S7-400 PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用

杜海亭

（兗州煤業(yè)榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

西門(mén)子PLC 作為當(dāng)今工控系統(tǒng)的主流品牌，各行業(yè)應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)通常分為監(jiān)控層和控制層（或稱(chēng)現(xiàn)場(chǎng)層），監(jiān)控層一般都以冗余以太網(wǎng)為主，控制層西門(mén)子以PROFIBUS DP 為主。本文重點(diǎn)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)部位就是控制層，即現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著自動(dòng)化系統(tǒng)步入一個(gè)真正意義上的全新的開(kāi)放式、數(shù)字通訊時(shí)代。PROFIBUS 是一種遵循IEC61158 標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，目前已廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)、過(guò)程控制、冶金等領(lǐng)域。

PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DP 網(wǎng)絡(luò)）可以分為線型、星型、環(huán)型等，本文列舉的石灰窯PLC 系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中曾出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷或黑屏現(xiàn)象，影響生產(chǎn)運(yùn)行，基于上述原因分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出解決措施。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 System network topology

圖2 DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 DP Topology

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)通信方式較為常見(jiàn)，主要用于控制器或通過(guò)交換機(jī)與上位機(jī)之間的通訊，其結(jié)構(gòu)較為常見(jiàn)的為冗余線型以太網(wǎng)，另外一種就是冗余環(huán)形以太網(wǎng)，原理類(lèi)似區(qū)別在于結(jié)構(gòu)布局上。環(huán)形以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)發(fā)展起來(lái)的，繼承了以太網(wǎng)速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸提供了一條冗余鏈路，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，是工業(yè)控制領(lǐng)域信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的理想選擇[1]。

1.2 PROFIBUS

PROFIBUS 總線技術(shù)原理本文不做過(guò)多介紹，市面上相關(guān)參考書(shū)籍也比較多，這里重點(diǎn)要提兩個(gè)規(guī)范：一是2016 年國(guó)家能源局發(fā)布的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)規(guī)程》，另外一個(gè)是2017 年工業(yè)和信息化部發(fā)布的《石油化工PROFIBUS 控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。兩個(gè)規(guī)范對(duì)PROFIBUS 網(wǎng)段設(shè)計(jì)、安裝、設(shè)備選擇等方面都有不同側(cè)重點(diǎn)的描述，其中對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有基本的約定，其中《石油化工PROFIBUS 控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“6.2.1.1 PROFIBUS DP 屏蔽雙絞線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)宜為線型；6.2.1.4 使用光纖鏈接模塊的PROFIBUS DP 光纜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為線型、星型、環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”[2]。實(shí)際運(yùn)用中可根據(jù)投資費(fèi)用，系統(tǒng)環(huán)境等因素綜合考慮。

2 石灰窯PLC系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本石灰窯PLC 控制系統(tǒng)由5 套西門(mén)子S7-414 控制器，1 臺(tái)工程師站及7 臺(tái)操作站組成。

5 套西門(mén)子S7-414 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1）1#/2#/4#石灰窯S7-414CPU 通過(guò)PROFIBUS DP 總線，下掛7 個(gè)ET200M 從站及4 臺(tái)變頻器（1 臺(tái)高溫廢氣風(fēng)機(jī)、1 臺(tái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、1 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)、1 臺(tái)窯除塵風(fēng)機(jī)變頻器）。

2）3#石灰窯S7-414CPU 通過(guò)PROFIBUS DP 總線，下掛9 個(gè)ET200M 從站及8 個(gè)變頻器（1 臺(tái)高溫廢氣風(fēng)機(jī)、1臺(tái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、1 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)、1 臺(tái)窯除塵風(fēng)機(jī)變頻器及4 臺(tái)高溫引風(fēng)機(jī)變頻器）。

3）公輔系統(tǒng)S7-414CPU 通過(guò)PROFIBUS DP 總線，下掛8 個(gè)ET200 從站及5 個(gè)變頻器。

2.2 存在的問(wèn)題

1）監(jiān)控層：從圖1 可以看出監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)為單網(wǎng)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如果該通訊網(wǎng)卡或交換機(jī)故障，則上位機(jī)和各站通訊中斷，操作員無(wú)法監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，造成數(shù)據(jù)中斷或黑屏現(xiàn)象。

