一，引言
從世界第一臺(tái)PLC誕生之日到現(xiàn)在，傳統(tǒng)PLC已經(jīng)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，其技術(shù)變得日益成熟，具有以下優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單方便、網(wǎng)絡(luò)分布化等等，目前PLC技術(shù)已在汽車、電力、煙草、冶金、水處理、機(jī)械制造、新能源等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。軟PLC的出現(xiàn)又將PLC技術(shù)的發(fā)展大大向前推進(jìn)一步，其使用處理速度更快及可靠性更強(qiáng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為平臺(tái)，以軟件的方式實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的所有功能，而且具有傳統(tǒng) PLC所不具有的一些優(yōu)勢(shì)及特征。目前常見(jiàn)的軟PLC產(chǎn)品有西門(mén)子公司的WINAC，菲尼克斯電氣公司的 PC WORX RT BASIC，SOFTPLC公司的SoftPLC等,本文重點(diǎn)講述菲尼克斯電氣公司的基于PC WORX RT BASIC軟 PLC的PROFINET架構(gòu)。
二， 菲尼克斯電氣軟PLC的結(jié)構(gòu)及特征
PC WORX RT BASIC 軟件是一款基于PC機(jī)的PLC，目前支持的通訊協(xié)議為工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET、現(xiàn)場(chǎng)總線INTERBUS。PC WORX RT BASIC軟件可通過(guò)PC機(jī)自身所攜帶的網(wǎng)卡輕松實(shí)現(xiàn)PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通訊，不需要特殊的硬件進(jìn)行支持，如要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線INTERBUS方案，則需要在PC機(jī)的 PCI插槽上插入菲尼克斯電氣的IBS PCI SC/I-T卡。菲尼克斯電氣的軟PLC方案具有以下特征：
1，支持的硬件
目前PC WORX RT BASIC軟PLC已經(jīng)在菲尼克斯的Valueline系列工控機(jī)上得到了驗(yàn)證。它對(duì)工控機(jī)有如下特定的要求：
l 工控機(jī)的處理器為兩核或兩核以上，其中處理器的一個(gè)內(nèi)核用于運(yùn)行軟PLC的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)INtime，其他的處理器內(nèi)核則用于運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)(如 Windows XP，Windows 7)。這樣，即使在Windows標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)出現(xiàn)藍(lán)屏的情況下，運(yùn)行軟PLC的INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)仍可以繼續(xù)運(yùn)行，大大保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。
l 工控機(jī)至少具有兩塊網(wǎng)卡，其中一塊網(wǎng)卡被永久指派給運(yùn)行軟PLC的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)INtime使用，另外的網(wǎng)卡用于Windows標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)上的通訊，這可保證可靠的和高性能的軟PLC的運(yùn)行。其原理如圖1：
2，支持的操作系統(tǒng)
目前菲尼克斯電氣公司的PC WORX RT BASIC軟PLC支持Windows XP Professional SP3及Windows 7 Professional 32位。
3，兼容IEC61131標(biāo)準(zhǔn)
菲尼克斯電氣公司的PC WORX RT BASIC軟PLC使用符合IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的PC WORX自動(dòng)化軟件進(jìn)行組態(tài)和編程。PC WORX自動(dòng)化軟件可以和軟PLC安裝在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，也可以安裝在不同的計(jì)算機(jī)，如安裝在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，PC WORX自動(dòng)化軟件與軟PLC的通訊則通過(guò) Windows標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)與INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之間的虛擬以太網(wǎng)接口進(jìn)行;如安裝在不同的計(jì)算機(jī)上，PC WORX自動(dòng)化軟件與軟PLC的通訊則通過(guò)INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)綁定的網(wǎng)卡進(jìn)行。PC WORX自動(dòng)化軟件支持IEC61131-3編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)：指令表、結(jié)構(gòu)化文本、梯形圖、功能塊圖、順序流程圖。
4，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)功能/工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET
與軟PLC綁定的網(wǎng)卡服務(wù)為軟PLC的外部接口，除上述功能外(PC WORX自動(dòng)化軟件可通過(guò)此網(wǎng)卡組態(tài)下載程序)，軟PLC不僅可通過(guò)此網(wǎng)卡接口作為PROFINET控制器 /PROFINET設(shè)備，也可通過(guò)此網(wǎng)卡執(zhí)行包含透明TCP模式及透明UDP模式在內(nèi)的IEC61131-5功能塊通訊。上位機(jī)SCADA系統(tǒng)與軟PLC 的通訊采用OPC客戶端/服務(wù)器方式，極大的方便了人機(jī)界面的交互。SCADA系統(tǒng)與軟PLC可以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，這樣可以節(jié)省一些投資，也可以在不同的計(jì)算機(jī)上，具有極大的靈活性。此外，菲尼克斯電氣公司的軟PLC還支持FTP、Webvisit、SQL、SNMP、SNTP等協(xié)議，具有強(qiáng)大的通訊能力。
總之，菲尼克斯電氣軟PLC將計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)PLC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)整合在一起，是真正一款體現(xiàn)IT-POWERED的產(chǎn)品。
三，菲尼克斯電氣軟PLC的通訊協(xié)議PROFINET簡(jiǎn)介
PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)的用于工業(yè)自動(dòng)化的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，由菲尼克斯電氣和西門(mén)子共同開(kāi)發(fā)。PROFINET根據(jù)通信目的的不同而采用不同的性能等級(jí)(見(jiàn)圖2)：
