基于触摸屏与PLC的控制网络研究

朱志伟

摘 要：传统工业控制系统正向网络化发展，本文归纳了基于触摸屏与PLC的控制网络的构成及通信实现方式，分析了现场总线和工业以太网作为控制网络的不同特点，指出了工业控制系统必将发展成为各通信层都采用工业以太网的无缝信息集成系统。

关键词：触摸屏；PLC；控制网络；工业以太网

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.109

1 控制网络的发展现状

典型的工业控制系统包含生产决策层、生产管理层、控制网络和现场层。生产决策层是以太网通信；生产管理层是工业以太网通信；现场层主要采用现场总线通信；控制网络层主要完成现场一级控制设备装置之间数据信息交换，往往采用现场总线通信以满足传统控制设备间需要实时、可靠的简单数据通信要求，也有越来越多的控制设备支持工业以太网通信，以适应智能制造时代对控制网络层通信提出的更高要求。总而言之，控制网络层的通信技术标准不太统一、通信协议繁多且不够开放，导致目前的工业控制系统成为一个个与外界隔离的孤岛，造成这个问题的主因是现场总线标准较多，在万物互联的发展趋势下，为了解决这个问题唯有选取一种开放的广泛应用的通信网络标准作为控制网络的实现，工业以太网必将是控制网络最佳的选择。

2 基于触摸屏与PLC的控制网络的构成

基于触摸屏与PLC的控制网络，即是指工业控制系统中现场级触摸屏和各PLC相互之间的数据信息交换的通信网络。本文将以S7-200Smart PLC、S7-300CPU315-2PN/DP PLC和MCGS触摸屏等控制设备之间的控制通信为例，归纳分析其控制网络的不同构成及特点。由于它们都有RS485和RJ45接口，并支持现场总线和工业以太网，故其可构成控制网络的应用方式主要有3种：Fieldbus控制网络、工业EtherNet控制网络、Fieldbus-EtherNet混合控制网络。下文将按这3种方式的实践应用情况，分析各自的应用特点。

3 Fieldbus控制网络

Fieldbus技术标准多，没有一种现场总线技术标准能够满足所有应用的需要，Fieldbus控制网络只能接入支持相同通信标准的设备，这给工业控制系统的应用带来了诸多不方便。典型Fieldbus控制网络应用，常以RS485串行端口为通信接口，组成现场总线，采用ModbusRTU通信协议，实现触摸屏和多台PLC之间的相互通信。具体的通信组织方式：触摸屏为通信主机，在触摸屏的设备组态中添加一个父串口及多个子串口设备，每一个子设备对应一台PLC；各PLC为通信从机，轮询的方式被动与触摸屏进行数据交换，PLC之间并无直接的数据交换通道，PLC之间地数据交换要在通信主机触摸屏中依靠策略组织实现。

实践测试结果表明：Fieldbus控制网络这种主从通信的特殊方式，只能够适应控制网络中控制设备数量较少且通信数据量不大的场合，并不适应控制设备数多且有较多数据信息需要交换的应用，否则难以保证控制系统对实时性的要求。鉴于此，Fieldbus控制网络往往应用于数量不多的小型PLC和触摸屏之间的相互通信场合，并不能适应智能制造发展对控制网络高速大数据量的通信要求。

4 工业EtherNet控制网络

传统的工业EtherNet延时较大实时性差且传输数据可靠性不好，故只在生产管理层及以上采用，在控制网络层及中不被采用。但随着技术的发展，新的工业EtherNet不仅实时性和可靠性能够满足工业控制的要求，还能够支持更多的控制设备完成大量数据信息的交换，这使得工业EtherNet控制网络在众多新一代控制设备上得到了支持，但当前的工业EtherNet通信还没有统一的通信协议。

工业EtherNet控制网络，采用RJ45标准接口，以工业交换机为中心，所有控制设备连接于交换机上，每一个设备地位平等，每个设备都可以是通信的主体，各设备可同时发起通信请求，各设备间可自由的实现大量数据信息交換。具体的通信组织方式：典型通信方式是让触摸屏和一台高性能的PLC作为通信主体，它们在控制网络中向各PLC主动发起通信请求，如MCGS触摸屏负责HMI界面与各PLC的数据通信，高性能的S7-300CPU315-2PN/DP PLC作为各PLC之间的相互通信的枢纽，其它S7-200Smart PLC被动接受通信请求。

实践测试结果：由一台MCGS触摸屏、2台S7-200Smart和一台S7-300CPU315-2PN/DP PLC构成的工业EtherNet控制网络，在2KByte数据量通信时能够在0.05秒内可靠完成，具有通信数据量大、实时性较高、可靠性高的特点；S7-300PLC编程实现工业EtherNet通信，要用到PUT/GET通信模块，由于其通信协议不开放支持接入的设备受限，直接接入Internet的潜力有限。鉴于此，新的工业EtherNet控制网络应制定统一开放的技术标准、通信组织方式自由灵活、可接入设备数量较多、通信数据量大、实时性高、可靠性高和融合Internet的特点，比Fieldbus更适应工业控制发展的新要求。

5 Fieldbus-EtherNet混合控制网络

目前，部分控制设备还没有支持工业EtherNet，这样有时只能采用Fieldbus-EtherNet混合控制网络完成设备间的信息交换。典型应用案例：MCGS触摸屏通信采用Fieldbus，S7-200Smart PLC之间通信采用EtherNet，使一台核心PLC作为EtherNet中各PLC之间相互通信的枢纽，触摸屏通过ModbusRTU协议与核心PLC通信，触摸屏与各PLC的信息交互由核心PLC中转。这种混合方式，是当前控制网络由Fieldbus向EtherNet发展的一种过度，鉴于当前控制设备的现实情况不失为一种发挥设备最佳应用效果的务实选择。

6 总结和展望

随着数字技术、工业通信技术和计算机技术等的发展，控制网络采用标准化的工业以太网技术成为必然结果。不仅于此，现场级触摸屏、PLC、驱动器、执行机构等也必将支持工业以太网及TCP/IP协议，工业控制系统最终发展成为决策管理层（包含传统的决策层和管理层）和控制网络层（包含传统的控制网络和现场总线层）都采用标准化的工业EtherNet的无缝信息集成系统，这将能够适应智能制造时代对工业通信的更高要求。