刘绪哲

（济南绿园供热有限公司，山东 济南 250022）

随着IoT 物联网的兴起，市场上不断涌现出功能丰富、性价比高的总线式控制、信号采集模块。在钣金加工行业中，某些年代久远的电气控制系统存在着元件老化、停产断供的问题，同时也无法满足相关行业对多厂区、多设备无人值守、远程调控、运行数据监控等日渐增多的需求。在系统改造预算有限，部分老旧柜体和元件仍可使用，整体改造条件不允许的情况下，本文提出一种布线简洁、元件空间占用少、配置灵活的总线式控制架构方案。

1 总线控制框架概述

总体架构是以PLC 主机或X86 工控机作为运算、控制核心，通过RS485 总线与外围各个带有RS485 接口的信号IO 模块、仪表传感器、运动控制、电机拖动等电气元件设备进行通信并实现控制需求的架构。总线通信协议通常采用ModbusRTU。PLC 主机或X86 工控机其中之一作为主站,其他各个总线元件作为从站。各个从站、主站之间在通讯距离较远，总线挂接元件较多时，需通过RS485 中继集线器隔离。PLC 主机或X86 工控机采集的运行数据可通过VPN/4G 远传工业路由器，将数据经公网远传到异地调控中心。调度中心的指令也可远程下发控制现场设备。总体框架如图1 所示。

图1 总线控制框架结构图

2 框架主要优点

相比较传统的以PLC 主机后面集中堆叠PLC扩展模块作为整体控制单元的方式，在大多数控制实时性要求不是很苛刻的应用场合下，此架构具有以下优势：

（1）硬件成本成倍降低。单个PLC 主机可扩展的原厂PLC 模块数量、每个模块的IO 点数通常有上限。在模块数量受限、IO 点数不够的情况下，无论是采用增加PLC 主机继续扩展互联的方式，还是采用更高阶，可挂载更多模块和IO 点的PLC 系统，都会导致硬件成本的成倍增加。如果采用第三方市场口碑较好的总线扩展模块，在485 总线和Modbus通讯协议下，按寻址空间理论上可扩展256 个总线元件（实际考虑到总线负载、通讯距离、通信波特率的影响，一般在300m 内较低波特率下，挂接32 个总线元件基本没有问题）。在模块IO 点数近似的情况下，总线模块的市场价格通常只有PLC 扩展模块的几分之一。

（2）配置灵活。总线扩展模块可与任何品牌、型号的集成有485 接口的PLC 主机组成系统。不同厂商规格近似的总线扩展模块选择较多。遇到某厂商产品停产的情况可个别更换其它厂商近似型号，只需注意不同厂商模块不同的寄存器设置。通常每个厂商的模块都附带有专用的上位机配置软件，方便使用串口或USB 转串口数据线将模块与PC 机连接以读取数据、设置参数、排查故障等。因此，除了PLC主机外，总线模块也可与集成有通讯接口的X86 工控机组成系统。

（3）分布式、就地部署方便。传统PLC 主机与扩展模块通常集中插接在一起组成控制系统，并置于总控制柜内，因此连接的相关功能的每根输入、输出信号线也都需要从PLC 及其扩展模块通过桥架、穿线管布线至外围终端设备处。如果总控柜距离多组终端设备较远，地点较分散，则信号布线也会繁琐很多。而总线模块可就地部署在各组终端设备附近，每组终端设备的信号线统一汇集到就地总线模块上，再通过485 总线连接到总控柜处，使每组终端设备到总控柜的信号线简化为了1 条485 总线。一方面降低了布线成本，另一方面出现故障时线路排障也简化了很多。此外，若后期某组终端设备需要升级改造、扩展功能，可就地在总线上挂接总线模块或总线元件，而不必从总控制柜再次布信号线。

（4）节约PLC 原生扩展资源以用于实时性要求高的场合。对于系统中少数实时性要求较苛刻，IO 速度、信号采集频率高的信号，在PLC 主机IO 不够用、种类不全的情况下，可在PLC 后挂接原厂扩展模块。而其他没有特殊要求的普通信号可部署给低成本总线模块。

（5）运行数据监控、参数设置方便。如果总线挂接的是仪表传感器、变频器、伺服驱动、软启动器等器件，通过总线Modbus 协议可读取、设置它们的参数寄存器。如实时读取终端拖动设备的电压、电流、运行功率，根据工况设置运行频率，启动时间等。运行数据可远传到本地X86 工控机的数据库存储，方便统计一段时间以来设备的运行情况。

3 框架核心控制部分软硬件配置说明

如图2 所示，左起依次为4G/VPN 路由器、X86工控小主机、PLC 主机、485 总线数字量IO 模块、485总线模拟量IO 模块。部分功能单一的元件如485 集线器没有列出。