目前PC WORX RT BASIC軟PLC已經(jīng)在菲尼克斯的Valueline系列工控機(jī)上得到了驗(yàn)證。它對(duì)工控機(jī)有如下特定的要求：
l 工控機(jī)的處理器為兩核或兩核以上，其中處理器的一個(gè)內(nèi)核用于運(yùn)行軟PLC的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)INtime，其他的處理器內(nèi)核則用于運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)(如 Windows XP，Windows 7)。這樣，即使在Windows標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)出現(xiàn)藍(lán)屏的情況下，運(yùn)行軟PLC的INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)仍可以繼續(xù)運(yùn)行，大大保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。
l 工控機(jī)至少具有兩塊網(wǎng)卡，其中一塊網(wǎng)卡被永久指派給運(yùn)行軟PLC的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)INtime使用，另外的網(wǎng)卡用于Windows標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)上的通訊，這可保證可靠的和高性能的軟PLC的運(yùn)行。其原理如圖1：
§ PROFINET通過(guò)TCP/IP 或UDP/IP 在標(biāo)準(zhǔn)通道上發(fā)送及接受非苛求時(shí)間的數(shù)據(jù)，例如：IO設(shè)備的參數(shù)化、IO通道的組態(tài)數(shù)據(jù)和互連診斷信息等。除此以外，這還可滿足自動(dòng)化層與其它網(wǎng)絡(luò)(SCADA,MES，ERP)的連接需求;
§ 對(duì)于生產(chǎn)裝備苛求時(shí)間的過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸，PROFINET可采用實(shí)時(shí)通道SRT(軟實(shí)時(shí)) ，它利用軟件的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，用于傳統(tǒng)的工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，通信方式如圖3：
在PROFINET周期性通訊期間，這種解決方案旁路了TCP/IP層，減少了報(bào)文長(zhǎng)度，從而顯著地減少了通信報(bào)文所占的運(yùn)行時(shí)間，提高了過(guò)程數(shù)據(jù)刷新速率方面的性能;另一方面，在需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒發(fā)送(即：應(yīng)用準(zhǔn)備就緒處理)之前，只需較少的時(shí)間。
PROFINET RT 數(shù)據(jù)幀(見(jiàn)圖4)根據(jù)IEEE802.1Q/P協(xié)議定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流則由網(wǎng)絡(luò)組件(比如交換機(jī))依據(jù)此優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理，優(yōu)先級(jí)6是用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)，保證了PROFINET實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的優(yōu)先處理，需要注意的是交換機(jī)選型時(shí)需要支持該協(xié)議。
l 對(duì)于同步應(yīng)用，可采用等時(shí)同步實(shí)時(shí)通信(IRT)。它允許數(shù)據(jù)的更新速率小于等于 1ms，100個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)循環(huán)的抖動(dòng)精度為 1μs，通過(guò) IEEE1588(網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”)來(lái)實(shí)現(xiàn)各PROFINET IO的時(shí)間同步，是一種基于時(shí)間槽的通訊模式，主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，需要特殊的高速芯片(ASIC)進(jìn)行支持。
涉及菲尼克斯電氣軟 PLC的解決方案目前采用的是 PROFINET SRT技術(shù)。PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通過(guò)以上機(jī)制實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)法比擬的實(shí)時(shí)性及可靠性，它不僅允許不同的PROFINET節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的需求設(shè)置不同的更新率，也允許同一節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出設(shè)置不同的更新率，有效地平衡了網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。
二， 項(xiàng)目應(yīng)用
目前菲尼克斯電氣軟PLC已在某一國(guó)家級(jí)物理研究所重離子治癌項(xiàng)目上得到測(cè)試及應(yīng)用，該控制系統(tǒng)由磁鐵電源、RF、真空、離子源、引出、靶、冷卻、防護(hù)與其他輔助等九個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中菲尼克斯電氣軟PLC應(yīng)用于磁鐵電源上的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其控制策略比較簡(jiǎn)便，即：當(dāng)監(jiān)視的某一路溫度值超出設(shè)定值，由軟 PLC發(fā)出動(dòng)作。磁鐵電源溫度測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)SCADA系統(tǒng)使用的是美國(guó)NI的Labview, 它通過(guò)OPC客戶端/服務(wù)器方式和菲尼克斯電氣公司的軟PLC進(jìn)行通信，其拓?fù)鋱D如圖5
磁鐵電源溫度測(cè)量監(jiān)控程序采用PC WORX自動(dòng)化軟件編寫(xiě)，編程較為簡(jiǎn)單，部分界面如圖6;
五，結(jié)束語(yǔ)
菲尼克斯電氣軟PLC + 工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET這種解決方案代表著工控領(lǐng)域發(fā)展的一種新方向，不但具有傳統(tǒng)PLC的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且可借助于強(qiáng)大可靠的工控機(jī)發(fā)揮一些傳統(tǒng) PLC所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如處理速度快、網(wǎng)絡(luò)通訊能力強(qiáng)、可安裝與軟PLC相配套的軟件等等。工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET在未來(lái)的發(fā)展中勢(shì)必會(huì)取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，在工控領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。
