胡 昊 劉建華 侯云輝 周 亮

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司)

基于冗余S7-400H的通信系統(tǒng)在熱媒爐項(xiàng)目中的應(yīng)用①

胡 昊 劉建華 侯云輝 周 亮

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司)

根據(jù)陜西榆林某公司多臺(tái)熱媒爐項(xiàng)目控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，設(shè)計(jì)了一套基于冗余S7-400H的通信系統(tǒng)。首先簡(jiǎn)單介紹了通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，然后通過性能比較確定系統(tǒng)的通信方式，最后詳述了PLC與觸摸屏之間、多臺(tái)PLC之間以及PLC與DCS之間通信的硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件通信編程。該通信系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試后已成功應(yīng)用。

冗余S7-400H 工業(yè)以太網(wǎng) 熱媒爐 熱媒系統(tǒng) Modbus TCP TCP/IP

隨著計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層再到控制、管理的各個(gè)層次，通過工業(yè)通信系統(tǒng)將各個(gè)分散的信息集中起來匯總到集散控制系統(tǒng)(DCS)，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)視和復(fù)雜控制，形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化為基礎(chǔ)的全集成自動(dòng)化系統(tǒng)[1]。

傳統(tǒng)的以S7-200/300 PLC為基礎(chǔ)的工業(yè)通信系統(tǒng)，PLC之間主要采用串行通信或MPI通信，PLC與DCS之間主要采用Modbus RTU通信和Profibus-DP通信，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。但是，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的通信協(xié)議都是基于RS485接口的通信協(xié)議，串行通信和Modbus RTU通信均采用輪詢的通信機(jī)制，這使得傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)具有通信速度慢、故障率高、成本高及編程實(shí)現(xiàn)難等問題[3]。為此，以西門子PLC為基礎(chǔ)的新型通信系統(tǒng)成為筆者的重要研究?jī)?nèi)容。

西門子S7-400H 是一種智能化和分布性達(dá)到前沿技術(shù)水平的PLC，它是一個(gè)冗余的PLC，冗余性是通過兩個(gè)并行的中央控制器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)兩個(gè)CPU可以互相無(wú)擾動(dòng)的自動(dòng)切換，保證控制和通信系統(tǒng)的高可靠性[4]。因此以冗余S7-400 PLC為硬件基礎(chǔ)，研究設(shè)計(jì)一個(gè)既能實(shí)現(xiàn)PLC之間以及PLC與DCS之間數(shù)據(jù)交換，又同時(shí)具備可靠性高、通信速度快、容錯(cuò)能力強(qiáng)、成本低及編程容易等優(yōu)勢(shì)的新型通信系統(tǒng)有著重要意義。

1 系統(tǒng)介紹

為了能夠詳述通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序，筆者以某熱媒爐項(xiàng)目為背景進(jìn)行展開。該項(xiàng)目包含3臺(tái)熱媒爐和一套熱媒系統(tǒng)，且均由冗余S7-400H PLC控制。由于熱媒爐和熱媒系統(tǒng)的部分儀表數(shù)據(jù)互相使用，且DCS需要顯示、控制熱媒爐和熱媒系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)各PLC之間及PLC與DCS之間的通信系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享，形成由熱媒爐控制系統(tǒng)、熱媒系統(tǒng)控制系統(tǒng)和DCS共同組成的集成過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

通信系統(tǒng)中冗余S7-400H PLC之間的通信機(jī)制既可以使用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信機(jī)制，又可以使用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)通信機(jī)制。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，列舉二者的優(yōu)缺點(diǎn)(表1[5])，從傳輸介質(zhì)、傳輸速率等方面進(jìn)行考察，最終決定選用工業(yè)以太網(wǎng)。

表1 Profibus與工業(yè)以太網(wǎng)的比較

通信系統(tǒng)中冗余S7-400H PLC與DCS的通信方式選用目前工程項(xiàng)目中應(yīng)用較為廣泛的Modbus TCP模式，Modbus TCP協(xié)議是基于Modbus協(xié)議的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)[6]，是運(yùn)行在TCP/IP上的用于控制和監(jiān)督自動(dòng)化設(shè)備的Modbus報(bào)文傳輸協(xié)議，該協(xié)議定義了使用TCP/IP協(xié)議中如何對(duì)Modbus消息進(jìn)行傳輸，通過此協(xié)議，主機(jī)和從機(jī)相互之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

冗余S7-400H通信系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按功能可以分為4種，分別為全冗余控制系統(tǒng)、觸摸屏(HMI)與PLC的通信、熱媒爐PLC與熱媒系統(tǒng)PLC的以太網(wǎng)通信、熱媒系統(tǒng)PLC與DCS之間的Modbus TCP通信。

