PLC冶金自動化控制系統中的通信技術運用研究

劉 山

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

如今的時代是一個信息化的時代，在這個時代中，各個領域都要積極地與信息技術相融合，這樣才能得到更為長久的發展。冶金技術作為新時代中重要的技術之一，在新形勢下，為了更好地完成自動化的流程，也要積極的與PLC控制系統相結合。PLC控制系統可以實現對人類思維的高級模擬，使得冶金的整體工藝流程更加自動化和智能化。如果PLC控制系統在運行過程中出現故障，冶金設備的系統輥、泵都會進行系統停轉，甚至造成冶金設備運行故障進而導致設備損壞。目前我國在工業生產領域中實用的自動化控制系統，其系統的運行編程經歷了設計部門、研究部門、實驗部門等多個流程的反復檢測，具備各項控制要求與故障防護工作后才能被用于實際生產系統的控制使用中[1]。

1 通信技術的簡析

通信技術也被稱之為通信工程，是目前在電子工程中經常使用到的一個基礎學科，它主要是為了解決通信過程中信息的傳遞以及信息處理的工作。隨著計算機網絡的出現，以計算機網絡為媒介的通信系統已經基本形成，隨著計算機技術和自動化技術的不斷進步，通信系統迎來了新的發展階段。現階段通信技術的不斷發展，目前已經形成了一套全新自動化控制系統，它可以將整個企業的生產納入到一個整體的框架之內，通過利用先進的科學技術，將通信技術與控制系統進行完美地融合。

2 PLC自動化控制系統

PLC自動控制系統是目前控制系統中最為重要的組成部分，它的運行質量決定著企業整個生產系統的運行質量，對于企業整體的運行有著至關重要的作用，如果在PLC自動控制系統的運行過程中出現問題，就會導致整個生產系統無法正常運轉，從而導致企業相關系統陷入癱瘓。PLC自動控制系統的運行程序需要專業的技術人員進行編程，同時要對整個系統進行詳細的檢查，并且要根據企業的實際需要，對PLC自動控制系統中的數據進行調整。通信技術在PLC自動化技術中的應用可以進行人為的選擇，其中目前使用比較多的是西門子S7--300（圖1）系列，該技術是在實際的應用工程中已經充分的展現了其特有的優勢，它的中央處理器可以滿足系統當中不同接口的需求，同時也支持現場總線的技術要求[2,3]。

圖1 西門子S7--300模塊

3 通信技術在PLC自動化控制系統應用中的優勢

通信技術在PLC系統化控制系統中的優勢有很多，本文主要以控制網絡的多樣性進行分析。對于PLC的控制網絡而言主要是包括了簡單網絡以及多級復雜網絡這兩種類型。

3.1 簡單網絡

簡單網絡指的是在信息網絡中，主站主要是個人計算機，而從站指的是同一個類型的PLC，以此為基礎建立的一套控制系統。個人計算機在這套系統當中主要發揮的作用相當于大腦，而PLC就是執行，通過個人計算機來完成編程等操作，利用PLC進行控制，以此完成作業。當然簡單網絡中也可以使用一臺PLC為主站，利用一臺或者幾臺其他類型的PLC為從站進行工作，但是需要注意的是在這種情況下，作為主站的PLC必須要配備一些其他的配套設備，否則將無法進行操作。

3.2 多級復雜網絡

這種網絡模式現在主要是應用于一些大型的企業當中。目前由于PLC的產生過程不一樣，所以就是造成自動化系統中層級和功能存在差異，比如一般制造商在生產過程中會將其分為三個層級，上層主要是對企業的總體生產情況進行控制，中層是對企業在生產過程的一些情況進行改良，底層則是對生產的現場進行優化。由于大型企業內部運行過程中涉及到的部門比較多，想要實現企業的正常運轉就必須使用這種多級復雜的網絡，它可以利用多級控制的優勢，精準地對企業的各個部門進行控制。

4 通信技術在PLC自動化控制系統中應用的改善措施

由于通信技術在PLC自動化控制系統應用過程中，通信協議無法統一是一個比較棘手的問題。在實際的應用過程中，這種缺陷導致了企業各個部門很難做到切實有效地溝通，例如在底層網絡和中層網絡之間，由于通信協議不一致就導致在溝通的過程中存在時間差，很難保證溝通的及時性。在企業使用的通信協議中，包括了點對點接口協議、USS 協議等多種協議類型，雖然不同的協議有著不同的特點，但是在實際的使用過程中，眾多的協議就導致工作人員在使用時很難正確選擇，阻礙企業的正常發展。此外，由于通信技術在 PLC 自動化系統中經常使用到的一種系統名為集散控制系統。這套控制系統使用起來比較簡單，操作過程也不復雜，但是在面對一些大規模的企業時，一旦通信數量過大，就會造成系統的癱瘓，很難有效地保障企業內部的溝通。因此，在實際應用中，需要采取一定的改善措施，提升系統的運行穩定性和運行效率。

