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1、2 0 0 6 中国控制与决策学术年会论文集 P r o c e e d i n g so f2 0 0 6C h i n e s eC o n t r o la n d D e c i s i o nC o n f e r o n c e7 4 7 光纤环网及嵌入式P L C 在集中控制中的应用 唐钟，谢阅 ( 中国工程物理研究院计算机应用研究所，四川绵用6 2 1 9 0 0 ) 摘要：高速冗采光纤环网其有传 奇速率高、抗电鞋千扰性强等优点软件型嵌入式P L C 采用实时内棱技术标准插 槽型可以独立干P C 札暮统，能在很大程度上提高控幸l 系统的可靠性讨论了高速冗采光纤环罔技术以及基于嵌
2、入式 P L C 曲P C 机集中控制技术，井舟绍了在高功宰激光裴置片状放大嚣控制系统中曲应甩 美键词：光纤环网t 嵌入武P L Ca 集中控制 高功率激光装置 A p p l i c a t i o no fO p t i cF i b e rR i n gN e t w o r ka n dE m b e d d e dP L C i n t h eC o n c e n t r a t eC o n t r o l T A N GZ h o n g ，X I E r u e ( I n s t i t u t eo fC o m p u t e rA p p l i c a t i o
3、n ，C h i n aA c a d e m yo fE n g i n e e r i n gP h y s i c s 。M i a n y a n g6 2 1 9 0 0 ，C h i n a C o r r e s p o n d e n t ：T A N GZ h o n g E m a i l lt a n g z h o n g m y 1 2 6 c o r n ) A b s t r a c t ：R e d u n d a n c eo p t i cf i b e rr i n gn e t w o r kh a st h ec h a r a c t e r i s
4、 t i c so fh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d ，s t r o n gc a p a b i l i t y o fr e s i s t i n ge l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ea n dg o o dr e d u n d a n e ef u n c t i o n E m b e d d e dP L Cm a yg r e a t l ye n h a n c e r e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t
5、 e m T h et e c h n o l o g yo fr e d u n d a n e eo p t i cf i b e rr i n gn e t w o r ka n dP Cc o n c e n t r a t e dc o n t r o l s y s t e mb a s e do nP L Co p t i cf i b e rr i n gn e t w o r ki sd i s c u s s e d a n di t sa p p l i c a t i o ni si n t r o d u c e df o rc o n t r o ls y s t
6、e mo f p a t c ha m p l i f i e ro fh i g hp o w e rl a s e re q u i p m e n t K e yw o r d s O p t i cf i b e rr i n gn e t w o r k E m b e d d e dP L C iC o n c e n t r a t ec o n t r o ；H i g hp o w e rl a s e re q u i p m e n t l 引言 一 高功率激光装置片状放大器系统有近百台能源 设备需要集中控制片状放大器子系统为高功率激 光装置提供打靶能量，直接关系到全装置
7、能否成功 运行控制系统的可靠运行是保证片状放大器能源 设备正常充放电的基础片放能源设备是高能量大 功率的电源模块，充电电压一般大于2 0k V ，当近百 台模块同时放电时，产生的强电磁场干扰是控制系 统必须考虑的闻题 以光纤环为介质的工业以太网具有传输速率 高，抗电磁干扰性强，冗余功能好的优点，是片状放 大器控制系统理想的传输网络P L C 技术已十分成 熟，其控制可靠性安全性很高命令的执行速度也很 快，可以将其作为能源模块的控制单元主机装置的 上层控制系统采用基于C + + 的高级语言开发基 于P L C 的光纤环网通过S N A P ( 子网接入协议) 接人 控制P C ，可以解决工业以太
8、网到P C 机高级语言( C + + ) 的接r n 问题集中控制P C 机使用嵌人式P L C 技术，能实现S N A P 功能，轻松地与第三方软件集 成，并且增加了控制系统的可靠性 2 高速冗余光纤环网概述 冗余光纤环阿具有传输速率高，抗电磁干扰性 强，冗余功能好的优点 全双工( F D x ) 是一种网络运行方式，与半双工 相比，全双工时终端可以同时发送和接受数据采用 F D X 时，对网络中参与的终端内的冲突检测是自动 释放的F D X 的一个先决条件是使用有单独发送和 接受通道的传输介质( 如F O 和I T P ) ，以及所包含的 部件有保存数据包的能力 在一个F D X 连接中不
