摻混環(huán)網(wǎng)改造的研究與應(yīng)用

溫景斌

（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

1 引言

天津大沽化工臨港工廠摻混裝置DCS 系統(tǒng)是西門子PCS7，成套設(shè)備有風(fēng)送系統(tǒng)、擠出機(jī)系統(tǒng)、喂料器系統(tǒng)。PCS7 系統(tǒng)與成套設(shè)備間使用的通訊協(xié)議有PROFINET 和MODBUS-TCP 大量數(shù)據(jù)依托于以太網(wǎng)并且多套設(shè)備之間數(shù)據(jù)通訊存在通訊故障聯(lián)鎖停車邏輯。在日常生產(chǎn)維護(hù)期間曾多次出現(xiàn)SCALANCE 異常導(dǎo)致聯(lián)鎖停車事故，因此對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保障生產(chǎn)穩(wěn)定具有十分重要的意義。

2 西門子SCALANCE 環(huán)網(wǎng)

2.1 環(huán)型拓?fù)渲薪橘|(zhì)冗余的工作原理

使用介質(zhì)冗余功能時，如果環(huán)在某點中斷，將重新組態(tài)各設(shè)備間的數(shù)據(jù)路徑。重新組態(tài)拓?fù)浜?，可再次在生成的新拓?fù)渲性L問到設(shè)備。在冗余管理器中，如果網(wǎng)絡(luò)未中斷，則2 個環(huán)網(wǎng)端口彼此是斷開的。這可防止數(shù)據(jù)幀循環(huán)傳送。就數(shù)據(jù)傳輸而言，該環(huán)型拓?fù)涫且粋€線性總線拓?fù)?。冗余管理器用于監(jiān)視環(huán)型拓?fù)洹Ｋㄟ^從環(huán)網(wǎng)端口1 和環(huán)網(wǎng)端口2 發(fā)送測試幀來執(zhí)行監(jiān)視。測試幀沿兩個方向在環(huán)中傳播到達(dá)冗余管理器的另一個環(huán)網(wǎng)端口。環(huán)中兩個設(shè)備間的連接中斷或其中某個設(shè)備發(fā)生故障都會導(dǎo)致環(huán)中斷。如果冗余管理器的測試幀由于環(huán)網(wǎng)內(nèi)的中斷不再能夠到達(dá)另一個環(huán)網(wǎng)端口，則冗余管理器將連通自身的兩個環(huán)網(wǎng)端口。這一替代路徑將以線性總線拓?fù)湫问皆俅位謴?fù)所有剩余設(shè)備的功能性連接。中斷消失后，將再次建立原通信路徑，斷開冗余管理器的兩個環(huán)網(wǎng)端口并通知冗余客戶機(jī)該變化。然后，冗余客戶機(jī)使用新路徑連接到其它設(shè)備。

環(huán)中斷到恢復(fù)線性拓?fù)涞臅r間稱為重新組態(tài)時間。如果冗余管理器故障，環(huán)將變成普通的線性總線。摻混裝置使用的是MRP（Media Redundancy Protocol，介質(zhì)冗余協(xié)議）其重新組態(tài)時間為0.2 min

2.2 SCALANCE 配置

打開西門子SIMATIC Manager 軟件，選擇菜單欄“PLC”—＞點擊“編輯Ethernet 節(jié)點”—＞點擊“瀏覽”按鈕；選擇對應(yīng)MAC地址的SCALANCE，點擊“確定”按鈕，在“設(shè)置IP 組態(tài)”選項中設(shè)置IP 地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)；最后點擊“分配IP 組態(tài)(S)”按鈕，同時也可以在“分配設(shè)備名稱”選項中給設(shè)備命名（見圖1）。

圖1 SCALANCE 分配IP

2.3 摻混環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

摻混二期裝置共計16 臺SCALANCE X212-2 西門子交換機(jī)，分別安裝在摻混機(jī)柜間、工程師室、主控室和現(xiàn)場十二條擠出機(jī)生產(chǎn)線控制柜中，在生產(chǎn)線控制柜中的每臺交換機(jī)節(jié)點中包含多臺申克喂料器、擠出機(jī)、現(xiàn)場HMI 觸屏等，并通過交換機(jī)的光口組建環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)（見圖2）。

