6ES7340-1AH02-0AE0参数详细
电力线通信(PLC)可以利用现有基础设施提供低成本的网络。数字信号控制器为PLC网络提供维持稳健信号所需的处理性能，其运行开销和片上外设可进一步降低系统成本。下文将对此作进行详细介绍。
在环境非常恶劣的工厂或室外经常能见到照明、测量和其他控制应用，但在这些地方的网络通信若不采取常规方法则变得异常困难。因为恶劣的环境不仅对信号有相当大的干扰，而且在许多情况下，如果还没有专用通信布线的话，安装费用也非常昂贵。因此，建立控制网络通信的佳介质将是无处不在的电力线。
PLC是各种网络工业、公共事业和商业应用中的监控网络的理想解决方案。然而为了达到较高的效率，PLC必须具备成本效益和稳健性。而要实现这些性能，系统开发人员可以借助于数字信号控制器所提供的强大性能和集成度。
与使用专用传输线的传统网络不同，PLC网络可以通过现有的低压、中压和高压电力线在数公里范围内收发数据。基于高性能数字信号处理器(DSP)技术的数字信号控制器可在恶劣环境中的全规模网络上实现可靠的PLC吞吐量，使其能够监控所有的网络节点。
高度集成的控制器还能降低系统成本和易于适应不断变化的网络需求。在工厂、公共事业分布系统、办公建筑群、矿山、海底电缆和其他恶劣环境中，数字信号控制器都可以在实时监控所需速率下支持高效的PLC传输。
单芯片modem和应用软件
在许多监控应用中，成本是首要考虑因素，因此这时系统的集成度越高越好。PLC系统功能可以被分成三部分：模拟前端(AFE)、调制解调器(modem)以及测量或控制应用软件。AFE主要用于接收和驱动信号，并将信号从电力信号中分离出来；modem则使用特定的频率和键控技术对通信信号进行调制和解调。虽然很多设计方案中的modem和应用软件采用不同的控制器，但数字信号控制器带给PLC设计的一个重要好处是其可以在单个器件中集成modem和应用软件。
位于数字信号控制器核心的DSP可提供比价格相当的RISC MCU强得多的运算性能，这些性能足以用来执行modem和应用软件。另外，片上外设是针对控制需求特别选取的，其提供的是一种系统解决方案。数字信号控制器的性能和集成度可以减少元件使用数量和电路板空间，这对诸如可调光照明镇流器、电子表和电机驱动器等成本敏感的应用非常有利。另外，DSP的可编程性使得系统能更好地适应环境干扰，从而**传输的可靠性，而DSP的额外MIPS性能还可以用来增加功率因数补偿等功能，从而使终端产品具有更高的能效。
稳健的通信
由于典型的PLC使用环境比较恶劣，因此传输必须高度稳健。在多种能传送位的物理层调制方案中，有两种特别适合工业监视和控制的方案，即频移键控(FSK)和二元相移键控(BPSK)。由于该两种方案都不依赖电力信号作为载波，因此可以用在任何频率、任何电压值的AC和DC电力线上。而当节点的供电中断时，只要控制通信电路的独立供电不间断，FSK和BPSK还能照常工作。
FSK采用两个不同的频率发送信号，电平“1”时用74kHz，电平“0”时用63.3kHz；而BPSK则采用相同频率发送“1”和“0”，其相位差为180度。监控通信常用标准是CEA179，其指定BPSK发送频率为131.5kHz，波特率是5.5kbps或每个码元24个周期。虽然CEA-179没有对FSK加以规范，但它完全兼容该标准的协议栈，因此也可以使用CEA-179进行传输。在满足系统限制的前提下，数字信号控制器可以通过改变传输频率来避开干扰，从而**通信性能。
图1是专为可靠性进行设计的CEA-179数据包格式。该数据包和位的边界是用于位同步的24位向量，后面是指示数据起始位的11位字同步信号。发送器将每8位指令编码成一个11位的字，在接收器侧再将其解码并移位至存储器缓存。在PLC中，指令数据还增加了16位的循环冗余校验码(CRC)，EOP则使用重复的11位字进行识别。因此，CEA-179协议与BPSK和FSK的结合可确保稳健的PLC传输，并能为多节点的实时控制提供足够的带宽。
