采用主站跟蹤法實現觸摸屏與S7-400冗余系統的連接

張 尊 魏 珩 朱新遠

(中國石油獨山子石化分公司乙烯廠)

采用主站跟蹤法實現觸摸屏與S7-400冗余系統的連接

張 尊 魏 珩 朱新遠

(中國石油獨山子石化分公司乙烯廠)

介紹一種西門子觸摸屏與S7-400冗余系統之間的通信連接方法——主站跟蹤法，并對該方法的硬件需求、接線方式、通信組態與優缺點進行了詳細說明。

主站跟蹤法 S7-400冗余系統 觸摸屏 MPI總線

中國石油獨山子石化分公司乙烯廠成套機組控制系統大多采用的是西門子PLC控制器，由于石化行業的生產特點，要求控制系統具有較高的可靠性和穩定性，因此控制器均采用冗余設計。西門子觸摸屏作為顯示和參數輸入設備，是PLC系統不可缺少的單元。一般一套控制系統配置一個觸摸屏面板，與冗余系統的兩個CPU相連。為實現觸摸屏與S7-400冗余系統的通信連接并在冗余系統切換時連接自動切換，西門子公司推薦兩種方法：主站跟蹤法與心跳信號法。主站跟蹤法中觸摸屏自動與冗余系統中的主站CPU建立連接。在此，筆者主要介紹采用主站跟蹤法實現西門子觸摸屏與S7-400冗余系統連接的過程。

1 控制系統硬件部分

中國石油獨山子石化分公司乙烯廠大多采用的是S7-400 PLC系統，由于是冗余設計，一般組態為0號機架和1號機架，CPU為S7-414-2，各配置一個CP441-2通信卡與DCS系統進行通信，信號模塊采用400的SM卡，配置在通信卡的后槽內，或采用300的SM卡，配置ET200M擴展機架，通過DP總線與CPU連接[1,2]?？刂葡到y均配置一個觸摸屏，觸摸屏的型號有MP370、OP170B及TP177A等。

觸摸屏與S7-400冗余系統的通信采用MPI協議[3]，通信電纜采用屏蔽雙絞線。MPI協議網絡通信速度為19.2kbit/s～12Mbit/s，通常默認設置為187.5kbit/s，最多可以連接32個節點，最大通信距離為50m(可以通過中繼器來擴展通信距離)。

2 觸摸屏通信總線的連接

西門子觸摸屏與S7-400 PLC系統的硬件連接主要有兩種方式：一種是采用繼電器輔助觸點，直接將觸摸屏MPI通信總線(屏蔽雙絞線)通過繼電器觸點與S7-400冗余系統的MPI總線連接；另一種是采用西門子RS485中繼器連接，將S7-400H冗余站與觸摸屏分為上下兩個網段，通過中繼器進行信號再生[4]。

2.1 繼電器直接連接方式

化工新區裂解裝置急冷油透平泵、急冷水透平泵、鍋爐給水透平泵控制系統與觸摸屏的連接均采用繼電器直接連接方式，如圖1所示。

圖1 繼電器直接連接方式

S7-400H冗余站兩個CPU的MPI口通過屏蔽雙絞線分別連接兩個繼電器，兩個繼電器的另一端并接后與觸摸屏相連。繼電器的具體接線方式如圖2所示。繼電器1和繼電器2的通斷由兩個DO輸出信號控制，這兩個信號分別為0號機架CPU和1號機架CPU的運行狀態信號，由PLC系統在程序內部實現。由于同一時間內冗余CPU中只能有一個為主站，當0號機架CPU為主CPU時，繼電器1供電回路中的DO點輸出為1，繼電器1閉合，觸摸屏MPI通信線與0號機架CPU連接。同理，當1號機架CPU為主CPU時，繼電器2閉合，繼電器1斷開，觸摸屏與1號機架CPU連接。這樣，在冗余CPU切換時，通過兩個DO點來控制兩個繼電器的通斷，即可實現觸摸屏與兩個CPU間的MPI總線切換連接。