圖2 腦電信號采集示例圖

3 摻混環(huán)網(wǎng)改造

3.1 更換SCALANCE

摻混二期使用的是西門子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)SCALANCE X-200 系列，目前已停產(chǎn)，后期備品備件的采購及維護(hù)成本會更高，另外12 條生產(chǎn)線上的SCALANCE 安裝在現(xiàn)場控制柜中，擠出機(jī)筒節(jié)及模頭附近溫度過高，集成的光口最高工作溫度在65℃，在近些年裝置生產(chǎn)運行期間已曾多次發(fā)生交換機(jī)光口故障導(dǎo)致通訊異常，進(jìn)而引起聯(lián)鎖停車事故。因此本次改造將現(xiàn)場SCALANCE X212-2 更換為新型XC208 電氣交換機(jī)（最高工作溫度在75℃），現(xiàn)場控制柜之間距離在20m 左右，因此使用電口重組環(huán)網(wǎng)保障其穩(wěn)定性。并將每條線替換下來的X212-2與本條生產(chǎn)線的喂料器組建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2 申克喂料器通訊掃描周期

前申克喂料器系統(tǒng)使用的是力控軟件作為MODBUS-TCP 數(shù)據(jù)橋接，采集各個喂料器的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PCS7 系統(tǒng)。其與喂料器通訊狀態(tài)字循環(huán)掃描周期為200ms，同西門子環(huán)網(wǎng)重組時間一致，會導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)修復(fù)期間喂料器通訊狀態(tài)錯誤，引起不必要的停車。因此將申克喂料器PC 力控軟件與喂料器通訊狀態(tài)字循環(huán)掃描周期改為500ms，超過西門子環(huán)網(wǎng)重組時間。但這樣仍難以避免與西門子環(huán)網(wǎng)重組時間重合，因此還需將其從環(huán)網(wǎng)摘除。

3.3 申克喂料器從環(huán)網(wǎng)中拆除

摻混二期現(xiàn)場申克喂料器控制柜中SCALANCE 交換機(jī)節(jié)點中喂料器居多，喂料器PC 中力控軟件與喂料器通訊使用MODBUSTCP，力控軟件作為Master 使用502 端口；而喂料器PC 力控軟件與PCS7 通訊也使用的是MODBUS-TCP，此時喂料器PC 力控軟件作為Slave 分別使用502（CP1）、503（CP2）端口，共同使用一個物理網(wǎng)口。

在近些年生產(chǎn)運行過程中出現(xiàn)過多次物理網(wǎng)口假死情況，初步診斷為數(shù)據(jù)堵塞導(dǎo)致。因現(xiàn)場觸屏為雙物理網(wǎng)口，本次改造將一個網(wǎng)口與本條生產(chǎn)線的各個喂料器獨立組建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，IP 段定為192.168.127.x。這樣環(huán)網(wǎng)節(jié)點減少50%以上，同時因喂料器PC 本身就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的橋梁，自身集成雙網(wǎng)卡分兩個IP 段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，相對于改造前使用一個網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，減小了網(wǎng)絡(luò)阻塞的風(fēng)險。

3.4 PCS7 網(wǎng)絡(luò)改造

PCS7 系統(tǒng)現(xiàn)場控制器以及上位計算機(jī)處于同一環(huán)網(wǎng)中，在工程師站與操作員站之間進(jìn)行大數(shù)據(jù)量通信時，與控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)相應(yīng)實時性高的數(shù)據(jù)通信同時使用網(wǎng)絡(luò)，存在計算機(jī)下載速度慢，控制網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)互相影響的情況。本次改造期間，把工程師站與操作員站之間重新組建總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獨立于原環(huán)網(wǎng)從而保障控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的高效和穩(wěn)定。

通過本次網(wǎng)絡(luò)升級改造，摻混裝置環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量減少50%以上，同時每條生產(chǎn)線上的喂料器獨立于環(huán)網(wǎng)。因此即使在環(huán)網(wǎng)重組期間，也不會影響到通訊狀態(tài)字的循環(huán)掃描，從而避免了非計劃停車，穩(wěn)定了生產(chǎn)。另外上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)獨立于環(huán)網(wǎng)也大幅減少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，保障控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的高效和穩(wěn)定，即使上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴也不會影響到控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，增強了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定與安全。