图1：CEA-179数据包格式。
PLC设计
下面给出了使用数字信号控制器直接实现PLC的设计实例。图2是用于诸如可调光镇流器等应用的AC环境下的PLC通信与控制系统框图。AFE接收器-发送器位于图的左边，modem和应用软件算法运行在中间的控制器上，右边则包含了应用电路。例如在一个电流解决方案中，一个测量芯片与C2000相连。测量芯片执行测量功能，C2000使用PLC发送测量数据。虽然本文重点放在FSK调制方面，但相同设计经过AFE和控制算法方面的少许修改也可以用于BPSK。
图2：PLC系统框图。
上述设计中使用的数字信号控制器是一个带DSP内核的器件，该内核工作在100MHz时可提供100MIPS的性能。在一个普通应用中，约45MIPS用于modem，余下约55MIPS可用来运行应用软件。在34KB片上闪存和一次性可编程存储器中，12KB用于modem代码；12KB的数据存储器中的5KB用于modem；其余的存储器空间则全部用于应用软件。控制器还提供6个带独立定时器的脉宽调制(PWM)输出，可用于modem和应用软件的信令传输。12位ADC使用单通道对所接收的信号进行采样，剩余的15个通道则处于空闲状态。数字信号控制器还提供了SPI和SCI接口用于本地通信，另外还有30多个通用I/O通道
通过适配器，计算机与PLC 成为CAN 总线的节点。
节点之间通过双绞屏蔽线进行总线式连接，首尾节点需要接120R 的匹配电阻。上位计算机可以通过CAN 总线实时监控PLC 系统的运行。
此方案是现场总线技术与集中控制技术的有机结合，联网后的PLC 网络可以构成一个DCS 系统。用户在计算机上可以远程监控、配置任何一台PLC 的程序或状态。并能够在投入较低硬件成本的基础上，实现良好的系统运行性能。这个方案充分发挥了CAN 总线的通信特点: 实时、可靠、高速、远距离、易维护等。
使用RS232-CAN 适配器后，通信距离扩大到5 公里(9600bps 时)，组网的PLC 可增至110 台(实际上受PLC内部系统软件的限制，多只能支持32 台PLC 联网)。
RS232-CAN 适配器采用光电隔离，大大**了系统的抗干扰能力和安全性能。
另外，使用RS232-CAN 适配器，并不需改变PLC 系统原有的PLC 通讯协议和上位机监控软件，开发人员无须更改现在使用的串口通信程序，大限度的节省成本。
4 HOST-bbbb 通信协议
采用RS232-CAN 适配器，计算机与PLC 的串口都被配置成CAN 总线。通信方式与上位机监控软件的编程方式与串行通信完全相同。通信协议一般采用OMRON 公司的HOST-bbbb 通信协议。
OMRON 公司的HOST-bbbb 通信系统是由上位计算机( IBM PC 或兼容机) 通过安装在各台PLC 上的HOST-bbbb 单元或串行通信接口连接多台PLC 构成的网络。上位机对系统中的PLC 进行集中管理与监控，通过与HOST-bbbb 单元的通信，可以编辑或修改各台PLC 的程序，实时监控其运行过程，实现自动化系统的集散控制。对于小型PLC( 如CPM2A) ， 可以通过其RS232 通信端口进行链接。
系统使用HOST-bbbb 通信协议进行通信，上位机具有传送优先权， 总是首先发出命令并启动通信，HOST-bbbb 单元收到命令交由PLC 执行，然后将执行结果返回上位机， 二者以通信帧为单位， 轮流交换数据。
通信时， 一组传送的数据称为“块”， 它是命令或响应的单位，从上位机发送到HOST-bbbb 单元的数据块称为命令块，反过来， 从HOST-bbbb 单元发送到上位机的数据块称为响应块。多点通信时，可作为单帧发送的大数据块为131 个字符，因此当一个数据块含有132 个或更多字符时， 要分成两帧或多帧发送。
