PLC冶金自動化控制系統(tǒng)中的通信技術(shù)運用研究

劉 山

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

如今的時代是一個信息化的時代，在這個時代中，各個領(lǐng)域都要積極地與信息技術(shù)相融合，這樣才能得到更為長久的發(fā)展。冶金技術(shù)作為新時代中重要的技術(shù)之一，在新形勢下，為了更好地完成自動化的流程，也要積極的與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合。PLC控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對人類思維的高級模擬，使得冶金的整體工藝流程更加自動化和智能化。如果PLC控制系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障，冶金設(shè)備的系統(tǒng)輥、泵都會進(jìn)行系統(tǒng)停轉(zhuǎn)，甚至造成冶金設(shè)備運行故障進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備損壞。目前我國在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中實用的自動化控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的運行編程經(jīng)歷了設(shè)計部門、研究部門、實驗部門等多個流程的反復(fù)檢測，具備各項控制要求與故障防護(hù)工作后才能被用于實際生產(chǎn)系統(tǒng)的控制使用中[1]。

1 通信技術(shù)的簡析

通信技術(shù)也被稱之為通信工程，是目前在電子工程中經(jīng)常使用到的一個基礎(chǔ)學(xué)科，它主要是為了解決通信過程中信息的傳遞以及信息處理的工作。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為媒介的通信系統(tǒng)已經(jīng)基本形成，隨著計算機(jī)技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，通信系統(tǒng)迎來了新的發(fā)展階段?，F(xiàn)階段通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)形成了一套全新自動化控制系統(tǒng)，它可以將整個企業(yè)的生產(chǎn)納入到一個整體的框架之內(nèi)，通過利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，將通信技術(shù)與控制系統(tǒng)進(jìn)行完美地融合。

2 PLC自動化控制系統(tǒng)

PLC自動控制系統(tǒng)是目前控制系統(tǒng)中最為重要的組成部分，它的運行質(zhì)量決定著企業(yè)整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行質(zhì)量，對于企業(yè)整體的運行有著至關(guān)重要的作用，如果在PLC自動控制系統(tǒng)的運行過程中出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致整個生產(chǎn)系統(tǒng)無法正常運轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致企業(yè)相關(guān)系統(tǒng)陷入癱瘓。PLC自動控制系統(tǒng)的運行程序需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行編程，同時要對整個系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的檢查，并且要根據(jù)企業(yè)的實際需要，對PLC自動控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。通信技術(shù)在PLC自動化技術(shù)中的應(yīng)用可以進(jìn)行人為的選擇，其中目前使用比較多的是西門子S7--300（圖1）系列，該技術(shù)是在實際的應(yīng)用工程中已經(jīng)充分的展現(xiàn)了其特有的優(yōu)勢，它的中央處理器可以滿足系統(tǒng)當(dāng)中不同接口的需求，同時也支持現(xiàn)場總線的技術(shù)要求[2,3]。

圖1 西門子S7--300模塊

3 通信技術(shù)在PLC自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢

通信技術(shù)在PLC系統(tǒng)化控制系統(tǒng)中的優(yōu)勢有很多，本文主要以控制網(wǎng)絡(luò)的多樣性進(jìn)行分析。對于PLC的控制網(wǎng)絡(luò)而言主要是包括了簡單網(wǎng)絡(luò)以及多級復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)這兩種類型。

3.1 簡單網(wǎng)絡(luò)

簡單網(wǎng)絡(luò)指的是在信息網(wǎng)絡(luò)中，主站主要是個人計算機(jī)，而從站指的是同一個類型的PLC，以此為基礎(chǔ)建立的一套控制系統(tǒng)。個人計算機(jī)在這套系統(tǒng)當(dāng)中主要發(fā)揮的作用相當(dāng)于大腦，而PLC就是執(zhí)行，通過個人計算機(jī)來完成編程等操作，利用PLC進(jìn)行控制，以此完成作業(yè)。當(dāng)然簡單網(wǎng)絡(luò)中也可以使用一臺PLC為主站，利用一臺或者幾臺其他類型的PLC為從站進(jìn)行工作，但是需要注意的是在這種情況下，作為主站的PLC必須要配備一些其他的配套設(shè)備，否則將無法進(jìn)行操作。

