以太網(wǎng)通信技術在工廠電氣自動化控制系統(tǒng)中的應用及常見故障診斷

馮麗萍　韓達睿

【摘 要】論文簡要論述了西門子S7-200PLC以太網(wǎng)通信技術在某公司自動化生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)中的應用，針對其各部分組成元件在現(xiàn)場總線中的作用以及工作中可能出現(xiàn)的常見問題進行分析，加強對采用以太網(wǎng)通信技術控制自動化設備的認知，提高維護人員快速排除現(xiàn)代化網(wǎng)絡電氣故障能力。

【Abstract】This paper briefly discusses the application of SIEMENS S7-200PLC Ethernet communication technology in the electric control system of an automation production line of a company. The function of the components in the field bus and the common problems that may occur in the work are analyzed， so as to strengthen the cognition of using ethernet communication technology to control automation equipment， and improve the ability of maintenance personnel to eliminate the modern network electrical fault quickly.

【關鍵詞】以太網(wǎng)通信技術；工廠電氣自動化； 網(wǎng)絡故障診斷

【Keywords】ethernet communication technology； factory electric automation； network fault diagnosis

【中圖分類號】TM76 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0181-02

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)電氣系統(tǒng)向著分布化、智能化迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)以其傳輸速率快、工作可靠性高、兼容性強、維護成本低、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮燃夹g優(yōu)勢，已經(jīng)成為自動化網(wǎng)絡電氣控制系統(tǒng)應用最為廣泛的一種控制形式。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛地應用于工廠電氣控制網(wǎng)絡的最高層，以太網(wǎng)能與現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（例如PROFIBUS）有機集成，可以實現(xiàn)從公司管理層到現(xiàn)場層直接、透明的訪問，通過交換機、網(wǎng)橋或路由器等作為數(shù)據(jù)傳輸紐帶、將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層，協(xié)同完成自動化生產(chǎn)任務的網(wǎng)絡運行控制系統(tǒng)。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)現(xiàn)場受控設備一般由主令開關、傳感器、各類驅動執(zhí)行器、工業(yè)視覺監(jiān)控系統(tǒng)等分立元件組成，各種元器件分布廣，接線錯綜復雜，易造成設備故障頻繁、延誤生產(chǎn)等弊端，采用以太網(wǎng)通信控制系統(tǒng)可大大減少工程建設成本，而且各類分布式現(xiàn)場設備可以直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，與PLC、工控機等管理層設備相互通信交換數(shù)據(jù)。

2 以太網(wǎng)在涂裝設備自動化控制系統(tǒng)中的應用

以某公司涂裝生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)為例，簡述以太網(wǎng)通信在大型涂裝自動化生產(chǎn)線的應用。

涂裝系統(tǒng)網(wǎng)絡結構，本涂裝系統(tǒng)選用3個西門子200PLC作為中央控制系統(tǒng)，其中1臺CPU226作為鏈條輸送系統(tǒng)網(wǎng)絡讀寫主站PLC；其余2臺CPU224XP CN PLC作為網(wǎng)絡讀寫的從站分別控制噴漆室、烘干室消防系統(tǒng)等部分。每一個西門子200PLC都配置一塊CP243-1以太網(wǎng)通訊模塊，它們通過路由器與TP1500觸摸屏組成以太網(wǎng)通訊。主站與從站之間的通信基于主-從原理，主站PLC通過網(wǎng)絡依次訪問各個從站，主站與從站間周期性地讀寫訪問用戶數(shù)據(jù)，以達到控制噴漆室、烘干室、鏈條輸送系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等相關設備自動啟停的目的。

SIMATIC S7-200主站系統(tǒng)。在自動化控制系統(tǒng)中主站系統(tǒng)發(fā)起數(shù)據(jù)通訊，讀寫其他站點的數(shù)據(jù)。S7-200 CPU在讀寫其他S7-200 CPU數(shù)據(jù)時（使用PPI協(xié)議）就作為主站PPI主站也能接受其他主站的數(shù)據(jù)訪問。在本涂裝電氣控制系統(tǒng)中鏈條輸送機作為網(wǎng)絡PPI主站，當人機界面HMI發(fā)出操作指令，此時主站PLC鏈條輸送系統(tǒng)首先發(fā)出預警信息，為鏈條啟動做準備，同時通過網(wǎng)絡寫指令寫入到兩個從站，以達到在同一時間內(nèi)一鍵啟動噴漆室、烘干室、鏈條輸送系統(tǒng)、污水處理等系統(tǒng)的目的。

SIMATIC S7-200主站系統(tǒng)。主站發(fā)起數(shù)據(jù)通訊，讀寫他站點的數(shù)據(jù)。S7-200 CPU讀寫S7-200 CPU數(shù)據(jù)時（使用PPI協(xié)議），PPI主站接受其他主站的數(shù)據(jù)訪問。鏈條輸送機為網(wǎng)絡PPI主站，人機界面HMI發(fā)出操作指令，主站PLC鏈條輸送系統(tǒng)首先發(fā)出預警信息，為鏈條啟動做準備，同時通過網(wǎng)絡指令寫入兩個從站，達到同時一鍵啟動噴漆室、烘干室、鏈條輸送系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)的目的。

SIMATIC s7-200從站系統(tǒng)。從站在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中通過模擬量擴展模塊、分布式I/O等傳感器讀取設備運行過程信息，主站PLC通過改變從站PLC的V變量存儲區(qū)輸出命令。當主站啟動時，作為控制噴漆室的CPU1和控制烘干室的CPU2其控制送排風機V變量存儲區(qū)的狀態(tài)由0變?yōu)?，完成系統(tǒng)啟動或者在自動化生產(chǎn)中對通信網(wǎng)絡各分站中PLC輸入輸出的讀寫操作。