每个数据块都以设备号及标题开始，以校验码(FCS)及结束符结束。响应块中还包括反应执行结果的响应码。通信格式如图2 所示。
图2 HOST-bbbb 通信帧格式
5 通信实现
用户可以采用通用的组态软件(如组态王)实现计算机与PLC 的通信，也可以编写计算机程序。
要编写计算机通信程序，可以采用VB、VC 等语言进行编程，编程可以有多种方式[4]。使用MSComm控件通过串行端口传送和接收数据，实现计算机与PLC之间的数据通信， 编程较简单。
MSComm 控件提供了一种有效的处理串*互作用的方法:事件驱动法。该方法利用onComm 事件捕获并处理通信及其错误，当CommEvent 属性发生变化时，就产生事件并等待相应处理。每个MSComm 控件都有一个串口相对应。
Visual Basic 6.0(以下简称VB) 是一种功能强大、简单易学的程序设计语言，利用ActiveX 控件MSComm能十分方便地开发出使用计算机串口的计算机通信程序。本文在VB中使用MSComm控件实现上位机与PLC的串行通信。
VB 程序由串口初始化、数据发送、数据接收等几大部分组成。主要的程序段如下所示。
Rem 程序加载时进行串口初始化
1 引言
进入20世纪90年代后，为了适应现代物流的发展趋势，采用自动控制技术和网络通信技术对港口码头实现货物的装卸、输送、存储作业，有效地**生产效率，降低劳动强度，使装卸作业连续化、高效化，**企业的现代化程度已经成为企业生存和保持旺盛竞争力的必要条件。对于同类企业中发展较为缓慢的煤炭专用码头更是如此。
本文以煤炭专用码头物流系统为例，介绍选用SIEMENS 的ET200S分布式I/O及SIMATIC PCS 7控制系统实现其网络化集散控制的方案及特点。
2 煤炭专用码头物流系统的结构配置
煤炭物流作业系统包括翻车机子系统、皮带机子系统、堆取料机子系统、装船机子系统以及洒水除尘子系统。系统框图如图1所示。
图1 物流系统框图
该物流系统设有中控室（CCR），其控制、监视、管理范围包括定位车牵引重车、翻车机翻转重车、漏斗振动给料、出料口调节、皮带机传送流程、堆取料机运行状态、装船机工作控制、除尘洒水系统**压力监控及喷头选择等主要作业流程。在中控室对整个作业流程进行监控，从而达到使作业设备稳定可靠运行的目的。
3 监控系统方案介绍
3.1监控系统配置
根据作业流程控制系统要求，设1#本地站和2#、3#、4#、5#、6#五个远程站，分别设置在中控室、翻车机作业现场、皮带机作业现场、堆取料机作业现场、装船机作业现场以及洒水泵站。本地站控制整个装卸系统的流程作业，各远程站则对其所在作业现场的流程进行监测和控制。
现场控制站具有闭环控制、顺序联锁控制以及数据采集、数据处理、储存、故障报警等功能；拥有数字量和模拟量控制的全部功能，可有效地对生产过程进行控制，同时通过数据高速通道与中央控制室操作站进行过程数据和信息传输，接受来自操作人员的各种控制命令，完成检测控制要求；另外还具有在线/离线组态功能、自诊断等功能。
3.2监控系统方案介绍
基于本方案的研究对象是现代港口中的流程作业PLC控制系统，并且要在企业内部实现远程通讯、分布式控制，设计者选择具有良好发展基础与前景的PROFIBUS来构成本方案的控制网络。
该设计方案选择SIEMENS公司的SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7为SIEMENS公司的新集散控制系统（DCS），是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。SIMATIC PCS7采用的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。
注 ： --OLM 光纤链路模块
图2 控制系统结构图
4 监控系统的通讯网络