3.2 多級復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

這種網(wǎng)絡(luò)模式現(xiàn)在主要是應(yīng)用于一些大型的企業(yè)當(dāng)中。目前由于PLC的產(chǎn)生過程不一樣，所以就是造成自動化系統(tǒng)中層級和功能存在差異，比如一般制造商在生產(chǎn)過程中會將其分為三個層級，上層主要是對企業(yè)的總體生產(chǎn)情況進(jìn)行控制，中層是對企業(yè)在生產(chǎn)過程的一些情況進(jìn)行改良，底層則是對生產(chǎn)的現(xiàn)場進(jìn)行優(yōu)化。由于大型企業(yè)內(nèi)部運行過程中涉及到的部門比較多，想要實現(xiàn)企業(yè)的正常運轉(zhuǎn)就必須使用這種多級復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它可以利用多級控制的優(yōu)勢，精準(zhǔn)地對企業(yè)的各個部門進(jìn)行控制。

4 通信技術(shù)在PLC自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的改善措施

由于通信技術(shù)在PLC自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用過程中，通信協(xié)議無法統(tǒng)一是一個比較棘手的問題。在實際的應(yīng)用過程中，這種缺陷導(dǎo)致了企業(yè)各個部門很難做到切實有效地溝通，例如在底層網(wǎng)絡(luò)和中層網(wǎng)絡(luò)之間，由于通信協(xié)議不一致就導(dǎo)致在溝通的過程中存在時間差，很難保證溝通的及時性。在企業(yè)使用的通信協(xié)議中，包括了點對點接口協(xié)議、USS 協(xié)議等多種協(xié)議類型，雖然不同的協(xié)議有著不同的特點，但是在實際的使用過程中，眾多的協(xié)議就導(dǎo)致工作人員在使用時很難正確選擇，阻礙企業(yè)的正常發(fā)展。此外，由于通信技術(shù)在 PLC 自動化系統(tǒng)中經(jīng)常使用到的一種系統(tǒng)名為集散控制系統(tǒng)。這套控制系統(tǒng)使用起來比較簡單，操作過程也不復(fù)雜，但是在面對一些大規(guī)模的企業(yè)時，一旦通信數(shù)量過大，就會造成系統(tǒng)的癱瘓，很難有效地保障企業(yè)內(nèi)部的溝通。因此，在實際應(yīng)用中，需要采取一定的改善措施，提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和運行效率。

4.1 大力發(fā)展PROFIBUS技術(shù)的應(yīng)用

PROFIBUS技術(shù)組主要有三個部分組成，分別是DP、PA以及FMS。DP這部分主要是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，其主要的作用是針對生產(chǎn)現(xiàn)場使用的一些設(shè)備之間的信息傳輸工作，并且可以建立起一些簡單的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)階段在PROFIBUS技術(shù)的使用過程中，DP是其重要的組成部分，甚至DP在一定程度上就是PROFIBUS技術(shù)的代名詞。FMS部分主要是應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)車間等范圍比較大的地方，主要的工作就是進(jìn)行較大范圍的圖文轉(zhuǎn)換。它對于各部門之間的通信圖文進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范，極大地解決了因為通信協(xié)議不一致所造成的通信阻礙，滿足了企業(yè)各部門之間的通信往來。

4.2 提高現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一性

從我國目前企業(yè)的發(fā)展過程中不難看出，現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上解決了企業(yè)管理的難題，促進(jìn)了企業(yè)的長足發(fā)展。但是現(xiàn)階段使用的現(xiàn)場總線技術(shù)差異性比較大，企業(yè)使用的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，從而制約了企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。并且在現(xiàn)場總線技術(shù)的過程中，其通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)也是五花八門，從而造成企業(yè)各部門之間的溝通不暢，為企業(yè)的發(fā)展增加了阻礙。所以，未來通信技術(shù)在PLC自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，要提高現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一性，為企業(yè)健康有序的發(fā)展保駕護(hù)航。

