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基于PLC的计算机通讯监控系统的研究与应用

范文

陈冬梅

摘要：随着现代工业自动化的发展，计算机控制技术得到了广泛的应用，计算机控制技术是计算机技术和自动化控制理论相结合的技术。PLC可编程序控制器是现代工业自动化的重要支柱技术之一。该文对PLC的工作原理和PLC网络通信基本内容进行了分析，开发PLC网络终端实现PLC工业系统数据管理，对PLC计算机通讯监控系统的设计和应用进行了研究。

关键词：PLC控制算法；PLC监控；计算机通讯；监控系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0024-03

1 PLC可编程序控制系统研究介绍

1.1 国内外研究分析

PLC可编程序控制器和PLC网络是CIMS系统构成的重要基础，是现代工业自动化生产的重要部分。在世界工业自动化领域中，PLC可编程序控制器和PLC产品在生产数量和生产质量上都非常高，在我国的国民经济相关的所有部门中也得到了大力的推广。全世界对PLC可编程序控制器和PLC网络进行研究的公司有300多家，按照发展的历史和地区进行划分，可以划分为三个部分，美国产品公司、日本产品公司和欧洲产品公司。在技术上看，PLC可编程序控制器和PLC网络的技术发展特点主要是运行处理快、控制规模大、内存容量大和可靠性高等特点，PLC技术发展的基础主要是计算机技术和通信技术的发展，目前PLC技术的发展还具有热备份和开放性等的功能，用户计算机连入PLC网络的技术的应用，使用户计算机迅速发展成为PLC网络的超级终端，PLC和PLC网络已经具备了DCS等系统的功能，PLC可编程序控制器技术的发展非常迅速，对基于PLC可编程序控制器及其网络技术的发展具有重要的意义。

1.2 PLC控制系统特点及工作方式

PLC、CAD和机器人作为现代工业自动化三大技术支柱，近年来PLC产品在工业控制设备方面的应用越来越多，PLC处理器处理速度的提高，促进了PLC功能的开发，PLC现在发展成为具有数据处理功能和联网通信功能的多功能控制器。PLC网络的性能高而且运行成本低，PLC网络已经发展成为具有4级子网的分布式网络，PLC网络还是具有动态画面显示和各类报表制作等多种功能的网络控制系统，在CIMS系统中PLC时重要的组成部分，PLC在价格上比DCS等控制系统的价格要低。PLC可靠性高，PLC具有很高的可靠性的控制裝置，采用了抗干扰的硬件，对PLC控制装置的模板机箱的设计上采用了电磁兼容性设计，应用差错校验等一系列故障检测技术，PLC采用具有抗干扰能力的周期循环扫描方法。PLC控制系统是工业制造的电控制器，主要采用电子计算机技术，对存储与PLC内存的程序进行运行从而控制进出信息的交换。PLC实现控制的要素是出入信息交换和可靠物理实现，出入信息交换式通过内存中的程序的运行来实现，程序有两种，一种是PLC企业提供的系统程序，一种是用户自己开发的应用程序。系统程序主要是为程序的运行提供一个运行平台，处理信号的转换功能，保证PLC系统可靠地运行。可靠物理实现是通过输入电路和输出电路，在PLC控制系统中，输入信息经过输入电路进的过滤处理，把输入信号的高频干扰去掉，通过继电器连接内部和计算机电路，从而实现内部和计算机电路的光隔离。输出电路要想带动工业控制元器件工作就必须要进行功率的放大，工业控制元器件有接触器等。PLC的数据流程如图1所示，在PLC数据流程图中，方框是代表信息存储的位置，箭头是数据的流向和数据流动需要的技术支持。