在工业控制领域，尤其是大型企业（如港口码头）的控制系统将是一个功能多样而完善的通讯网络，不但具有控制信号的采集、传输、控制输出，还要具有故障报警、信息查询、打印输出、视频监控等功能。这样一个控制网络还必须具有与企业管理网络甚至国际互联网络相连的接口，以备将来实现整个企业内部的信息交互或远程诊断功能。基于这些要求，该工业过程控制系统采用双环容错光纤网络构成企业局域网的超干网，网络性能要求传输速率达到10Mbps。
中控室PLC主站是系统控制站的信息处理中心。它的主要功能是将其它远程PLC从站采集到的数据进行处理与存储，并通过网络送到各操作员站或工程师站的显示屏上进行显示；同时，接受操作员站或工程师站的操作指令进行处理后发送到PLC从站。
PLC主站主要由2套互为热备份的S7-400H型PLC控制器组成，这是SIMATIC系列产品中性能高、可靠性好的一种PLC控制器。每个PLC控制器均设有1个PS407电源模块、一个CPU-416H中央处理器模块和一个CP443-1工业以太网通讯模块，它们安装在一个特殊紧凑的UR2-H机架上。这两个CPU模块上各插有Syne（同步）模块，并通过光缆相互连接，实现了2个PLC控制器的相互数据通讯。在系统运行过程中，2个PLC 控制器能自动更新数据，确保数据的一致性。当某个PLC控制器出现故障时，另一个PLC控制器能自动在中断处接管后续所有信息处理工作，不会丢失任何数据，保证了系统正常运行及与上位中控室计算机的通讯。
中控室S7-400H型主站的2个CPU模块上各有1个PROFIBUS-DP通讯接口，它们通过光纤网络与远程PLC从站相连接；远程PLC 选用S7-200，通过现场总线与现场分布式I/O进行单工通讯，对现场设备进行信号的处理与控制。分布式I/O采用SIEMENS的ET200S。ET200S系统具有较好的诊断功能。不仅模块上的状态和故障指示灯可提供当前运行状态信息，而且模块中的每个通道都能自动生成清晰的文本信息，这些信息，如传感器连线的短路或开路等故障信息，可通过PROFIBUS网络送到系统主站，在系统操作员或工程师站的显示屏上进行告警提示，以便及时处理。
每个PLC主站通过CP443-1工业以太网通讯模块连接的双重容错高速工业以太网与操作员计算机和工程师计算机相连。这样冗余连接的网络拓扑结构，当系统某一网络通道发生故障时，能自动激活另一网络通道，以确保系统通讯的可靠性。PLC主站具有自诊断功能，系统在错误对过程产生影响前就可探测错误并发出警报。通过扩展的PROFIBUS-DP诊断功能可以对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。
本地PLC主站与远程PLC从站之间以及各远程PLC从站之间的室外通讯电缆采用多模光纤电缆，这样不仅可预防雷击，而且具有可靠的抗静电、抗磁场干扰能力。选用**的OLM/S4光链路转换器，各PLC控制器间形成环形的光纤网络，实现了室外通讯网络的容错设计，光纤中的任意一根出现故障时，网络通讯均不会中断，并能及时进行故障告警，进一步**了系统网络通讯的可靠性。
5、结束语
本方案技术**，结构简单。S7-400与分布式I/O ET200S功能强、体积小，因此控制柜内部结构简单，便于检查与维修。使用了PROFIBUS-DP现场总线，减少了电缆的铺设量，实现了数字通信，**了数据传送精度。所有部件在运行过程中都能热插拔，在更换CPU模块时，系统将自动更新为当前程序和数据，因此系统具有很好的联机维修功能。
该控制网络系统以独立的、单体的、分散的测量与控制设备为网络节点，以现场总线为纽带，并把它们连接成为可以互相沟通信息，共同完成自动化控制任务的控制与网络系统。具备高度的实时性、安全性和可靠性，系统容错性能好。易于实现与信息网络的互联和集成，从而为管理信息网络系统和自动化控制网络系统的一体化集成奠定了基础。