4.3 提高信息糾錯能力

對于所有的信息技術(shù)而言，其本身所具備的信息糾錯能力都是檢驗該系統(tǒng)運行能力的一個重要方面，有效地鑒別錯誤信息，也是通信技術(shù)所必備的一個技術(shù)環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪^程中，不可避免地存在著很多的錯誤信息，如果這些錯誤信息沒有被及時地檢驗出來，很可能導(dǎo)致系統(tǒng)在運行的過程中出現(xiàn)問題，最終很可能導(dǎo)致工作人員出現(xiàn)工作的失誤，進(jìn)而給企業(yè)造成一定的損失。所以，就要求通信系統(tǒng)在運行的過程中要具備強(qiáng)大的信息糾錯能力，能夠及時地發(fā)現(xiàn)錯誤信息，并能夠及時地糾正。目前通信系統(tǒng)中經(jīng)常使用的糾錯方法有很多類型，簡單一點的有奇偶檢驗矩陣、方陣碼等，而面對一些比較復(fù)雜的情況通常使用的CRC檢錯。所以，未來通信技術(shù)在PLC自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，要不斷提高通信系統(tǒng)的信息糾錯能力，并且無論使用哪種糾錯的方法都要保證糾錯的效率和質(zhì)量。

5 應(yīng)用實例

5.1 基本概況

某冶金企業(yè)連鑄生產(chǎn)線采用了全新的網(wǎng)絡(luò)過程控制系統(tǒng)，全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括核心層和匯聚層，部分匯聚層和應(yīng)用層合二為一。整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)健壯，具備交換機(jī)主備冗余、鏈路結(jié)構(gòu)冗余。其核心網(wǎng)絡(luò)采用的三層交換機(jī)是赫斯曼交換機(jī)MAR系列，核心層組網(wǎng)方式采用（OSPF）的路由協(xié)議，每兩臺三層交換機(jī)通過（VRRP）實現(xiàn)主備交換機(jī)無縫切換。匯聚層選用赫斯曼兩層交換機(jī)MACR系列，通過（RSTP）＋（L.A.802.3ad）與核心層通訊，匯聚層網(wǎng)基于生成樹組成環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)采用鏈路聚合的方式實現(xiàn)。核心層通過劃分不同的（VLAN）用于滿足不同區(qū)域二級系統(tǒng)的需求。

5.2 MCCR核心層網(wǎng)絡(luò)

5.2.1 MCCR核心層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分布

核心層采用4臺赫斯曼三層交換機(jī)MAR1040，該設(shè)備采用無風(fēng)扇設(shè)計，提供16個千兆以太網(wǎng)組合（COMBO）端口，每個端口包括一個RJ45以太網(wǎng)插槽和SFP插槽。每個RJ45電口提供10/100/1000m/s網(wǎng)速，光纖SFP插槽提供100/1000m/s網(wǎng)速。每個組合端口根據(jù)實際使用情況選擇一個合適的插槽連接。前面板顯示診斷信息，供電范圍寬，采用交直流110V～220V，圖像化管理界面方便管理。

5.2.2 MCCR核心層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三層交換機(jī)處于七層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層，三層交換機(jī)同路由器一樣具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。核心層4臺交換機(jī)啟用開放最短路徑優(yōu)先OSPF，是一個內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議。以SSY01-A905為例闡述，SSY01-A905使用OSPF，該路由協(xié)議便收集該三層交換機(jī)的連接狀態(tài)信息，也就是該設(shè)備鏈路狀態(tài)信息，同時生成4臺交換機(jī)的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。這個鏈路狀態(tài)信息描述了當(dāng)前交換機(jī)的鏈路、接口方式、鄰居等相關(guān)信息。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫描述SSY01-A905～SSY01-A908的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的描述。SSY01-A905交換機(jī)使用（SPF）算法，計算出最短路徑，并將計算路徑存入SSY01-A905的路由表。如果由于意外SSY01-A905離線，其余3臺交換機(jī)將通過SPF計算，更新各自的路由表。核心層網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

