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(xiàn)觸摸屏與S7-400冗余系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)與優(yōu)缺點進行了詳細說明。

主站跟蹤法 S7-400冗余系統(tǒng) 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(tǒng)大多采用的是西門子PLC控制器，由于石化行業(yè)的生產(chǎn)特點，要求控制系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)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(shù)輸入設備，是PLC系統(tǒng)不可缺少的單元。一般一套控制系統(tǒng)配置一個觸摸屏面板，與冗余系統(tǒng)的兩個CPU相連。為實現(xiàn)觸摸屏與S7-400冗余系統(tǒng)的通信連接并在冗余系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)西門子觸摸屏與S7-400冗余系統(tǒng)連接的過程。

1 控制系統(tǒng)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(tǒng)，由于是冗余設計，一般組態(tài)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(tǒng)進行通信，信號模塊采用400的SM卡，配置在通信卡的后槽內(nèi)，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(tǒng)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(tǒng)的通信采用MPI協(xié)議[3]，通信電纜采用屏蔽雙絞線。MPI協(xié)議網(wǎng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(qū)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(tǒng)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(tài)信號，由PLC系統(tǒng)在程序內(nèi)部實現(xiàn)。由于同一時間內(nèi)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(xiàn)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(tǒng)(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(tǒng))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(wǎng)段，S7-400H冗余站為網(wǎng)段1中的物理站，觸摸屏為網(wǎng)段2中的物理站，RS485中繼器作為信號再生設備將兩個網(wǎng)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(nèi)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?qū)⑷哂郈PU的實時“主從關(guān)系”狀態(tài)輸出給一個數(shù)字量輸出通道，該數(shù)字量連接并控制兩個中繼器的得失電，實現(xiàn)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(nèi)部終端電組的設置參照圖4中撥碼開關(guān)的相關(guān)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(tài)

在上述兩種接線連接方式中，都需要讀取冗余CPU的“主從關(guān)系”狀態(tài)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(nèi)部必須編寫相應程序，將CPU的“主從標志位”發(fā)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(guān)技術(shù)資料。

3.2 S7-400H網(wǎng)絡組態(tài)

在S7-400H網(wǎng)絡組態(tài)中，必須要建立一個MPI網(wǎng)絡，為兩個冗余CPU和觸摸屏分配網(wǎng)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(wǎng)絡，因此不存在地址沖突情況。

3.3 觸摸屏通信組態(tài)

在觸摸屏通信組態(tài)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(xiàn)的，因此觸摸屏不需要特別組態(tài)。但是需要在連接參數(shù)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(shù)設定

4 結(jié)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(tǒng)中自動切換。該方法實現(xiàn)簡單，在主CPU運行出現(xiàn)故障時，隨著冗余系統(tǒng)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(wǎng)絡線路出現(xiàn)故障時，不能實現(xiàn)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(diào)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(tǒng)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(wǎng)絡通信的噴射腐蝕機控制系統(tǒng)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(tǒng)中的應用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2014,(3):88～89.

[5] 張磊,范維浩.MPI網(wǎng)絡技術(shù)在水廠中的應用[J].計算技術(shù)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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