2.1 全冗余控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

冗余S7-400H PLC作為熱媒爐和熱媒系統(tǒng)的主要控制器，每套PLC包含兩個(gè)S7-412-5H的CPU和一套ET200M分布式I/O模塊組件，每個(gè)CPU又分別配置冗余電源、CP443-1以太網(wǎng)控制模塊和同步光纖。兩臺(tái)CPU通過兩根同步光纖互相連接，然后ET200M的冗余接口模塊IM153-2通過兩根同軸電纜分別與兩臺(tái)CPU相連，構(gòu)成一個(gè)全冗余的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)配置如圖1所示。S7-400H冗余系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)兩個(gè)CPU同時(shí)工作，正常時(shí)，一個(gè)CPU作為主CPU運(yùn)行，另外一個(gè)作為從CPU備用，當(dāng)有故障引起主CPU停止工作時(shí)，從CPU主動(dòng)投入運(yùn)行，切換時(shí)間極短，對(duì)熱媒爐和熱媒系統(tǒng)的正常運(yùn)行沒有任何影響[7]。

圖1 全冗余控制系統(tǒng)

2.2 觸摸屏與冗余PLC之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

每套全冗余控制系統(tǒng)配置一臺(tái)觸摸屏，用于對(duì)熱媒爐和熱媒系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的顯示與控制，觸摸屏采用西門子TP1500精智面板，該觸摸屏自帶同MAC地址的雙網(wǎng)口，使用兩根網(wǎng)線將同MAC地址的雙網(wǎng)口與兩臺(tái)CP443-1以太網(wǎng)控制模塊互相連接，搭建觸摸屏與冗余PLC之間的冗余工業(yè)以太網(wǎng)通信。

2.3 熱媒系統(tǒng)PLC與熱媒爐PLC之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了避免由環(huán)網(wǎng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，熱媒爐1#～3#PLC與熱媒系統(tǒng)PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。熱媒爐PLC的6臺(tái)CPU和熱媒系統(tǒng)PLC的兩臺(tái)CPU與交換機(jī)都通過網(wǎng)線連接，在硬件組態(tài)中將所有CPU的IP地址與以太網(wǎng)卡CP443-1的IP地址設(shè)置在不同的網(wǎng)段內(nèi)。

2.4 熱媒系統(tǒng)PLC與DCS之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于熱媒系統(tǒng)PLC與DCS的通信方式已確定為Modbus TCP，而Modbus TCP是結(jié)合以太網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以及Modbus的通信協(xié)議，故熱媒系統(tǒng)PLC的兩臺(tái)CPU通過網(wǎng)線連接到交換機(jī)，交換機(jī)再以光纖的方式連接到遠(yuǎn)端DCS，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 通信實(shí)現(xiàn)與編程

通信系統(tǒng)的軟件編程由3部分組成：觸摸屏與PLC之間的TCP/IP通信、熱媒系統(tǒng)PLC與熱媒爐PLC之間的S7容錯(cuò)通信，熱媒系統(tǒng)PLC與DCS之間的Modbus TCP 通信。

圖2 熱媒爐PLC與熱媒系統(tǒng)PLC的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 熱媒系統(tǒng)PLC與DCS的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 觸摸屏與PLC之間的TCP/IP通信

觸摸屏與S7-400H之間的通信協(xié)議為TCP/IP通信，進(jìn)入TIA V13設(shè)置觸摸屏以太網(wǎng)的IP地址，將觸摸屏的IP地址與以太網(wǎng)卡CP443-1的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段內(nèi)，在觸摸屏項(xiàng)目程序中添加3個(gè)VB腳本程序文件，文件名分別為connection_PLC1、connection_PLC2和connection_lost，在Connection中建立3個(gè)連接，再相應(yīng)的新建6個(gè)變量，最后在Screen中添加測(cè)試界面，監(jiān)控兩臺(tái)CPU與觸摸屏的連接情況，兩個(gè)通信通道互為備用，當(dāng)一條通信鏈路中斷時(shí)，以太網(wǎng)通信會(huì)自動(dòng)切換到另一條通信鏈路，保證觸摸屏界面監(jiān)控的連續(xù)性和同步性。

