基于 PLC 与工业总线的生产线设备联动优化系统设计与实现

引言：在工业 4.0 和智能制造快速发展的背景下，制造业正经历着前所未有的数字化转型。据国际机器人联合会(IFR)统计，2022 年全球工业机器人安装量达到 51.7万台，同比增长 31‰ 。然而，设备数量的增加并未完全转化为生产效率的提升，主要原因在于设备间缺乏有效协同。传统生产线中各设备往往独立运行，采用简单的顺序控制方式，导致设备等待时间长、资源利用率低、能耗高等问题。本文将 PLC 控制技术与工业总线通信技术有机结合，设计了一套完整的生产线设备联动优化系统，旨在解决设备协同控制难题，为智能制造提供技术支持。

一、系统总体设计

系统采用分层架构设计，包括设备层、控制层和管理层三个主要部分。设备层由各类生产设备组成，负责具体加工任务；控制层以 PLC 为核心，实现设备控制和状态监测；管理层负责生产调度和优化决策。系统通过工业总线网络实现各层间的数据交互，形成完整的闭环控制系统。

在硬件设计方面，选用高性能 PLC 作为主控制器，配备分布式 I/O 模块实现设备接入。工业总线采用 PROFINET 协议，确保通信实时性和可靠性。系统支持多种传感器接入，实现设备状态实时监测。软件设计采用模块化思想，包括设备驱动、通信协议、控制逻辑和优化算法等模块，便于维护和功能扩展。

1.1 系统架构设计

系统采用三层分布式架构设计，包括：

1）设备层：由加工中心、机械臂、输送设备等生产设备组成，配备各类传感器实时采集设备状态数据；

2）控制层：以西门子 S7-1500 系列 PLC 为核心控制器，配备 ET200SP 分布式 I/O模块，通过 PROFINET 网络实现设备控制；

3）管理层：采用工业 PC 运行监控软件，实现生产调度、数据分析和可视化监控。

1.2 硬件设计

硬件系统采用模块化设计，主要组件包括：

主控制器：西门子 S7-1516F-3PN/DPCPU，处理能力满足实时控制需求通信网络：PROFINETIRT（等时实时）网络，通信周期可配置为 1-8m

I/O 系统：ET200SP 分布式 I/O 站，支持热插拔，便于维护安全系统：集成安全 PLC 功能，达到 SIL3 安全等级

1.3 软件设计

软件系统采用面向对象的设计方法，主要功能模块包括

1）设备驱动层：封装各类设备的控制接口

2）通信协议栈：实现 PROFINET、OPCUA 等工业通信协议

3）控制逻辑层：实现设备联动控制算法

4）优化算法层：运行动态规划优化算法

5）人机界面：提供可视化操作界面二、PLC 控制模块实现

PLC 控制模块是系统的核心，负责设备的具体控制。我们采用梯形图编程语言开发控制程序，实现设备启停、速度调节、位置控制等基本功能。针对不同类型设备，设计了标准化的控制函数块，提高代码复用率。

模块实现了完善的异常处理机制，包括设备故障检测、报警处理和自动恢复功能。通过实时监测设备运行参数，及时发现异常情况并采取相应措施，确保生产安全。模块还支持远程监控和参数配置，便于操作人员对生产线进行调整和优化。

2.1 控制程序设计

采用 TIAPortal 开发平台，使用 SCL 结构化文本和梯形图混合编程。关键控制功能包括：

设备基本控制：开发标准函数块（FB）实现设备启停、速度调节等安全互锁：通过硬件和软件双重互锁确保设备安全异常处理：实现三级报警机制（预警、轻故障、重故障

2.2 实时性能优化

为提高控制实时性，采取以下措施：

1）将关键控制任务设置为循环中断组织块（OB35），周期 1ms

2）优化程序结构，减少扫描周期时

3）使用背景数据块减少通信负载

2.3 设备状态监测

通过集成振动传感器、温度传感器等智能传感设备，实时监测：

设备机械状态（振动、温度等）

电气参数（电流、电压等）

工艺参数（压力、流量等）

建立设备健康度评估模型，实现预测性维护。

三、工业总线通信模块设计

通信模块采用PROFINET工业以太网协议，实现PLC与各设备间的高速数据交换。

模块设计遵循工业通信标准，确保不同厂商设备的互联互通。通过优化网络拓扑结构和通信参数，将通信延迟控制在毫秒级，满足实时控制要求。

模块实现了周期通信和非周期通信相结合的机制：周期通信用于传输实时控制数据，保证控制精度；非周期通信用于传输参数配置、报警信息等非实时数据，提高网络利用率。同时，模块支持通信状态监测和故障诊断功能，便于网络维护。

3.1 通信网络架构

采用星型+线型的混合拓扑结构（如图 2 所示）

控制层：星型拓扑，确保实时性设备层：线型拓扑，节省布线成本网络配置双交换机冗余，提高可靠性。

3.2PROFINET 通信实现

1）周期通信：

通信周期：2ms

数据量：每个设备 ⩽128 字节

抖动： <1μs

2）非周期通信：采用 RT_CLASS_3 通信等级支持设备参数配置、报警传输等功能

3.3 网络性能优化

1）流量整形：限制非实时流量不超过带宽的 30%

2）优先级设置：实时数据优先级最高

3）网络诊断：集成网络诊断功能，实时监测：

通信延迟丢包率网络负载

四、联动优化算法研究

针对生产线设备协同问题，我们提出了一种基于动态规划的联动优化算法。算法综合考虑设备状态、生产任务和工艺要求等因素，实时计算最优的设备运行参数和时序关系。通过建立设备联动模型，将复杂的协同问题转化为多阶段决策过程，利用动态规划方法求解全局最优解。

算法实现中，我们设计了专门的目标函数和约束条件，平衡生产效率、能耗和设备寿命等多个优化目标。为提高实时性，采用分级优化策略：底层进行局部快速优化，上层进行全局精细优化。测试表明，该算法能在毫秒级完成优化计算，满足实时控制需求。

4.1 问题建模

将生产线设备联动问题建模为多阶段决策过程：

状态变量：设备状态、任务队列等决策变量：设备运行参数目标函数： min(∝T+βE+γW

其中 T 为生产周期，E 为能耗，W 为设备磨损，α、β、γ为权重系数。

4.2 动态规划算法算法实现步骤：

1）状态离散化：将连续状态空间离散为有限状态集

2）逆向求解：从最终状态反向计算最优值函数

3）策略提取：根据最优值函数得到最优控制策略

4.3 实时优化策略采用分层优化方法：

1）底层（ 1ms 级）：基于规则库的快速决策

2）中层（ 100ms 级）：局部优化

3）高层（1s 级）：全局优化通过滚动时域优化实现实时性能。

五、结束语

本文设计实现的基于 PLC 与工业总线的生产线设备联动优化系统，有效解决了传统生产线设备协同效率低下的问题。系统采用分层架构设计，结合高性能 PLC 控制和工业总线通信，实现了设备间的高效联动。提出的动态规划优化算法，在保证实时性的同时实现了多目标优化。

参考文献

[1]张明远,李成刚.基于工业以太网的智能制造系统设计与实现[J].自动化技术与应用,2020,39(5):45-50.

[2]陈志强,王立新.PLC 在工业自动化控制系统中的应用研究[J].制造业自动化,2021,43(2):78-82.