基于串口服务器的PLC网络控制系统

0　引言

可编程序控制器，简称PLC，是工业的控制的标准设备。PLC自生产以来，以它的操作简单、功能强大、特别是高稳定性等特点得到了广泛应用。目前，以监控软件如Wincc，MCGS为上位机软件，PLC为下位机而组成的控制系统，已成为广泛应用的控制模式. 它结合了计算机的界面友好，直观和PLC稳定、编程灵活的优点，主导计算机控制系统的流行趋势.因此，对PLC的数据交互，组网功能提出了更高的要求. 如PLC与PLC之间，PLC与计算机、PLC与智能设备等都需要进行数据交互. 特别是在某些远程控制，控制点分散等场合，PLC的网络功能显得尤为重要[1]。

1　PLC常用组网方式

常用PLC组网方式大致可概括为基于通用串口、基于专用总线及基于以太网三种。

1.1　通用串口模块

基于串口通信模块来实现网络连接。网络结构如图1所示.采用了计算机链接的形式，在上位机的组态软件中进行相应的设置，无需编程，即可与多台PLC进行通讯。以三菱公司的FX1S系列的PLC为例， RS232C/ 485转换适配器选用FX2485PC2IF，RS2485通讯板选用FX1N24852BD即可实现。这种方法使用较为方便，性能也很好，关键是串口通信模块的成本相对较高。

图1　基于串口通信模块的网络结构

1.2　基于专用总线

目前，PLC厂商如Omron，Siemens 等，对其旗下的PLC产品都提供了专用的网络系统。如OMRON公司的Controller Link网，Device Net 网络等[1]。这种网络系统由于厂商产品的专属性，不同厂家的设备无法互通，基本上选定一个厂家的PLC，其他配套设备设备也必须为该厂家的，成本相对较高，所以应用时有一定的局限。

1.3　基于标准工业以太网

基于标准工业以太网方式进行组网，系统一般分为三个层次：第一层为工控机组成的上位机监控站；第二层为由集线器、双绞线和收发器等组成的工业以太网；第三层为控制站。选择TCP/ IP作为通讯协议，并采用C/ S模式使控制站和监控站实现面向连接的通讯。

采用此种方式组网，最大的优点在于可以使用现有的工厂局域网，提高综合利用率。且速度快，以太网通讯速率可达100Mbps;若采用光纤传输，则抗干扰能力大大增强，且传输距离可达数十公里。但是，以太网无法和PLC等串口设备进行直接通讯，需配以相关设备实现通讯，使用上增加了成本。在一般小中型控制系统中并不多见。

2　基于串口服务器的组网方式

基于串口服务器是一种新兴的工业网络解决方案。串口服务器是一种协议转换模块， 厂商有Moxa和ATOP等.它可以提供1，2，4，8或16口的RS232或RS422/ 485串口界面，以及一个10M/100M的以太网接口，将RS232/ 422/ 485串行设备接入TCP/ IP网络中，主计算机采用TCP/ IP协议通过以太网访问被接入的终端设备。上位机相应采用SOCKET编程。

使用串口服务器也非常简便，安装驱动程序后，即可在PC机上产生多个由驱动程序仿真的虚拟串口。只需要打开软件所虚拟的串口即可透明访问远端串口设备，类似于对普通串口一样进行一对一的收发和控制。

简而言之，它是结合了串口通讯的简单方便，又利用了以太网的高效稳定，是一种性价比较高的组网方式。如图2所示。

图2　基于串口服务器的组网结构

从图2可以看出，将串口服务器的网口端连接到集线器或者交换机上，通过设置串口服务器的IP地址，就可以使它成为以太网上的一个节点.而在串口服务器的串口端，可方便与不同厂商的PLC产品或串口设备进行连接。即使不同形式的串口(如RS422/ 485/ 232) ，都可方便连接到以太网上，实现异构组网。当需要再增加串口设备入网时，也可以方便接入，因为一个串口服务器可以提供多达16个串口端。可见，基于串口服务器组网具有布线简单，拓展性强，性能稳定等优势。当然，串口服务器组网还可以采用直连的方式[2]。

3　串口服务器的应用举例

以某污水处理厂的控制系统为例。在污水处理控制系统中，控制设备较多如：潜水泵、污水泵、鼓风机等，被控参数以数字量居多，对数字量输入输出的控制正是PLC的优势所在，因此一般都采用PLC控制系统[3]。针对污水处理厂分布区域较广，设备间位置较为分散等问题，需设计一个PLC网络控制系统对污水处理过程进行监控、分析、管理和优化。

3.1　系统工艺简介

系统工艺如图3所示。

图3　污水处理系统工艺流程图

主控站要对各污水处理环节进行监控、数据采集以及管理.主控站与各处理站之间距离较远，工厂已建好工业局域网，可供使用。系统设计时需考虑将来增加设备的可能性。

3.2　系统的组网设计

本系统采用三层结构进行组网，采用工业以太网实现1个主控站与3个PLC站之间的远程传输。主控站对全场实施集中管理，控制现场由3个PLC和现场仪表对各过程进行分散控制。根据工艺要求，PLC1位于变电所，主要用于对机、泵等电气参数的监视、控制和联锁。PLC2设置在沉砂池现场，用于对成套设备监控。PLC3设置在污泥脱水间，用于对污泥脱水机的安全保护及监控。

考虑到主控站与各处理站之间距离较远，而处理站共有3个PLC串口设备需连接入网。若采用基于串口通信模块方式进行组网，传输距离受限，且布线较为复杂，拓展性不够好，若再增加一台PLC，需要增加相应的串口模块。考虑到工厂已有工业局域网，而传输距离远、连接多个串口设备正是串口服务器的优势，则本系统则采用基于串口服务器的方式组网实现。

串口服务器选用的是MOXA的NPort5430。目前，它被广泛应用于各类串口设备和以太网连接方案中，提供了4个RS422/ 485串口，通讯速率50～921. 6kbps，用以设备拓展。

使用时，用RS232/ 485连接线将NPort5430连接至PLC的通讯口，用网线将NPort5430和HUB连接，完成了硬件安装。利用NPort5430所带的软件包可以完成对串口服务器的属性设置，如IP地址，操作密码，通讯波特率等，详细内容可参见用户手册。系统总体结构如图4所示。

图4　污水处理系统组网结构

目前，该系统已经投入运行.基于串口服务器组建的PLC网络控制系统，运行稳定，且布线简单，可以充分利用现有网络资源，拓展性强，性能稳定等，是一种很好的解决方案。

4　结语

PLC通用的三种组网方式都各有特点，使用时应根据系统设计要求选择。值得说明的是，基于串口服务器模式的组网方式，有着布线简单，成本低廉且易于操作，与高速以太网的方便搭接等优势，目前在传统机械设备的组网[2]，企业的网络考勤系统中都得到了广泛应用[4]，是一种值得推荐的组网方案。