3.2 熱媒系統(tǒng)PLC與熱媒爐PLC之間的S7容錯(cuò)通信

冗余S7-400H PLC之間的S7容錯(cuò)通信的組態(tài)和軟件編程均在STEP7平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件NetPro中建立S7容錯(cuò)通信連接[8]，熱媒系統(tǒng)PLC建立3個(gè)連接，3套熱媒爐PLC各建立一個(gè)連接，同時(shí)設(shè)置連接的本地ID和伙伴ID，在熱媒系統(tǒng)PLC的“建立主動(dòng)連接”屬性前面打勾，使它以服務(wù)器方式工作，熱媒爐PLC以客戶端方式工作。西門子提供了兩個(gè)系統(tǒng)功能塊：SFB14(GET)和SFB15(PUT)，其中，SFC14(GET)主要負(fù)責(zé)讀取遠(yuǎn)程CPU的數(shù)據(jù)，SFB15(PUT)主要負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)程CPU發(fā)送數(shù)據(jù)，在熱媒系統(tǒng)PLC的FC4塊中調(diào)用SFB14和SFB15，然后在熱媒系統(tǒng)PLC的OB1中調(diào)用FC4，各CPU發(fā)送或讀取的數(shù)據(jù)全部放在DB數(shù)據(jù)塊中，通過以上編程就可以實(shí)現(xiàn)熱媒系統(tǒng)PLC與熱媒爐PLC間的數(shù)據(jù)交換與共享，并將DCS所需監(jiān)控?zé)崦綘t關(guān)鍵參數(shù)匯總到熱媒系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊DB150和DB151中，通信數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 PLC之間以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)流程

3.3 熱媒系統(tǒng)PLC與DCS間的Modbus TCP通信

在STEP7中打開Netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，由于冗余S7-400H系統(tǒng)有兩個(gè)CPU，因此需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)連接。分別選中熱媒系統(tǒng)PLC的兩個(gè)CPU 412-5HP，插入一個(gè)新連接，連接伙伴為Unspecified，連接類型為TCP Connection。對(duì)于插入的兩個(gè)TCP Connection，在打開的連接屬性對(duì)話框中的“General Information”中由于CPU做Server被動(dòng)連接，因此不勾選“Active connection establishment”選項(xiàng)，ID保持缺省即可，在“Adress”欄中同樣由于主PLC的CPU做Server端，因此本地端的連接Port號(hào)均設(shè)置為502，而對(duì)于通信伙伴遠(yuǎn)程端的IP地址和端口號(hào)可以選擇不填，即允許任意IP地址的客戶端發(fā)起連接。Modbus TCP的通信程序需要調(diào)用服務(wù)器主功能塊FB907“MB_REDSV”，首先在OB100中調(diào)用FB907完成相關(guān)參數(shù)的初始化，然后在組織塊OB1中調(diào)用FB907，最后通過DCS或Modscan32就可以建立和S7-400H Server的連接，實(shí)現(xiàn)主PLC冗余系統(tǒng)與DCS的Modbus TCP通信。相關(guān)參數(shù)的初始化程序如下：

CALL “MB_REDSV”, DB907 FB907

id_0_a:=W#16#1

id_1_a:=W#16#2

laddr_cp0:=W#16#1FEF

laddr_cp1:=W#16#1FEB

check_conn_cycle:=T#30S

data_type_1:=B#16#3

db_1:=W#16#96

start_1:=W#16#0

data_type_2:=B#16#1

db_2:=W#16#97

start_2:=W#16#0

ERROR_OA:=”CONTROL_DAT”.ERROR_OA DB1.DBX4.4

STATUS_OA=”CONTROL_DAT”.STATUS_OA DB1.DBW6

ERROR_1A:=”CONTROL_DAT”.ERROR_1A DB1.DBX8.1

STATUS_1A:=”CONTROL_DAT”.STATUS_1A DB1.DBW10

4 結(jié)束語(yǔ)

以S7-400 PLC為硬件基礎(chǔ)，將工業(yè)以太網(wǎng)通信與Modbus TCP通信相結(jié)合搭建了一種新型通信系統(tǒng)。為驗(yàn)證該通信系統(tǒng)的可行性和使用效果，在陜西榆林某公司的熱媒爐項(xiàng)目中實(shí)施應(yīng)用，經(jīng)過出廠的驗(yàn)收測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)運(yùn)行，證明該通信系統(tǒng)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)熱媒爐PLC和熱媒系統(tǒng)PLC的數(shù)據(jù)交換，并保證熱媒爐和熱媒系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)及時(shí)可靠地傳送給DCS，獲得了用戶的認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)，并可為工業(yè)中其他類似項(xiàng)目提供參考。

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ApplicationoftheCommunicationSysteminHeatingMediumFurnaceBasedonRedundantS7- 400H

HU Hao, LIU Jian-hua, HOU Yun-hui,ZHOU Liang

(BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyandEquipmentEngineeringCorporationLimited)

TH865

B

1000-3932(2017)08-0774-05

2016-12-02，

2017-04-13)

胡昊(1984-)，工程師，從事電氣及儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，huhao_3131@163.com。