圖2 繼電器直接連接方式接線圖

2.2 RS485中繼器連接方式

RS485中繼器連接方式(圖3)在成套包控制系統(裂解裝置鍋爐給水泵的B泵、C泵、S泵、氫氣壓縮機及甲烷壓縮機等控制系統)中應用較多。S7-400H冗余站兩個CPU的MPI口分別連接一個中繼器，兩個中繼器通過串接方式與觸摸屏相連。這種連接方式將S7-400H冗余站與觸摸屏的連接分為上、下兩個網段，S7-400H冗余站為網段1中的物理站，觸摸屏為網段2中的物理站，RS485中繼器作為信號再生設備將兩個網段連接起來[4]。

圖3 RS485中繼器連接方式

中繼器在斷電的情況下內部終端電阻無效，因此在圖3中，中繼器1又接入一個有源終端電阻，但在實際應用中也可不接該終端電組。中繼器的具體接線方式如圖4所示。S7-400H冗余站通過必要的程序將冗余CPU的實時“主從關系”狀態輸出給一個數字量輸出通道，該數字量連接并控制兩個中繼器的得失電，實現其中一個得電、一個失電，即在同一時刻只能有一個中繼器工作。中繼器內部終端電組的設置參照圖4中撥碼開關的相關資料說明。

圖4 RS485中繼器連接方式接線圖

3 S7-400H冗余站與觸摸屏的程序設定

3.1 讀取CPU運行狀態

在上述兩種接線連接方式中，都需要讀取冗余CPU的“主從關系”狀態作為繼電器和中繼器得失電的控制信號，因此在S7-400H的程序內部必須編寫相應程序，將CPU的“主從標志位”發送到一個DO輸出點，進而控制繼電器和中繼器的得失電。

獲得CPU“主從標志位”的方法有多種，一般常用功能塊FB523來獲取，具體方法參閱相關技術資料。

3.2 S7-400H網絡組態

在S7-400H網絡組態中，必須要建立一個MPI網絡，為兩個冗余CPU和觸摸屏分配網絡地址，一般默認CPU的MPI地址為2，觸摸屏地址為1[5]。需要注意的是，由于是冗余設計，兩個CPU的MPI地址都為2，但是同一時間只有一個CPU的MPI口接入網絡，因此不存在地址沖突情況。

3.3 觸摸屏通信組態

在觸摸屏通信組態中，只需建立一個與冗余CPU對應的連接即可。由于觸摸屏與冗余CPU的自動切換是由S7-400H程序和繼電器得失電來實現的，因此觸摸屏不需要特別組態。但是需要在連接參數選項中，將“擴展插槽”和“機架”設置為空，如圖5所示。

圖5 觸摸屏連接參數設定

4 結束語

采用主站跟蹤法，通過始終選擇連接主CPU的方法，使觸摸屏與S7-400H的連接能在冗余系統中自動切換。該方法實現簡單，在主CPU運行出現故障時，隨著冗余系統的切換，能自動快速地將通信連接切換到另一CPU上。但是主站跟蹤法也有局限性，由于它與S7-400H冗余站之間只有一路連接，當觸摸屏與S7-400H之間的網絡線路出現故障時，不能實現有效的自動切換，因此該方法常用于觸摸屏僅作為顯示面板或僅有少量可調變量輸入的應用中。

[1] 錢芝忠.西門子S7-400H PLC的幾種故障分析及處理方法[J].化工自動化及儀表,2011,38(6):768～770.

[2] 孟磊,鄒志云,趙丹丹,等.基于PLC和觸摸屏的電加熱水浴溫度控制系統設計[J].石油化工自動化,2015,51(3):38～40.

[3] 馬寧強,張琦,趙濤.基于PLC網絡通信的噴射腐蝕機控制系統的研究[J].化工自動化及儀表,2013,40(8):1025～1028.

[4] 張利平,張武軍,鄭望.西門子RS485中繼器在風機控制系統中的應用[J].工業儀表與自動化裝置,2014,(3):88～89.

[5] 張磊,范維浩.MPI網絡技術在水廠中的應用[J].計算技術與自動化,2002,21(4):40～43.

張尊(1980-)，工程師，從事石油化工儀表的維護工作，zhangzun@petrochina.com.cn。

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