4.1 大力發展PROFIBUS技術的應用

PROFIBUS技術組主要有三個部分組成，分別是DP、PA以及FMS。DP這部分主要是應用在生產現場，其主要的作用是針對生產現場使用的一些設備之間的信息傳輸工作，并且可以建立起一些簡單的通信系統。現階段在PROFIBUS技術的使用過程中，DP是其重要的組成部分，甚至DP在一定程度上就是PROFIBUS技術的代名詞。FMS部分主要是應用于企業生產車間等范圍比較大的地方，主要的工作就是進行較大范圍的圖文轉換。它對于各部門之間的通信圖文進行統一的規范，極大地解決了因為通信協議不一致所造成的通信阻礙，滿足了企業各部門之間的通信往來。

4.2 提高現場總線技術的統一性

從我國目前企業的發展過程中不難看出，現場總線技術的應用在一定程度上解決了企業管理的難題，促進了企業的長足發展。但是現階段使用的現場總線技術差異性比較大，企業使用的現場總線技術標準也各不相同，從而制約了企業的進一步發展。并且在現場總線技術的過程中，其通信協議的標準也是五花八門，從而造成企業各部門之間的溝通不暢，為企業的發展增加了阻礙。所以，未來通信技術在PLC自動化控制系統應用的過程中，要提高現場總線技術的統一性，為企業健康有序的發展保駕護航。

4.3 提高信息糾錯能力

對于所有的信息技術而言，其本身所具備的信息糾錯能力都是檢驗該系統運行能力的一個重要方面，有效地鑒別錯誤信息，也是通信技術所必備的一個技術環節。在數據信息傳輸的過程中，不可避免地存在著很多的錯誤信息，如果這些錯誤信息沒有被及時地檢驗出來，很可能導致系統在運行的過程中出現問題，最終很可能導致工作人員出現工作的失誤，進而給企業造成一定的損失。所以，就要求通信系統在運行的過程中要具備強大的信息糾錯能力，能夠及時地發現錯誤信息，并能夠及時地糾正。目前通信系統中經常使用的糾錯方法有很多類型，簡單一點的有奇偶檢驗矩陣、方陣碼等，而面對一些比較復雜的情況通常使用的CRC檢錯。所以，未來通信技術在PLC自動化控制系統應用的過程中，要不斷提高通信系統的信息糾錯能力，并且無論使用哪種糾錯的方法都要保證糾錯的效率和質量。

5 應用實例

5.1 基本概況

某冶金企業連鑄生產線采用了全新的網絡過程控制系統，全新的網絡架構包括核心層和匯聚層，部分匯聚層和應用層合二為一。整個網絡結構健壯，具備交換機主備冗余、鏈路結構冗余。其核心網絡采用的三層交換機是赫斯曼交換機MAR系列，核心層組網方式采用（OSPF）的路由協議，每兩臺三層交換機通過（VRRP）實現主備交換機無縫切換。匯聚層選用赫斯曼兩層交換機MACR系列，通過（RSTP）＋（L.A.802.3ad）與核心層通訊，匯聚層網基于生成樹組成環網，環網采用鏈路聚合的方式實現。核心層通過劃分不同的（VLAN）用于滿足不同區域二級系統的需求。

5.2 MCCR核心層網絡

5.2.1 MCCR核心層網絡設備分布

核心層采用4臺赫斯曼三層交換機MAR1040，該設備采用無風扇設計，提供16個千兆以太網組合（COMBO）端口，每個端口包括一個RJ45以太網插槽和SFP插槽。每個RJ45電口提供10/100/1000m/s網速，光纖SFP插槽提供100/1000m/s網速。每個組合端口根據實際使用情況選擇一個合適的插槽連接。前面板顯示診斷信息，供電范圍寬，采用交直流110V～220V，圖像化管理界面方便管理。