9、会出现冲突，因而支持 基金项目；国家8 6 3 计是| 项目( 2 0 0 5 A A 8 4 5 1 1 0 ) 作者简介，唐钟( 1 9 7 4 一) 男四J l l 绵阳人工程师，硕士生。从事智能控制、计算机软件的研究 7 4 82 0 0 6 中国控制与决策学术年会论文集 F D X 的部件能以正常的传输率同时发送和接收，数 据的吞吐量要比网络的额定传输率大一倍，快速以 太网可达到2 0 0M 位s F D X 的另一优点是增大了网络范围通过停止 激活冲突原理，F D X 能使两个部件问的距离增大到 超过一个冲突域的范围用全双工时，有可能使所有 的发送和接收部件传送距离达到性能极限，
10、一次出错后的快速网络重构时间是工业应用不 可缺少的特性否则，连接的终端会关闭逻辑通讯连 接。导致控制过程中断用生成树协议的网络结构组 织约需3 0 6 0s 时间在这一时同内，选用N E T 高 速冗余+ 不采用生成树协议 使用特殊开发的N E T 冗余控制过程，能够达到 所需要的快速响应时间用这种过程，在几分之一秒 时间内能够重构一个功能网络基础结构 3 基于P L C 光纤环网的P C 机集中控制 系统 P L C 的技术发展除进一步走向开放和加强通 信联网能力外，还有超高速，基本指令的执行时间只 有0 0 3p s 即每秒能执行几千万条指令；大容量存 储器，多C P u ，多任务并行运行
11、；大力发展集成化软 件；与I T 世界的连接性；进一步加强安金性，即主动 的预防性安全措施能达到I E C6 1 5 0 8 的最高级别 S I L 3 ，即数据错误宰为1 0 - 8 1 0 7 因此，选用P L C 为能源模块的控制单元 片状放大器系统有近百台控制对象，每个控制 对象配置一个P L C 由于光纤环网的组网能力的限 制，在一个光纤环丽内实现近百台P L C 的通讯控制 是困难的，因此将网络分成两个子环网，再将两个环 网通过通讯模块连接到P C 机，实现集中控制使用 特殊开发的N E T 冗余控制过程，能够达到所需要 的快速响应时间用这种过程，在几分之一秒时间内 能够重构一个功
12、能网络基础结构 主机装置的上层控制系统采用基于C + + 的高 级语言开发，基于P L C 的光纤环网通过S N A P ( 子网 接人协议) 接人控制P C ，可以解决工业以太网到P C 机高级语言( C + + ) 的接口问题 子网接人协议S N A P 规范了在I E E E 风络上传 输I P 数据报的标准方法换句话说，在I E E E8 0 Z 网 络上将I P 数据包封装于8 0 2 2L L C ，S N A P 数据链 路层和8 0 2 3 ，8 0 Z ，4 或8 0 2 5 网络物理层在S N A P 中I P 数据报的传输并不依赖于下层L A N 技术( 各 种以太网和令
13、牌环类型) 的传输速率，它具有各种不 同的传输速率( 从1M b p s 到2 0M b p s ) ，满足传输百 余台能源设备放电电流数据的速度要求 数量众多的高能量模块对可靠的充放电过程控 制有很高的要求，现场P L C 控制单元的使用，以及 集中控制P C 机中嵌人式P L C 的应用，从两级保证 了控制可靠性嵌A 式P L C 是指在特定的控制装置 中实现P L C 缩程语言的解释、执行，使特定装置在 自身专用功能基础上具有P L C 的基本功能嵌入式 P L C 能实现S N A P 功能，分为软件P L C 和插槽 P L C 软件P L C 利用P C 机资源实现P L C 功能
14、，插槽 P L C 将P L C 做成板卡形式，直接插入P C 机，实现其 功能无论是软件P L C 还是插槽P L C ，都可容易地 嵌入P C 祝，实现与现场P L C 控制单元实现数据通 讯，通过O P C 或A c t i v e 控件与C + + 程序进行快速、 简易地数据交换，轻松地与第三方软件集成嵌入式 P L C 可以提高控制系统的可靠级别，软件型采用实 时内核技术标准，控制程序运行在R T X 扩展内核 中蓝屏死机时不影响控制任务；插槽P L C 可以独 立于P C 机系统，在P C 机出现异常时，仍能保证控制 安全装有嵌入式P L C 的P C 机软件实现方法是：开 发有数
15、据交互和安全保护功能的程序运行于P C 机 内棱或插槽式P L C 中；C + + 高级语言开发用户控 制及数据管理程序 4 工程应用 高功率激光装置片状放大器系统有近百台能源 设备，疆效系统也有多台能源设备需要控制因此采 用基于P L C 冗余光纤环网的P C 机集中控制方案， 将数量众多的大能量( 电压超过2 0k V ) 设备管理起 来 对于快速以太网，冲突域范围为4 1 2m 为了建 立冲突域，网络部件选用S I M A T I CO S M ( 光纤链 路模块) ，这样玻璃纤维光缆的最大长度可达到 30 0 0r n 在高功率激光装置片状放大器控制系统中，由 百余个S I M A T
16、 I C 光纤切换模块( O S M ) 和个具有 冗余管理功能的O s M 组成的1 0 0M 位s 光纤环， 出错后( 如电路开路或切换故障) 能在不到0 2s 的 时间内完成网络重构 基于P L C 光纤环题的P C 机集中控制拓扑结构 如图1 所示 控制系统配置如下：选用S I M A T l C 的P L C ， O S M ，W i n A C 等网络产品作为软硬件平台 软件平台：S I M A T I cP L C 的开发软件使用 S T E P 7 ，P C 机管理软件使用C + + 高级语言 硬件平台：s I M A T I cP L C 作为能源模块的控 唐钟等：光纤环网及嵌入武P L C 在集中控制中的应用 7 4 9 冒1 基于P L C 光纤环网的P C 机集中控制系统拓扑结构 制单元 使用S I M A T I CW i n A C 产品( 插槽型) 实现嵌 入式
