S7-400 PLC系統網絡結構優化及應用

杜海亭

（兗州煤業榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

西門子PLC 作為當今工控系統的主流品牌，各行業應用廣泛，其結構通常分為監控層和控制層（或稱現場層），監控層一般都以冗余以太網為主，控制層西門子以PROFIBUS DP 為主。本文重點優化的結構部位就是控制層，即現場總線結構?，F場總線作為當今自動化領域技術發展熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現，標志著自動化系統步入一個真正意義上的全新的開放式、數字通訊時代。PROFIBUS 是一種遵循IEC61158 標準的開放式現場總線，目前已廣泛應用于加工制造業、過程控制、冶金等領域。

PROFIBUS DP 網絡拓撲結構（以下簡稱DP 網絡）可以分為線型、星型、環型等，本文列舉的石灰窯PLC 系統在實際運行中曾出現數據中斷或黑屏現象，影響生產運行，基于上述原因分析網絡結構，提出解決措施。

圖1 系統網絡拓撲Fig.1 System network topology

圖2 DP拓撲結構Fig.2 DP Topology

1 網絡結構設計原則

1.1 以太網

以太網通信方式較為常見，主要用于控制器或通過交換機與上位機之間的通訊，其結構較為常見的為冗余線型以太網，另外一種就是冗余環形以太網，原理類似區別在于結構布局上。環形以太網是基于以太網發展起來的，繼承了以太網速度快、成本低的優點，同時為網絡上的數據傳輸提供了一條冗余鏈路，提高了網絡的可靠性，是工業控制領域信息傳輸網絡的理想選擇[1]。

1.2 PROFIBUS

PROFIBUS 總線技術原理本文不做過多介紹，市面上相關參考書籍也比較多，這里重點要提兩個規范：一是2016 年國家能源局發布的電力行業標準《火力發電廠PROFIBUS 現場總線技術規程》，另外一個是2017 年工業和信息化部發布的《石油化工PROFIBUS 控制系統工程設計規范》。兩個規范對PROFIBUS 網段設計、安裝、設備選擇等方面都有不同側重點的描述，其中對網絡拓撲結構都有基本的約定，其中《石油化工PROFIBUS 控制系統工程設計規范》規定：“6.2.1.1 PROFIBUS DP 屏蔽雙絞線的網絡拓撲結構宜為線型；6.2.1.4 使用光纖鏈接模塊的PROFIBUS DP 光纜網絡的拓撲結構可為線型、星型、環型拓撲結構”[2]。實際運用中可根據投資費用，系統環境等因素綜合考慮。

2 石灰窯PLC系統

2.1 系統結構

本石灰窯PLC 控制系統由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 控制系統結構如圖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 臺高溫廢氣風機、1 臺驅動風機、1 臺卷揚機、1 臺窯除塵風機變頻器）。

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 臺高溫廢氣風機、1臺驅動風機、1 臺卷揚機、1 臺窯除塵風機變頻器及4 臺高溫引風機變頻器）。

3）公輔系統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）監控層：從圖1 可以看出監控層網絡為單網以太網結構，如果該通訊網卡或交換機故障，則上位機和各站通訊中斷，操作員無法監控現場設備，造成數據中斷或黑屏現象。

2）控制層：由圖2 可見DP 網絡為典型的線型結構，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，如果該網絡的任何一個地方斷開，則PROFIBUS DP 網絡出現掉站。目前機柜室電氣和儀表混用，變頻器動力電纜和DP 電纜存在混放現象，極易造成網絡的不穩定。

2.3 優化方案

1）監控層：考慮到上位機成本因素，考慮將原單層以太網絡改為環形以太網，硬件上需要做如下改動：①原系統CPU 為414 不支持冗余結構，需更換CPU414H 型；②增加雙通訊卡CP443-1；③增加交換機數量，交換機使用SCALANCE X204-2（以太網交換機）和SCALANCE X308-2（環網管理交換機）兩類[3]。各機柜間采用光纖互相連接。

圖3 CPU等冗余部件配置結構Fig.3 Configuration structure of CPU and other redundant components

圖4 優化后網絡結構Fig.4 Optimized network structure

2）控制層：控制層優化為冗余DP 結構，除監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：支持冗余結構配置，可實現無擾切換，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 網絡，本系統主要指變頻器等設備。

優化后系統網絡具體結構如圖4 所示。

3）針對之前的系統問題，經優化后具有如下優點：

① 控制站與ET200M 從站的通訊，同過冗余PROFIBUS DP 網絡進行通訊，如果該網絡的任何一個地方斷開，則整個網絡通訊不受影響，保證生產穩定運行。

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 從站上的信號及設備將仍然可監控，保證生產穩定運行。

③ 控制站通過冗余CP443-1 網卡和操作員站通訊，如果該通訊網卡故障，則操作員站和控制站通訊完全不受影響，操作員仍可監控現場設備。

④ DP 網絡上的單一站點故障，不影響后續站點通訊，具有較高的可靠性。

3 結束語

通過系統升級后系統網絡可靠性和可用性將得到提高，遠程ET200M 站、CPU 控制器、網絡結構均實現冗余，個別節點故障，不會導致整個裝置的停機，并可在線熱插拔，處理系統存在的故障。

網絡結構應在前期做好規劃，控制層網絡結構特別要考慮應用環境的因素，如同樣的DP 線型結構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，在復雜的環境下要提高網絡的性能，目前最為有效和實用的就是冗余技術；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。