高专科

（陕西延长石油兴化集团电气仪表公司，陕西 兴平 713100）

1 可编程控制器

PLC自动化控制系统是基于PLC技术而构建的1种控制系统。PLC 技术就是1 种利用可编程逻辑控制器进行控制的技术，其可以对内部程序进行改变，并在一定用户的指令下对自动化系统进行控制。该技术可以进行相关逻辑运算。在逻辑运算后，系统会生成模拟控制量，进而控制相关机械设备的运转[1]。与传统自动化控制技术相比，PLC 技术进一步融合了微机技术和继电器技术，同时还对这2 项技术进行了进一步的升级。PLC 技术在实际应用中，系统接线更为简便安全，同时工作效率也更高、更安全。通常情况下PLC 技术主要由计算处理CPU、数据储存器、电源系统、固定程序、通信模块以及处理模块等共同构成。此外，由于PLC 可编程控制器以数字技术为基础，因此，其可以与网络数字技术相结合，实现生产中的信息化控制以及统一管理，这对于保证生产的稳定有序发挥了积极的作用[2]。由此可见，PLC 技术在现代工业化生产中是自动化控制的不二选择。

PLC 可编程控制器经过长时间的发展，已经具备了数据处理、联网以及运算等多种功能，形成了1 种分级网络控制系统。这其中也有现代通信技术的身影。而当前的现场总线技术正是基于信息技术与PLC 控制系统在工业企业生产各环节中的应用而发展形成的1 种技术，其安装在生产制造的相关设备、仪表和控制性的网站空间设备之间，用以连接各节点形成1 个完整的网络与控制系统，而基于PLC 的通信技术正是实现现场总线技术的基础。

2 PLC 网络通信技术分析

PLC 网络拥有独立的通信模块，这是其实现数据传输的基础。而不同的PLC 类型，其所使用的通信模块是不同的。例如采用西门子S7-200 系列PLC 的生产线，其CPU 就可以同时支持点对点接口（PPI）、多点接口（MPI）、现场总线（PROFIBUS）、工业以太网（PROFINET）和自由口协议等多个不同的通信方式[3]。为了进一步分析PLC 网络通信技术，该处主要围绕PPI 通信技术和PROFIBUS 通信技术展开探讨。

2.1 PPI 通信技术

PPI 通信技术是西门子S7-200 系列PLC 中最基础的通信方式，其实现通信依靠的是PORT0 或PORT1 端口。这里的PPI 是指主站-从站协议。由于主、从站存在于同一令牌环网中，因此，主站通过接收令牌来获得向其他从站发指令的权限，从而形成1 个PPI 网络。在该协议下，主站是请求与指令的发出者，从站则是相应者。以PPI 为基础构建的主站网络最多可以支持32 个主站，所有主站都通过PPI 协议所管理的连接来进行与从站的通信[4]。

在同一网络中，主站如果没有接收令牌，则与从站一样，也可以对其他主站进行响应。其中主站设备主要包括自带系统的编程设备、触摸面板以及文本现实等HMI设备。从站设备则主要有CPU 和扩展机架等。对S7-200来说，其从站由于包括CPU，因此，在用户程序为PPI 主站模式的情况下，其从站也可以充当主站，进而获取读取或写入其他CPU 数据的权限。此外，在PPI 通信技术中还有1 种更高级的PPI 协议，即在网络设备间建立逻辑连接的协议。但该协议所支持的设备是十分有限的。在S7-200CPU 中，仅有EM277 模块可以支持该协议。PPI的传输速率一般在1.2 kbps～115.2 kpbs。

PPI 在网络组态的构建上主要以PROFIBUS 标准为基础，以总线型拓扑为基本结构形式。实践中，企业可以根据需求建设不同的PPI 网络，例如单主站PPI 网络、多主站PPI 网络以及复杂PPI 网络等。

此外，在PPI 网路中，因为主站读写信息依靠的是相关读写指令，所以需要对其读写程序进行编写。但在实际编写前，需要首先明确主站所发出数据的长度、数据发出的指向位置、数据发出的位置、主站接收数据长度以及读取数据的位置等相关问题。这些数据问题的确定可以以系统工作的具体需求为依据。在这些问题确定之后，就可以进行读写程序的具体编写。

2.2 PROFIBUS 通信技术

2.2.1 PROFIBUS 通信协议结构

与PPI 通信相比，PROFIBUS 即工业现场总线在当前工业自动化领域的应用更为广泛。其属于1 种开放性的数字通信系统，可以实现自动化系统的分散式发展。PROFIBUS通信实际上是1 种RS-485 串口通信，其协议结构主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS 以及PROFIBUS-PA 3 个子集构成，具体如图1 所示。

其中DP 和FMS 的物理连接接口为RS-485，可采用屏蔽单对双绞铜线A 型电缆。PROFIBUS 协议结构中各子集有以下3 个特点：1） PROFIBUS-DP 主要负责分布式系统中各设备之间的数据传递。DP 的应用层为工厂现场层，其通信服务主要面向PLC、自动公职设备、传感器以及执行器，拥有较高的传输速度，并被用在单站或多站系统的建设中。在整个PROFIBUS 结构中，DP 的应用占比高达80%，是PROFIBUS 技术的核心所在。2） PROFIBUS-FMS 在车间级的通信上具有通用性，所以可以帮助完成各种中等传输速率的通信工作。基于此，PROFIBUS-FMS 可以在车间大范围的信息交换中发挥作用，明确主站之间的通信规范，进而为车间级控制提供大范围的中速周期性通信或非周期性通信服务。3） PROFIBUS-PA 在自动化过程中起着基础性作用，因此常用在总线供电等场合。