圖2 核心層使用OSPF 連接示意圖

5.2.3 MCCR核心層網(wǎng)絡(luò)物理鏈路冗余功能實現(xiàn)

核心層的4臺交換機(jī)功能劃分SSY01-A905和SSY01-A906一對用于組建MCCR內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)主要包括：MCCR鑄機(jī)、MCCR隧道爐、MCCR軋機(jī)。SSY01-A907和SSY01-A908核心交換機(jī)一對用于組建外部通訊網(wǎng)絡(luò)。外部通訊網(wǎng)絡(luò)主要包括轉(zhuǎn)爐化驗室、三級系統(tǒng)等擴(kuò)展部分系統(tǒng)。以下以MCCR核心網(wǎng)中外部網(wǎng)絡(luò)中三級系統(tǒng)為對象進(jìn)行闡述。SSY01-A907和SSY01-A908的冗余技術(shù)通過虛擬路由器（VRRP）技術(shù)實現(xiàn)。VRRP實現(xiàn)的方法是將SSY01-A907設(shè)為主交換機(jī)，將SSY01-A908設(shè)為從交換機(jī)，對外一致認(rèn)為兩臺交換機(jī)是一臺交換機(jī)，通過實際虛擬出來的地址配置就行。每臺交換機(jī)通過圖形化窗口配置，設(shè)定每個交換機(jī)的接口地址。本例中SSY01-A907接口地址為99.99.99.3，SSY01-A908接口地址為99.99.99.2，VRRP對外虛擬的地址為99.99.99.1。主從切換時通過priority屬性值高低來決定誰為主交換機(jī)（MASTER），priority屬性值默認(rèn)設(shè)定為100，從下文的配置中可以看出SSY01-A907的屬性設(shè)置為120，為主交換機(jī)。主從的切換時還需要有心跳線，設(shè)定一個專有的端口進(jìn)行兩個交換機(jī)直連，SSY01-A907主交換機(jī)選確認(rèn)后，另一個交換機(jī)SSY01-A908作為備份路由器，從交換機(jī)并通過主交換機(jī)發(fā)出的VRRP報文監(jiān)測主交換機(jī)的運行狀態(tài)。在赫斯曼的交換機(jī)內(nèi)部SSY01-A907交換機(jī)VRRP端口配置信息為interface9/8的形式，該端口為虛擬端口，交換機(jī)本身不存在這樣的物理端口。

5.3 MCCR匯聚層網(wǎng)絡(luò)

匯聚層的交換機(jī)處于數(shù)據(jù)鏈路層，不具備路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。MCCR匯聚層采用多臺赫斯曼二層交換機(jī)MACR104，該設(shè)備采用無風(fēng)扇設(shè)計，提供4個千兆以太網(wǎng)組合（COMBO）端口，20個以太網(wǎng)端口。組合端口中選用SFP插槽可以用于遠(yuǎn)距離光纖連接隧道爐和鑄機(jī)匯聚網(wǎng)絡(luò)，光纖采用單模光纖，SFP模塊為單多模復(fù)用模塊。匯聚層接入核心層和匯聚層的環(huán)網(wǎng)間連接采用（RSTP）＋L.A.802.3ad方式。IEEE802.3ad是執(zhí)行鏈路聚合的標(biāo)準(zhǔn)方法?？梢詫⒍鄠€以太網(wǎng)端口聚集成一個單獨的虛擬以太網(wǎng)端口。（L.A.或者LACP），為鏈路匯聚控制協(xié)議，是一種實現(xiàn)鏈路動態(tài)匯聚的協(xié)議。通過L.A.802.3ad方式可以實現(xiàn)新的高寬帶鏈路，該鏈路可實現(xiàn)負(fù)載均衡，總帶寬疊加、鏈路備份。MCCR產(chǎn)線每臺匯聚交換機(jī)通過兩個端口進(jìn)行聚合，避免匯聚環(huán)網(wǎng)內(nèi)部以及匯聚網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)率過低以及丟包現(xiàn)象。RSTP快速生成樹協(xié)議。在環(huán)網(wǎng)中可以實現(xiàn)路徑冗余，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，給夠快速收斂網(wǎng)絡(luò)，同時能夠避免報文在環(huán)網(wǎng)無限增生和無限循環(huán)。

總之，文章結(jié)合實例，分析了MCCR產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，核心層組網(wǎng)方式、匯聚層組網(wǎng)方式，并討論了交換機(jī)冗余熱備的實現(xiàn)，雙鏈路端口集合的實現(xiàn)。赫斯曼交換機(jī)備份還原非常方便，MCCR無頭產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性將會大大提高，配置赫斯曼的管理軟件HiVision時刻監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實現(xiàn)故障出現(xiàn)無縫切換設(shè)備不停機(jī)，故障出現(xiàn)有報警顯示。滿足了冶金連鑄生產(chǎn)系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)故障，確保了生產(chǎn)活動的順利進(jìn)行。