分布式I/O ET200S控制系統(tǒng)。ET200S是一種高度模塊化的多通道分布式I/O系統(tǒng)，是可在惡劣環(huán)境下采集現(xiàn)場數(shù)字量、模擬量輸入輸出信號的智能從站。1號分布式I/O系統(tǒng)采集噴漆室送、排風機轉速等模擬量輸入輸出信號；2號分布式I/O系統(tǒng)采集烘干室溫度等模擬量輸入輸出信號；3號分布式I/O系統(tǒng)采集鏈條輸送系統(tǒng)以停止器、分道器的狀態(tài)來控制小車的行走和運動方向。

以太網(wǎng)通訊的變頻器送排風系統(tǒng)。變頻器的通信協(xié)議采用西門子USS協(xié)議。采用主—從式結構，通信時上位機作為主站向變頻器發(fā)送報文，變頻器作為從站，處理主站發(fā)來的報文執(zhí)行指令。在本涂裝電氣控制系統(tǒng)中噴漆室、烘干室的送排風機運行頻率可在觸摸屏上直接設定并可時時監(jiān)控各送排風機的狀態(tài)。endprint

3 網(wǎng)絡故障分析

工業(yè)以太網(wǎng)將涂裝生產(chǎn)線的中央控制室服務器、客戶機和所有現(xiàn)場電控設備連接起來，以便在中控室通過服務器和客戶機對現(xiàn)場設備進行操作運行和實時監(jiān)控。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，現(xiàn)場環(huán)境溫度、濕度、震動等客觀因素會對以太網(wǎng)絡的正常運行造成一定程度的影響，可能會對設備的造成不可預知的危害，因此必須要對網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行維護引起高度的重視和及時的處理。

3.1 200PLC通訊故障

西門子S7-200PLC支持的通信協(xié)議有很多，具體來說有PPI、MPI、自由口通信協(xié)議等，CPU224XP、CPU226有兩個通訊口，每個通訊口各自獨立而且都有自己的網(wǎng)絡地址、通訊速率等參數(shù)設置。當PLC在正常工作中出現(xiàn)故障時，首先要判斷是軟件程序故障還是硬件故障，一般情況PLC具有自診斷功能，發(fā)生模塊功能錯誤時通過故障指示燈就能判斷，SF如果紅燈，說明存在致命錯誤，如果是黃燈，可能是編程定義處于強制狀態(tài)或其他原因。CPU存在致命錯誤，把開關打到STOP，通過通訊查看PLC信息可以得知具體產(chǎn)生錯誤原因。涂裝現(xiàn)場環(huán)境復雜，PLC模塊在受到強電磁場、靜電等外界因素的干擾情況下有可能造成網(wǎng)絡通信故障程序出錯，排除故障時應本著先易后難、先軟件后硬件的原則進行排查。

3.2 以太網(wǎng)模塊通信故障

CP243-1以太網(wǎng)模塊是一種通訊處理器，使用CP243-1通過工業(yè)以太網(wǎng)可實現(xiàn)S7-200和其他S7-200或者S7-300、S7-400之間的通訊。出現(xiàn)故障LED，顯示：SF紅色連續(xù)點亮或閃亮，表明系統(tǒng)錯誤。LINKL綠色連續(xù)點亮，表明通過RJ45接口連接，已建立以太網(wǎng)連接。RX/TX綠色閃爍，表明數(shù)據(jù)正通過以太網(wǎng)接收和傳輸，注意：通過以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)包不一定用于CP 243-1。CP243-1接受每個通過以太網(wǎng)傳送的數(shù)據(jù)包，在決定數(shù)據(jù)包是否對它有用。如果以太網(wǎng)電纜還沒有斷開，只要CP 243-1嘗試發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，RX/TX指示燈也閃亮。RUN（運行）綠色連續(xù)點亮，表明CP 243-1通訊準備就緒。CFG黃色連續(xù)點亮，表明組態(tài)：在STEP 7 Micro/WIN 32通過CP 243-1與S7-200 CPU保持連接時點亮。

3.3 以太網(wǎng)交換機故障

以太網(wǎng)交換機是基于以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的交換機，交換機能同時連通許多對的端口，觸摸屏、PLC等網(wǎng)絡運行設備通過交換機進行數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。它的端口速率可以不同，工作方式也可以不同，如可以提供10M、100M的傳輸速率、提供全雙工、自適應的工作方式等。以太網(wǎng)交換機故障主要分為軟件和硬件兩大類。硬件故障主要包括電源故障、端口故障、背板故障等；軟件故障主要包括系統(tǒng)錯誤、配置不當、軟件發(fā)生沖突等。在查找網(wǎng)絡交換機故障時可采用排除法、對比法、替換法等方法排除故障。

4 結語

綜上所述，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，“集中監(jiān)控、分散控制”的控制模式已經(jīng)越來越得到人們的認可和肯定，傳統(tǒng)的控制模式已經(jīng)逐步退出歷史舞臺，也正是因為上述中央監(jiān)控系統(tǒng)的種種優(yōu)點，才使得我國工業(yè)自動化生產(chǎn)的效能大幅度提高。目前工業(yè)以太網(wǎng)在工廠電氣自動化領域發(fā)揮著越來越大的主導作用，并且向著與INTERNET無縫集成方向快速發(fā)展，使得工業(yè)控制領域更加自動化、智能化和人性化。

【參考文獻】

【1】袁任光.可編程序控制器（PC）應用技術與實例[M].廣州：華南理工大學出版社，1997.

【2】廖常初.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡組態(tài)編程與故障診[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

【3】姜建芳.西門子S7-300/400PLC[M].北京：工程應用技術機械工業(yè)出版社，2012.endprint