以太網通信技術在工廠電氣自動化控制系統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以太網通信技術在某公司自動化生產線電氣控制系統中的應用，針對其各部分組成元件在現場總線中的作用以及工作中可能出現的常見問題進行分析，加強對采用以太網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代化網絡電氣故障能力。

【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】以太網通信技術；工廠電氣自動化； 網絡故障診斷

【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

隨著現代工業電氣系統向著分布化、智能化迅猛發展，以太網以其傳輸速率快、工作可靠性高、兼容性強、維護成本低、可持續發展潛力大等技術優勢，已經成為自動化網絡電氣控制系統應用最為廣泛的一種控制形式。工業以太網已經廣泛地應用于工廠電氣控制網絡的最高層，以太網能與現有的現場總線系統（例如PROFIBUS）有機集成，可以實現從公司管理層到現場層直接、透明的訪問，通過交換機、網橋或路由器等作為數據傳輸紐帶、將車間數據集成到工廠管理層，協同完成自動化生產任務的網絡運行控制系統。

在工業控制系統中，生產現場受控設備一般由主令開關、傳感器、各類驅動執行器、工業視覺監控系統等分立元件組成，各種元器件分布廣，接線錯綜復雜，易造成設備故障頻繁、延誤生產等弊端，采用以太網通信控制系統可大大減少工程建設成本，而且各類分布式現場設備可以直接連接到工業以太網，與PLC、工控機等管理層設備相互通信交換數據。

2 以太網在涂裝設備自動化控制系統中的應用

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

涂裝系統網絡結構，本涂裝系統選用3個西門子200PLC作為中央控制系統，其中1臺CPU226作為鏈條輸送系統網絡讀寫主站PLC；其余2臺CPU224XP CN PLC作為網絡讀寫的從站分別控制噴漆室、烘干室消防系統等部分。每一個西門子200PLC都配置一塊CP243-1以太網通訊模塊，它們通過路由器與TP1500觸摸屏組成以太網通訊。主站與從站之間的通信基于主-從原理，主站PLC通過網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據，以達到控制噴漆室、烘干室、鏈條輸送系統、報警系統等相關設備自動啟停的目的。

SIMATIC S7-200主站系統。在自動化控制系統中主站系統發起數據通訊，讀寫其他站點的數據。S7-200 CPU在讀寫其他S7-200 CPU數據時（使用PPI協議）就作為主站PPI主站也能接受其他主站的數據訪問。在本涂裝電氣控制系統中鏈條輸送機作為網絡PPI主站，當人機界面HMI發出操作指令，此時主站PLC鏈條輸送系統首先發出預警信息，為鏈條啟動做準備，同時通過網絡寫指令寫入到兩個從站，以達到在同一時間內一鍵啟動噴漆室、烘干室、鏈條輸送系統、污水處理等系統的目的。

SIMATIC S7-200主站系統。主站發起數據通訊，讀寫他站點的數據。S7-200 CPU讀寫S7-200 CPU數據時（使用PPI協議），PPI主站接受其他主站的數據訪問。鏈條輸送機為網絡PPI主站，人機界面HMI發出操作指令，主站PLC鏈條輸送系統首先發出預警信息，為鏈條啟動做準備，同時通過網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、污水處理系統的目的。

SIMATIC s7-200從站系統。從站在網絡控制系統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變量存儲區的狀態由0變為1，完成系統啟動或者在自動化生產中對通信網絡各分站中PLC輸入輸出的讀寫操作。

分布式I/O ET200S控制系統。ET200S是一種高度模塊化的多通道分布式I/O系統，是可在惡劣環境下采集現場數字量、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系統采集鏈條輸送系統以停止器、分道器的狀態來控制小車的行走和運動方向。

以太網通訊的變頻器送排風系統。變頻器的通信協議采用西門子USS協議。采用主—從式結構，通信時上位機作為主站向變頻器發送報文，變頻器作為從站，處理主站發來的報文執行指令。在本涂裝電氣控制系統中噴漆室、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控各送排風機的狀態。endprint

3 網絡故障分析

工業以太網將涂裝生產線的中央控制室服務器、客戶機和所有現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場設備進行操作運行和實時監控。由于工業現場環境惡劣，現場環境溫度、濕度、震動等客觀因素會對以太網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，因此必須要對網絡系統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支持的通信協議有很多，具體來說有PPI、MPI、自由口通信協議等，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絡地址、通訊速率等參數設置。當PLC在正常工作中出現故障時，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生錯誤原因。涂裝現場環境復雜，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 以太網模塊通信故障

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

3.3 以太網交換機故障

以太網交換機是基于以太網傳輸數據的交換機，交換機能同時連通許多對的端口，觸摸屏、PLC等網絡運行設備通過交換機進行數據傳輸和信息交換。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錯誤、配置不當、軟件發生沖突等。在查找網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，在現代化工業生產中，“集中監控、分散控制”的控制模式已經越來越得到人們的認可和肯定，傳統的控制模式已經逐步退出歷史舞臺，也正是因為上述中央監控系統的種種優點，才使得我國工業自動化生產的效能大幅度提高。目前工業以太網在工廠電氣自動化領域發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展，使得工業控制領域更加自動化、智能化和人性化。

【參考文獻】

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