杜海亭

（兗州煤業(yè)榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

西門子PLC 作為當今工控系統(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（或稱現(xiàn)場層），監(jiān)控層一般都以冗余以太網(wǎng)為主，控制層西門子以PROFIBUS DP 為主。本文重點優(yōu)化的結(jié)構(gòu)部位就是控制層，即現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場總線作為當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標志著自動化系統(tǒng)步入一個真正意義上的全新的開放式、數(shù)字通訊時代。PROFIBUS 是一種遵循IEC61158 標準的開放式現(xiàn)場總線，目前已廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)、過程控制、冶金等領(lǐng)域。

PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（以下簡稱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)在實際運行中曾出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷或黑屏現(xiàn)象，影響生產(chǎn)運行，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)拓撲Fig.1 System network topology

圖2 DP拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 DP Topology

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1.1 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)通信方式較為常見，主要用于控制器或通過交換機與上位機之間的通訊，其結(jié)構(gòu)較為常見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)展起來的，繼承了以太網(wǎng)速度快、成本低的優(yōu)點，同時為網(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)原理本文不做過多介紹，市面上相關(guān)參考書籍也比較多，這里重點要提兩個規(guī)范：一是2016 年國家能源局發(fā)布的電力行業(yè)標準《火力發(fā)電廠PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)程》，另外一個是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)計規(guī)范》。兩個規(guī)范對PROFIBUS 網(wǎng)段設(shè)計、安裝、設(shè)備選擇等方面都有不同側(cè)重點的描述，其中對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)計規(guī)范》規(guī)定：“6.2.1.1 PROFIBUS DP 屏蔽雙絞線的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)的拓撲結(jié)構(gòu)可為線型、星型、環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)”[2]。實際運用中可根據(jù)投資費用，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 套西門子S7-414 控制器，1 臺工程師站及7 臺操作站組成。

5 套西門子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PROFIBUS DP 總線，下掛7 個ET200M 從站及4 臺變頻器（1 臺高溫廢氣風(fēng)機、1 臺驅(qū)動風(fēng)機、1 臺卷揚機、1 臺窯除塵風(fēng)機變頻器）。

2）3#石灰窯S7-414CPU 通過PROFIBUS DP 總線，下掛9 個ET200M 從站及8 個變頻器（1 臺高溫廢氣風(fēng)機、1臺驅(qū)動風(fēng)機、1 臺卷揚機、1 臺窯除塵風(fēng)機變頻器及4 臺高溫引風(fēng)機變頻器）。

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

2.2 存在的問題

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)卡或交換機故障，則上位機和各站通訊中斷，操作員無法監(jiān)控現(xiàn)場設(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DP 網(wǎng)絡(luò)為典型的線型結(jié)構(gòu)，主站與遠程ET200M 從站的通訊，同過一個IM153 接口模塊、單路PROFIBUS DP 總線，如果該網(wǎng)絡(luò)的任何一個地方斷開，則PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)掉站。目前機柜室電氣和儀表混用，變頻器動力電纜和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：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增加交換機數(shù)量，交換機使用SCALANCE X204-2（以太網(wǎng)交換機）和SCALANCE X308-2（環(huán)網(wǎng)管理交換機）兩類[3]。各機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。

主要部件及作用說明，見圖3。

CPU414H：支持冗余結(jié)構(gòu)配置，可實現(xiàn)無擾切換，自動事件同步；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）針對之前的系統(tǒng)問題，經(jīng)優(yōu)化后具有如下優(yōu)點：

① 控制站與ET200M 從站的通訊，同過冗余PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)進行通訊，如果該網(wǎng)絡(luò)的任何一個地方斷開，則整個網(wǎng)絡(luò)通訊不受影響，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

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 從站上的信號及設(shè)備將仍然可監(jiān)控，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

③ 控制站通過冗余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)場設(shè)備。

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

3 結(jié)束語

通過系統(tǒng)升級后系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性和可用性將得到提高，遠程ET200M 站、CPU 控制器、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均實現(xiàn)冗余，個別節(jié)點故障，不會導(dǎo)致整個裝置的停機，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，目前最為有效和實用的就是冗余技術(shù)；另外，在跨機柜且距離較遠者，采用光纖通訊具有較強的抗電磁干擾能力。