2 PLC可编程序控制器系统结构和配置研究

2.1 PLC控制系统配置分析

PLC系统配置的基本原理要遵循完整性，对系统各硬件和软件配置；经济性，从系统配置本身的经济条件进行思考；可靠性，包括PLC产品本身的质量，PLC产品服务技术，在特殊环境下要具有可靠性等；可发展性，对PLC系统进行配置的同时要留有可以进行扩展的空间；继承性，在配合和软件等方面要考虑到技术的可继承性。PLC控制系统的基本配置可以根据模板式和箱体式两种方式进行配置，模板式中包括CPU模块、内存模板和电源模板，CPU模板配置决定控制系统的运行速度的快慢，内存容量的大小等，CPU模板式系统配置首先要进行配置的。内存模板式在CPU模板配置范围内进行配置的，主要是满足用户存储数据信息和程序的容量的。电源模板为系统提供运行信号电源的，电源模板和CPU模板可以合在一起也可以是分开工作。

PLC控制系统的扩展配置是在基础配置的基础上来完成的，通过增加扩展架和扩展槽的方式，来增加I/O配置的点数，扩展配置可以充分对CPU和内存进行配置来降低PLC的单点费用，通过扩展配置来实现远程安装和维护等操作，扩展配置可以分为远程扩展配置和本地扩展配置两种方式。远程扩展配置的扩展部分是安装在远程位置，主体部分和远程部分通过介质的通讯来实现数据交换，还可以实现PLC主从控制，在地域分布比较大的系统中可以采用远程扩展配置的综合系统，即可靠又方便快捷，远程扩展按介质分有光纤、同轴电缆和双绞线等。本地PLC扩展配置比较简单，主要是箱体式的PLC扩展配置，扩展模板PLC扩展配置可以对I/O点数和机架等进行配置。PLC控制系统的特殊配置，要想实现特殊功能就要对特殊单元进行配置，高速计数器单元式用来处理大型高速计数信号的，特殊的高速计数器单元自己配备有CPU，可以对计数器进行独立的处理，高速计数器单元与PLC的连接是通过总线，CPU可以向高速计数器单元进行数据的读写，对高速计数器进行控制。位置控制单元用于对运动部件的位置的控制，在PLC控制系统中应用NC数控技术。模入单元和模出单元可以对模拟量进行处理，模入单元负责把模拟量转变成数字量，模出单元负责把数字量转变成模拟量。温度检测单元是模拟量的一种，不通过变送器直接从热电阻上读取信号，温度值BCD码可直接显示出来，导线阻值的问题可以通过接线来进行解决，温度检测单元有温度控制单元和温度传感单元等多种类型，主要是被应用与数据的输入输出和传输。

2.2 PLC网络拓扑结构和通信协议配置

PLC控制系统模型通常采用金字塔的结构来表示PLC产品提供的功能，在金字塔中，从下到上每个部分都发挥着自己的功能，金字塔模型结构的上层结构都是负责管理的，中层是对生产过程进行监控的，底层都是负责控制的。国际标准化组织提出了6级企业自动化系统模型。PLC的网络拓扑结构是复合型拓扑结构，采用的是多级通信子网，在每个不同的通信子网中配置了不同的通信协议，进而满足不同层次和子网的通信要求。复合型拓扑结构具有良好的通信适应性，而且还是可以扩展的。PLC网络中各个子网通信协议配置，通过对典型的PLC网络的分析，PLC网络采用的复合型拓扑结构通常具有4层子网，每个子网配置的协议都是按照不同的需求进行配置的。PLC网络的通信协议的配置主要就是通用协议的配置和专用协议的配置。早PLC高层的子网通用协议的配置一种是MAP3.0，一种是internet协议，这是PLC网络通用化的发展趋势。PLV网络的中层或者底层子网中采用的是专用协议的配置，最底層是负责对数据和命令进行传输的，信息短实时性高，采用的通信方式是I/O周期方式，中层负责监控信息的传输，通信协议主要是令牌方式进行控制。用户计算机要进行通信模板的配置才可以连入不同的子网，用户程序的编写也是按照不同子网的通信协议，这样在PLC上就不需要编制程序了，在用户计算机中可以植入企业提供的通信软件，这样用户通信程序就更加简单了。PLC网络物理层和链路层等作为底层子网对实时性要求高。PLC通信方式分为并行通信和串行通信两种方式，并行通信是多处理器之间的通信，在PLC内部完成PLC中CPU单元与其他模板CPU之间的通信。