2）控制層：由圖2 可見(jiàn)DP 網(wǎng)絡(luò)為典型的線型結(jié)構(gòu)，主站與遠(yuǎn)程ET200M 從站的通訊，同過(guò)一個(gè)IM153 接口模塊、單路PROFIBUS DP 總線，如果該網(wǎng)絡(luò)的任何一個(gè)地方斷開(kāi)，則PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)掉站。目前機(jī)柜室電氣和儀表混用，變頻器動(dòng)力電纜和DP 電纜存在混放現(xiàn)象，極易造成網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定。

2.3 優(yōu)化方案

1）監(jiān)控層：考慮到上位機(jī)成本因素，考慮將原單層以太網(wǎng)絡(luò)改為環(huán)形以太網(wǎng)，硬件上需要做如下改動(dòng)：①原系統(tǒng)CPU 為414 不支持冗余結(jié)構(gòu)，需更換CPU414H 型；②增加雙通訊卡CP443-1；③增加交換機(jī)數(shù)量，交換機(jī)使用SCALANCE X204-2（以太網(wǎng)交換機(jī)）和SCALANCE X308-2（環(huán)網(wǎng)管理交換機(jī)）兩類(lèi)[3]。各機(jī)柜間采用光纖互相連接。

圖3 CPU等冗余部件配置結(jié)構(gòu)Fig.3 Configuration structure of CPU and other redundant components

圖4 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Optimized network structure

2）控制層：控制層優(yōu)化為冗余DP 結(jié)構(gòu)，除監(jiān)控層硬件改動(dòng)外還需要：①ET200M 從站接口模塊改為IM153-2型，底板改為熱插拔型；②增加Y-Link 模塊。

主要部件及作用說(shuō)明，見(jiàn)圖3。

CPU414H：支持冗余結(jié)構(gòu)配置，可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，自動(dòng)事件同步；IM153-2 型：支持冗余的DP 接口模塊；Y-Link 模塊：將單路DP 從站接入冗余DP 網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)主要指變頻器等設(shè)備。

優(yōu)化后系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

3）針對(duì)之前的系統(tǒng)問(wèn)題，經(jīng)優(yōu)化后具有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 控制站與ET200M 從站的通訊，同過(guò)冗余PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，如果該網(wǎng)絡(luò)的任何一個(gè)地方斷開(kāi)，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊不受影響，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 主要部件清單Table 1 List of main components

② ET200M 從站上IM1353-2 和控制站的通訊模塊互為冗余，如果一個(gè)模塊故障，則該ET200M 從站和控制站通訊完全不受影響，該ET200M 從站上的信號(hào)及設(shè)備將仍然可監(jiān)控，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

③ 控制站通過(guò)冗余CP443-1 網(wǎng)卡和操作員站通訊，如果該通訊網(wǎng)卡故障，則操作員站和控制站通訊完全不受影響，操作員仍可監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

④ DP 網(wǎng)絡(luò)上的單一站點(diǎn)故障，不影響后續(xù)站點(diǎn)通訊，具有較高的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)升級(jí)后系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性和可用性將得到提高，遠(yuǎn)程ET200M 站、CPU 控制器、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均實(shí)現(xiàn)冗余，個(gè)別節(jié)點(diǎn)故障，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置的停機(jī)，并可在線熱插拔，處理系統(tǒng)存在的故障。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)在前期做好規(guī)劃，控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特別要考慮應(yīng)用環(huán)境的因素，如同樣的DP 線型結(jié)構(gòu)也許在脫鹽水裝置用的很好，但是到了電石爐、石灰窯等地方問(wèn)題卻較多。因此，在復(fù)雜的環(huán)境下要提高網(wǎng)絡(luò)的性能，目前最為有效和實(shí)用的就是冗余技術(shù)；另外，在跨機(jī)柜且距離較遠(yuǎn)者，采用光纖通訊具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。