过工业以太网PLC现场总线与现场设备通信，或通过工业以太网设备与监控层面进行交流，主要用于数据采集，数据处理，状态监视和网络通信等功能。操作站、工程师站、Web服务器和数据库服务器等组成监控层，主要完成现场设备、数据存储、Web发布等功能的操作与监控。

2 应用程序

嵌入式数据采集和故障诊断平台作为例，研究工业以太网集成PLC现场总线的具体实现。对于大型汽轮发电机组的电力设备，实现了电厂主机和辅机的数据采集和故障诊断。

本系统广泛采用自动化技术，计算机技术，网络通信技术，嵌入式技术和互联网技术，它是在PLC现场总线、工业以太网和Interact基础上的应用系统。MODBUS/TCP工业以太网和PLC现场总线的MODBUS可以实现无缝集成，但MODBUS/TCP协议采用TCP/端口的数据包的校验机制，而不是使用MODBUS的CRC或LRC校验机制。MODBUS的综合通信网络监控系统可以分为监控层和设备层两个部分，通信网络由MODBUSPLC现场总线网络和MODBUS/TCP工业以太网两部分组成，这两层网络通过协议转换网关连接。图1所示的系统结构。图中工程师站、操作站等由PC机作为监控层计算机监控整个网络。Modbus/TCP協议转换网关和现场设备的嵌入式系统中实现。

如图1所示，混合网络有支持MODBUS/TCP协议数据的设备节点，也有Modbus和Modbus/TCP协议转换网关。

支持MODBUS/TCP协议的数据采集节点包括：信号采集、数据处理和数据传输三部分，在某些情况下还需要有数据显示功能。嵌入式数据采集系统以Philips公司的LPC2220微控制器为主控芯片进行硬件设计。LPC2220微控制器是基于支持实时仿真和嵌入跟踪的32位ARM内核，采用144脚封装，功耗极低，有多个32位定时器，8路10位ADC，PWM输出以及9个外部中断管脚。它适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机（POS）等。通过配置总线，最多可提供76个GPIO。

3 结语

本文提出一个工业以太网集成PLC现场总线的嵌入式系统架构设计方案，该方案采用工业以太网和PLC现场总线混合网络的方法，适用于各种工业应用，设计了多种工业以太网集成PLC现场总线的应用，以及直接利用工业以太网或PLC现场总线的应用方案。

参考文献

[1] F Dopatka，R Wismüller.Achieving realtime capabilities in Ethernet networks by edge-coloring of communication conflict-multigraphs[A].International Conference on Parallel and Distributed Computing and Networks[C].2006：180-185.

[2] M Felser.Real Time Ethernet industry prospective[J].Proc. of the IEEE，2005，93（6）：1118-1128.

[3] I Holyer.The NP-completeness of edge-coloring[J].SIAM Journal on Computing，1981，10（4）：718-720.endprint