图2 框架核心控制部分硬件

3.1 工业路由器

工业路由器应附带方便其固定在电气导轨上的卡扣，至少3 个LAN 口（用来连接PLC，X86 主机，HMI 触控屏等），1 个WAN 口，WIFI 天线及带有延长线的4G 天线（天线可磁吸附在控制柜外部的柜体上，减少对信号的屏蔽）。可根据现场网络情况灵活选择连网方式。近些年市面上已有无需固定IP 即可异地组建虚拟局域网的VPN 路由器，通过普通宽带或4G 网络即可像在局域网环境中那样远传数据和调试程序。

3.2 X86 工控机

工控机在整个框架中并非必须存在。一般用来辅助PLC 来处理除逻辑控制、信号采集、数据运算之外PLC 不太擅长的工作。工控机通常可作为低成本的就地大容量数据存储服务器、Web 服务器来使用，实时存储、查询各种系统运行数据，备份数据并远传，还可通过Web 在异地登录工控机查看本地运行数据。在某些控制实时性、稳定性要求不苛刻的场合，工控机可取代PLC 运行生产相关的业务逻辑控制程序。以上功能需要基于相应操作系统的开发环境、工具进行专门开发。工控机操作系统可采用Linux 或Windows。考虑到开发环境和配套资源的因素，采用Windows Server 操作系统，微软“.Net”开发环境中的C#语言来开发数据存储、后台逻辑控制、上位机、Web 服务程序是较理想的选择。数据库采用轻量级、开源免费的Sqlite。上位机前台用户界面可采用微软WPF 用户界面框架，其对不同尺寸的触控屏人机界面缩放有很好的自适应性。

工控主机硬件配置方面主要由低功耗处理器（功耗10W 以内），4GB 内存（基本满足64 位操作系统低负载开销），低功耗、高速读写、小体积的固态硬盘组成。由于运行功耗很低，主机都是无风扇密闭设计，粉尘不易进入机体。鳍状散热片一般集成在主机外壳上，增大了散热面积，可长期不间断运行。主机尺寸通常在长10cm、宽10cm、高5cm左右，体积较小。机壳背面带有电气导轨支架安装孔，方便挂接。接口方面，集成有RJ45 以太网口、RS485 接口、HDMI 视频接口。RJ 网络接口用于连路由器远传数据，RS485 口用于与PLC 或总线模块通信。HDMI 口可用来外接显示器调试主机程序，但更多的用途是外接大尺寸触控屏。市场也有部分集成多个网口的软路由的主机。在主机负荷不高，资源允许的情况下可代替路由器使用。为应对主机遭遇意外断电的情况，可部署一台小功率UPS。断电发生时，可通过PLC 采集外置继电器触点通断信号，并将信号通过总线发送给X86 主机，以便及时自动保存数据并根据需求做出进一步动作。

3.3 PLC 及其他总线模块

前面已经介绍了由PLC 主机及总线模块构成的框架的主要优点。为确保此框架在实际生产环境中能稳定运行，还需要注意可能发生的总线通信故障。通讯故障通常是由于意外断电、线路设备故障、电磁干扰等原因导致。有以下需要注意的问题。

（1）应使用屏蔽双绞线连接各个模块及元件，屏蔽线需可靠接地。布线尽量远离大功率器件、电缆。安装条件允许情况通讯线走金属穿线管，尽可能避免总线信号受电磁干扰的影响。当总线受到强电磁干扰时，会导致信号误码率增加，通讯延迟，对控制实时性造成影响。当总线长度超过300m 且总线挂接元件数目超过32 个时，应在关键节点使用隔离中继集线器隔离信号，一方面避免总线过长、信号衰减过多可能导致的信号丢失。另一方面，因接错线、雷击等意外因素导致强电串入总线时，能有效隔离各个总线，有效降低挂接在总线上元件损坏的可能性。

（2）在Modbus 程序设计方面，需要有总线故障处理、状态监控程序。当程序通讯逻辑为主站轮询各个从站总线元件时，如果某个元件的通讯响应时间过长或超时，软硬件设计上应有相应的报警提示和容灾处理机制，确保其它元件的通信依然能正常进行。与此相关的总线通讯异常数据应存入X86 工控机的数据库。为提前发现问题和后期排障提供数据支持。

4 方案总结

通过此框架方案的实施，对于钣金加工及其他相关机械加工行业，能有效降低电气控制系统维修、改造成本，增强设备互联、远程调控、数据存储功能，减少设备的日常运维人力成本，具有较好的社会效益和经济效益。