3 基于PLC的计算机通讯监控系统研究

3.1 用户计算机与PLC网络通信实现监控

用户个人计算机在对数据的处理方面比较强大，具有自己合适的操作系统和软件操作平台，可以设置多种语言，具有动态画面显示。通过用户个人计算机实现操作的功能，建立一个小型的集散系统，在PLC网络中用户个人计算机作为工作站终端，实现集中显示的作用，个人计算机通过编辑器连入PLC网络，作为PLC编程终端进行编程和监控。用户个人计算机可以作为网络与网络之间的连接器实现转换协议的功能，为PLC网络和计算机网络实现互联。图2表示用户个人计算机的DH485网和Novell网连接在一起的结构图。

PLC控制方式主要是以扫描为主，以中断方式作为辅助的控制方式，通过扫描方式来进行大量的控制程序，如果出现个别需要处理的程序，就会中断扫描运行的程序来完成。通过对PLC工业控制系统的研究，掌握PLC控制系统的基本控制方法，把用户计算机和PLC控制网络系统通过网络连接在一起，完成用户计算机和PLC网络的正常通信，实现对PLC工业控制网络系统的管理，提高工艺的准确性和可行性，这样我们就可以完全实现PLC工业控制系统图形化的界面管理方式。

3.2 计算机通信监控系统软件设计

计算机通信机制是通过计算机的串行通信来完成的，通过计算机和PLC网络之间的连接实现对工业自动化生产的实时控制。串行通讯简单实用，主要采用RS-485通讯方式，在工业领域使用串行通信作为数据传输的方式是非常广泛的，RS-485通讯可以减少数据信号在介质中进行传播受到的外界环境干扰的影响，RS-485信号在传输时会经过正负两条线路进行传输。随着计算机技术的发展，串行通信发展迅速，新的USB通用串行总线的USB通讯技术逐渐占据优势，USB通讯技术可以把计算机周边的连接方式进行整合，设备较多时可以采用USB进行集中管理。计算机通信监控系统软件的设计主要是针对工程控制系统来进行研究的，系统通过外部设备对相关信息进行检测，计算机可以随时在线来获取相应的信息，计算机也可以实时发布控制命令，使工业控制系统达到管理的目的。计算机控制系统的硬件系统组成包括完成数据检测和数据采集的装置，数据采集装置是用来接受温度和电流等信号的，然后把接收到的信号转变成计算机控制系统可以识别的信号；完成计算机输入信号和输出信号转换的PLC模板，PLC模板式连接计算机和外部环境设备的，计算机可以与控制系统进行数据交流；完成数据加工处理的中央处理机，中央处理机可以对录入的数据信息进行计算，计算出系统工作的参数，之后把参数等数据输出给其他设备；显示器和键盘鼠标等专用的控制设备，它们是用户和计算机进行交流的工具，可以帮助系统在线检测，对参数实现在线修改。

4 总结

本文结合工业控制系统的发展方向和PLC网络配置的基本原理，对基于PLC的计算机通讯监控系统进行了研究和分析。PLC控制系统技术具有一定的实用价值，PLC监控系统研究用户个人计算机与PLC控制系统的连接问题，建立基于PLC系统的超级终端，实现对PLC监控系统的控制和管理。

参考文献：

[1] 高丽兵，侯来灵，宣征南，等.基于PLC的焦车运行位置测量装置[J].机械工程与自动化，2007（4）.

[2] 连光耀，黄考利，郑思龙.远程分布式测控系统的RS485总线通信[J].兵工自动化，2004（3）.

[3] 梁新平.基于PLC的自动线机械手位置控制系统设计[J].电子设计工程，2014（7）.

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