2.2.2 PROFIBUS 通信参考模型

OSI 开放系统互连模型是PROFIBUS 的通信参考模型。在该模型中，FMS、DP 和PA 又各自采用不同的层与行规。

DP 采用的物理层、现场总线数据链路层FDI 以及用户层，而其总线控制及数据传输则依靠Token-Passing 主从分时轮询协议。

FMS 与DP 在物理层和用户层上类似，同时由于其在现场总线链路层上采用报文规范，因此，它提供的通信服务更为强大。

PA 在数据链路层的扩展协议应用上与DP 相同，但在物理层上则采用IEC 1158-2 标准。同时，因为在物理层上存在差异，所以PA 与DP 网段间需要依靠耦合器进行连接，如图2 所示。

2.2.3 PROFIBUS 总线访问控制分析

在PROFIBUS 系统中，DP、FMS 和PA 都以单一总线访问来进行相关的控制操作，同时整个系统的总线控制则涉及令牌传递和主从传递2 种不同的方式。在实际运行中，每个时刻发送数据的站点都是唯一的，同时要求系统内部必须能够尽可能地实现实时传输，PROFIBUS 总线访问控制利用令牌传递方式解决该问题。令牌属于特殊报文，其应用仅面向主站间的通信，同时期在主站之间的循环周期还可以被提前设定。PROFIBUS 总线控制就是通过令牌的传递来保证各主站在规定时间间隔内获取令牌，以此拥有总线访问权。令牌环在系统中充当着各主站间的组织链，主、从站间的主要通信方式为主站获得令牌后，向从站发送或索取信息。依靠该方式就可以将整个系统根据需求组态为不同形式的系统。

2.2.4 PROFIBUS 通信协议

PROFIBUS 通信协议的研究需要从物理、网络连接以及数据链路层等方面进行分析。其中PROFIBUS 的物理层主要采用RS-485 物理连接的方式进行连接，例如DP 与FMS 都采用该种连接方式。同时RS-485 又采用平衡差分传输的方式。同时PROFIBUS 中RS-485 总线段结构中利用有屏蔽层的双绞电缆来传输相同大小但方向相反的信号，该方式可以有效降低环境噪声对信号的影响。基于该物理连接所构建出的拓扑结构，其单一网段最大可接入32 台设备，且网段距离最高可达1 200 m。同时其传输速率可以在9.6 Kb/s～12 Mb/s进行自由选择。PROFIBUS 数据链路层以OSI 参考模型为基础，对总线存取控制、数据安全、传输协议以及报文处理等进行规定，进而建立、维持及拆除链路连接，最终保证传输的准确性。

图1 PROFIBUS 协议结构

图2 PA 与DP 网段连接图

3 基于PROFIBUS 的系统故障诊断

3.1 硬件诊断方式

PROFIBUS 总线的物理层采用RS-485 双绞线作为通信介质；釆用标准DP 电缆进行站点连接；网络扩展使用信号中继器、网关或链接模块等设备。基于底层物理线路的通信诊断通常采用硬件诊断工具进行工作。

3.1.1 BT200硬件测试

BT200 为手持式测试设备，在总线系统线路网络安装铺设和站点安装阶段，可以用它来测试PROFIBUS 线路的连接是否正确、所用站点端口的通信是否正常。BT200 主要用来测试A、B 以及Shield 线路是否出现断路短路或AB 线接反的情况，也可以对带电的主站或从站站点进行RS-485 通信口、通信质量以及总线网络可用站点数量的检测等。

BT200 诊断工具具有电池供电、操作简单以及测试快速准确的优势，是PROFIBUS 系统初期安装阶段不可或缺的工具。

3.1.2 Profitrace 在线诊断

Profitrace 为PROFIBUS 系统短时在线监测设备，是PROFIBUS 总线系统进行物理信号监测、报文捕捉、站点电压监测、网络线路拓扑诊断的专用工具，可实现捕捉总线报文、动态显示信号的波形图、实时显示通信站点的端口电压、网络拓扑诊断、主站诊断等主要诊断功能。

3.2 软件诊断方式

3.2.1 系统功能块诊断

为了能够检测和获取PROFIBUS 总线系统运行的信息，S7V5.5 编程软件提供了多个系统信息功能块和系统数据处理功能块。通过对这些功能块的条件引用及数据分析，可获得大量且内容详细的系统信息。这些信息包括各个站点的工作状态、故障时故障信息、网络拓扑信息、主站诊断缓冲区的诊断信息等。

3.2.2 专用诊断功能块诊断

FB125和FB126诊断功能是西门子提供给S7-300/400PLC程序开发者用于诊断总线系统故障及获取总线系统运行状态的功能块。FB125/FB126 是封装多个诊断功能的智能系统诊断功能块，可提供详细的系统信息、系统诊断信息、网络架构信息、总线诊断模块诊断信息、诊断报文信息等。合理而有效地使用FB125/FB126，可以多用途、多层次、多角度地诊断总线系统。EB126 包含FB125 功能。FB125 是针对PROFIBUS 系统的诊断功能块，FB126 在此基础上还可诊断ProfinetI/O 系统。

4 结语

通过上述分析可以发现基于PLC 自动化控制系统的通信技术在现代社会已经取得巨大发展，现场总线通信方式的出现，更是为工业自动化增添了更强劲发展动力。在实践中，PROFIBUS 通信技术的优势无疑更为突出，其能够完成工业现场更多操作的访问与控制。因此在新通信系统研究与应用中，不但要基于此项进行创新设计，更要采用多种故障诊断模式，以使其在现代工业自动化中发挥更大作用。