基于耙吸式挖泥船網絡通訊的概述及故障分析

李曉剛 彭冬

摘 ?要：文章詳細地闡述上航局某自航耙吸式挖泥船PLC的構成及網絡系統，對實際使用中工業以太網出現的故障進行全面分

析，并提出PLC遠程維護的方法。

關鍵詞：PLC;工業以太網;故障分析;遠程維護

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0066-03

Abstract： This paper elaborates the PLC composition and network system of the suction hopper dredger， comprehensively analyzes the failures of Industrial Ethernet in actual use， and proposes the PLC remote maintenance method.

Keywords： PLC; Industrial Ethernet; fault analysis; remote maintenance

引言

工業網絡通訊是集計算機技術、控制技術、現場總線技術等為一體的工業工程應用技術，能夠廣泛地應用于工業控制系統。工業網絡通信更能深入的應用于大型自動化耙吸式挖泥船的各個層次，在現場總線、可編程程序控制器、I/O設備等硬件組件到操作系統、驅動設備以及人機接口、網絡通信等各個層次無處不在。

1 耙吸式挖泥船PLC系統

1.1 PLC控制系統

耙吸式挖泥船PLC控制系統，主要用于船舶的推進系統、配電系統、疏浚系統的控制，由AC220V轉DC24V電源模塊和船舶應急電源DC24V直流電源雙路供電，各設備PLC控制系統與上端服務器通過具有冗余功能的光纖環網進行連接，用于船舶疏浚耙管絞車的鋼絲繩測量PLC通過ProfiBus現場總線與PLC3聯接。系統包含以下分系統：

PLC1：安裝在疏浚控制臺內;

PLC2：安裝在艏PLC柜內;

PLC3：安裝在艉PLC柜內;

PLC4：MIMIC面板控制系統PLC（安裝在集控室PLC柜內）;

PLC5：MIMIC面板控制系統PLC（安裝在集控室PLC柜內）;

PLC6：左主機推進系統PLC（安裝在集控室PLC柜內）;

PLC7：右主機推進系統PLC（安裝在集控室PLC柜內）;

DWPLC1：航行控制臺轉移控制PLC（安裝在BRC內）;

DWPLC2：應急控制PLC系統（安裝在艉PLC柜內）;

DWPLC3：鋼絲繩長度測量PLC系統（安裝在艉PLC柜內）。

1.2 與PLC相連的主系統

人機界面HMI;

疏浚控制臺上的設備;

航行控制臺上與疏浚相關的設備;

左/右主機（包括了I/O接口或者通過計算機通訊方式）;

左/右CPP系統;

AMS系統（PLC提供硬件接口和網絡接口與AMS系統連接）;

主配電板PLC（船廠提供）;

液壓控制接口（硬件接口）;

泥泵和高壓沖水泵。

2 計算機網絡控制系統

2.1 網絡系統

為了增強網絡系統的獨立性、安全性和可靠性，耙吸式挖泥船計算機網絡控制系統采用了上端與下端兩個獨立的環形網絡。上端網絡主要連接潮位遙報儀、DGPS、電羅經、雷達、人機界面工作站、歷史數據分析工作站等設備，下端網絡主要連接控制各設備的PLC，上端網絡與下端網絡的數據橋接通過性能較高的服務器來實現。在此網絡基礎上，系統還延伸了1個管理網絡和1個辦公網絡，管理網絡提供了船舶管理系統的工作平臺，并與控制系統聯結;辦公網提供船上辦公自動化功能及與岸上通訊的遠程數據傳輸能力。控制網絡與管理網絡、辦公自動化網絡通過防火墻進行隔離，劃分在不同的網段，在提高船舶管理自動化水平的同時，保障了控制網絡的安全。（具體見圖1）

以上船舶全網，主干環形網絡使用具有冗余功能的光纖連接，分支部分采用屏蔽雙絞網線連接，各光纖環網交換機系統速率規格10/100Mb。

2.2 數據系統

全船網絡系統的控制基于一個數據庫來實現，其系統數據采用開放式的結構，可覆蓋全船的控制系統，并通過OPC服務器來進行數據的交換。其采集和控制的系統包括：液壓疏浚系統PLC、疏浚儀器儀表信號、泥泵控制PLC、鋼絲繩測量系統PLC、AMS機艙報警系統等。通過數據的交換和傳輸，采集全船的傳感器數據可在上端人機界面顯示器中顯示，上端的指令可直接對下端的設備進行控制。（數據結構如圖2所示）

系統配置了3臺服務器，3臺服務器均通過兩個以太網接口，橋接上下兩個環網。3臺服務器中有兩臺是互為冗余備用的數據服務器，另一臺兼歷史數據服務器。當一臺數據服務器出現故障時，另一臺備用服務器自動投入，以保證不間斷地向全船的工作站及PLC系統提供實時數據的采集與分配。在任何一個時刻，只有一臺服務器向工作站及PLC發送指令，以保證數據的唯一。

相關工作站發出的指令，通過網絡寫入服務器實時數據庫，數據服務器經網絡，再將實時數據庫的內容通過接口程序，傳輸給各PLC。系統所有工作站，均通過服務器獲取或發送數據。每臺工作站均為標準的通用型計算機，通過不同應用軟件的切換以完成不同的工作。

各PLC系統運行的數據通過網絡交換傳輸進歷史數據庫和實時數據庫，實時數據庫通過服務器1將各PLC實時運行數據經環網提供給各工作站。需要快速反應的現場控制數據，由各自不同的PLC-CPU在底層單獨完成。PLC與PLC之間的協調，不經由服務器。系統的安全連鎖功能，不經由服務器和工作站處理，但這些數據均能反應在服務器的數據庫內，并可通過工作站進行顯示。