5.2.2 MCCR核心層網絡架構

三層交換機處于七層網絡結構的網絡層，三層交換機同路由器一樣具有路由轉發功能。核心層4臺交換機啟用開放最短路徑優先OSPF，是一個內部網關路由協議。以SSY01-A905為例闡述，SSY01-A905使用OSPF，該路由協議便收集該三層交換機的連接狀態信息，也就是該設備鏈路狀態信息，同時生成4臺交換機的鏈路狀態數據庫。這個鏈路狀態信息描述了當前交換機的鏈路、接口方式、鄰居等相關信息。鏈路狀態數據庫描述SSY01-A905～SSY01-A908的拓撲結構的描述。SSY01-A905交換機使用（SPF）算法，計算出最短路徑，并將計算路徑存入SSY01-A905的路由表。如果由于意外SSY01-A905離線，其余3臺交換機將通過SPF計算，更新各自的路由表。核心層網絡連接如圖2所示。

圖2 核心層使用OSPF 連接示意圖

5.2.3 MCCR核心層網絡物理鏈路冗余功能實現

核心層的4臺交換機功能劃分SSY01-A905和SSY01-A906一對用于組建MCCR內部通訊網絡，內部通訊網絡主要包括：MCCR鑄機、MCCR隧道爐、MCCR軋機。SSY01-A907和SSY01-A908核心交換機一對用于組建外部通訊網絡。外部通訊網絡主要包括轉爐化驗室、三級系統等擴展部分系統。以下以MCCR核心網中外部網絡中三級系統為對象進行闡述。SSY01-A907和SSY01-A908的冗余技術通過虛擬路由器（VRRP）技術實現。VRRP實現的方法是將SSY01-A907設為主交換機，將SSY01-A908設為從交換機，對外一致認為兩臺交換機是一臺交換機，通過實際虛擬出來的地址配置就行。每臺交換機通過圖形化窗口配置，設定每個交換機的接口地址。本例中SSY01-A907接口地址為99.99.99.3，SSY01-A908接口地址為99.99.99.2，VRRP對外虛擬的地址為99.99.99.1。主從切換時通過priority屬性值高低來決定誰為主交換機（MASTER），priority屬性值默認設定為100，從下文的配置中可以看出SSY01-A907的屬性設置為120，為主交換機。主從的切換時還需要有心跳線，設定一個專有的端口進行兩個交換機直連，SSY01-A907主交換機選確認后，另一個交換機SSY01-A908作為備份路由器，從交換機并通過主交換機發出的VRRP報文監測主交換機的運行狀態。在赫斯曼的交換機內部SSY01-A907交換機VRRP端口配置信息為interface9/8的形式，該端口為虛擬端口，交換機本身不存在這樣的物理端口。

5.3 MCCR匯聚層網絡

匯聚層的交換機處于數據鏈路層，不具備路由轉發功能。MCCR匯聚層采用多臺赫斯曼二層交換機MACR104，該設備采用無風扇設計，提供4個千兆以太網組合（COMBO）端口，20個以太網端口。組合端口中選用SFP插槽可以用于遠距離光纖連接隧道爐和鑄機匯聚網絡，光纖采用單模光纖，SFP模塊為單多模復用模塊。匯聚層接入核心層和匯聚層的環網間連接采用（RSTP）＋L.A.802.3ad方式。IEEE802.3ad是執行鏈路聚合的標準方法。可以將多個以太網端口聚集成一個單獨的虛擬以太網端口。（L.A.或者LACP），為鏈路匯聚控制協議，是一種實現鏈路動態匯聚的協議。通過L.A.802.3ad方式可以實現新的高寬帶鏈路，該鏈路可實現負載均衡，總帶寬疊加、鏈路備份。MCCR產線每臺匯聚交換機通過兩個端口進行聚合，避免匯聚環網內部以及匯聚網絡接入核心網絡出現轉發率過低以及丟包現象。RSTP快速生成樹協議。在環網中可以實現路徑冗余，當網絡結構發生改變時，給夠快速收斂網絡，同時能夠避免報文在環網無限增生和無限循環。

總之，文章結合實例，分析了MCCR產線網絡架構，核心層組網方式、匯聚層組網方式，并討論了交換機冗余熱備的實現，雙鏈路端口集合的實現。赫斯曼交換機備份還原非常方便，MCCR無頭產線的網絡穩定性將會大大提高，配置赫斯曼的管理軟件HiVision時刻監護網絡狀態，實現故障出現無縫切換設備不停機，故障出現有報警顯示。滿足了冶金連鑄生產系統，降低了生產故障，確保了生產活動的順利進行。