全船在同一個時間周期內，實時數據庫是唯一的，因而保證了所有工作站和PLC所面對的對象狀態是唯一的。本系統實時數據庫刷新周期為0.5秒，實時數據庫每刷新一次，就將數據存儲于歷史數據庫。因此，本系統可通過歷史查詢的方式，查詢歷史操作。

3 兩個故障案列

3.1 PLC6：左主推進PLC在船舶正常施工過程中CPU報錯

3.1.1 故障現象

耙吸式挖泥船在定速模式下正常航行，突然間AMS系統出現“左推進控制系統主要報警”，PLC6 NFU指示燈閃亮，其余面板指示燈不亮，PLC6的CPU模塊ERR指示紅燈閃亮。SCADA 1服務器跳轉到SCADA 2服務器。

3.1.2 故障分析

控制系統故障通常可分為兩類：系統故障和過程故障。系統故障可被PLC操作系統識別并使CPU進入停機狀態，通常的系統故障有電源故障。硬件模塊故障、掃描時間超時故障、程序報錯故障、通訊故障等。過程故障通常指工業過程或被控對象發生的故障，例如傳感器和執行機構故障、信號電纜及連接故障、運動故障、連鎖故障等。

首先確認過程故障原因，將CPU復位后，ERR指示燈消除，做如下檢查工作：

（1）確認電源分配模塊及到PLC中每一個模塊電壓為DC24V。

（2）檢查確認PLC的模塊是否異常，緊固模塊連接背板的螺絲。

（3）確認槳角控制指令到PLC的電壓值，測量后左右主推進零槳角指令輸入電壓均為DC4.8V，改變指令，前后側推輸入電壓改變也相同。確認槳角輸入電壓正常。逐一對其他外部傳感器檢查，均無異常。

（4）在確認外部輸入、輸出信號后，更換外部通訊電纜及連接，更換RJ45連接接頭。

然后確認系統故障的原因，根據故障現象，在復位PLC6的CPU后，左推進系統可以正常控制，但每隔一段時間，會再次出現PLC6的CPU報錯。PLC6在使用過程中并未出現外部傳感器線路短路現象，且系統的電源及模塊多次確認正常。由于船舶資源限制，沒有三菱PLC的DX Developer 軟件，無法檢查程序錯誤，因此將通訊故障作為下一步排查故障原因的重點。

3.1.3 故障排查

在本船的網絡系統中設置了上端和下端兩個環形網絡，依據故障現象PLC6的CPU報錯和SCADA服務器1死機，查找底層網絡故障原因。（具體見圖3）。

檢查底層環網光纖接線盒及接口，確認正常后，利用Primary Setup Tool軟件檢查底層環網8個交換機數據包接收情況，逐一排查發現8個交換機數據包均正常。后續用SCADA1服務器的上位機CMD依次ping底層環網交換機的IP地址，發現當與S22交換機ping時，數據包接收時間在5ms，遠遠大于其他交換機的數據包1ms接收時間（圖4）。

3.1.4 故障解決

確定S22交換機存在通訊延遲后，更換交換機硬件，并利用Primary Setup Tool軟件設定S22交換機的IP。通過一年多的時間觀察，并未再次出現此故障現象。

3.2 PLC2中CPU的“EXTF”LED燈和DP接口的“BUSF”LED燈

3.2.1 故障現象

上位機DTPS泥艙艙容顯示不準，PLC2中CPU模塊“EXTF”LED燈和DP接口“BUSF”LED燈紅色點亮。

3.2.2 故障解決

在PLC2中連接有一個DP從站，該DP從站的作用是采集艙容液位雷達傳感器的信號。檢查從站采集的液位雷達信號正常，檢查DP從站的總線電纜正常，將DP從站重新啟動后，PLC2的LED燈恢復正常，泥艙艙容恢復正常。

3.2.3 結論

在這個故障案例中，由于DP的故障，導致主站通訊故障，無法正常顯示艙容。不難發現，我們可以依據PLC的CPU指示燈來診斷故障，也可使用專用硬件診斷網絡故障。特別是使用BT200對PROFIBUS-DP網絡進行診斷，判斷故障簡單方便。

4 結束語

船舶設備維修資源相對匱乏，船舶設備運行環境也較惡劣，網絡冗余配置提高了系統的穩定性。綜上兩個故障案列，我們在解決網絡通訊故障問題時，可通過網絡系統監控軟件，利用船舶F站或衛星寬帶通信設備進行外網連接，不間斷地對現場設備進行在線監視和診斷，如發現系統異常時可迅速將故障節點隔離并報警，同時也可通過遠程故障診斷，及時通知船舶設備管理人員進行故障處理，盡可能縮短設備故障對船舶安全運營及生產造成不利影響。

隨著工業全球化分布的趨勢日益增加，在控制器、系統，甚至整個網絡中，更需要提供靈活、可靠、安全和具有成本優勢的訪問方法，使得系統具有遠程數據監控、遠程編程與調試等功能，從而實現在船舶這種不方便維護的現場可以遠程診斷、遠程維護并遠程傳輸可視化數據。

參考文獻：

[1]倪駿程.PLC技術在電氣設備自動化控制中的應用[J].電子制作，2019（02）：82-83.

[2]靳新芳.PLC與上位計算機通信監控系統的研究與應用[J].信息記錄材料，2019，20（02）：93-94.

[3]張毅.Delphi開發西門子S7-1200/1500 PLC以太網心跳通信組件[J].智能計算機與應用，2019，9（01）：264-266.