采用主站跟踪法实现触摸屏与S7-400冗余系统的连接

张 尊 魏 珩 朱新远

(中国石油独山子石化分公司乙烯厂)

采用主站跟踪法实现触摸屏与S7-400冗余系统的连接

张 尊 魏 珩 朱新远

(中国石油独山子石化分公司乙烯厂)

介绍一种西门子触摸屏与S7-400冗余系统之间的通信连接方法——主站跟踪法，并对该方法的硬件需求、接线方式、通信组态与优缺点进行了详细说明。

主站跟踪法 S7-400冗余系统 触摸屏 MPI总线

中国石油独山子石化分公司乙烯厂成套机组控制系统大多采用的是西门子PLC控制器，由于石化行业的生产特点，要求控制系统具有较高的可靠性和稳定性，因此控制器均采用冗余设计。西门子触摸屏作为显示和参数输入设备，是PLC系统不可缺少的单元。一般一套控制系统配置一个触摸屏面板，与冗余系统的两个CPU相连。为实现触摸屏与S7-400冗余系统的通信连接并在冗余系统切换时连接自动切换，西门子公司推荐两种方法：主站跟踪法与心跳信号法。主站跟踪法中触摸屏自动与冗余系统中的主站CPU建立连接。在此，笔者主要介绍采用主站跟踪法实现西门子触摸屏与S7-400冗余系统连接的过程。

1 控制系统硬件部分

中国石油独山子石化分公司乙烯厂大多采用的是S7-400 PLC系统，由于是冗余设计，一般组态为0号机架和1号机架，CPU为S7-414-2，各配置一个CP441-2通信卡与DCS系统进行通信，信号模块采用400的SM卡，配置在通信卡的后槽内，或采用300的SM卡，配置ET200M扩展机架，通过DP总线与CPU连接[1,2]。控制系统均配置一个触摸屏，触摸屏的型号有MP370、OP170B及TP177A等。

触摸屏与S7-400冗余系统的通信采用MPI协议[3]，通信电缆采用屏蔽双绞线。MPI协议网络通信速度为19.2kbit/s～12Mbit/s，通常默认设置为187.5kbit/s，最多可以连接32个节点，最大通信距离为50m(可以通过中继器来扩展通信距离)。

2 触摸屏通信总线的连接

西门子触摸屏与S7-400 PLC系统的硬件连接主要有两种方式：一种是采用继电器辅助触点，直接将触摸屏MPI通信总线(屏蔽双绞线)通过继电器触点与S7-400冗余系统的MPI总线连接；另一种是采用西门子RS485中继器连接，将S7-400H冗余站与触摸屏分为上下两个网段，通过中继器进行信号再生[4]。

2.1 继电器直接连接方式

化工新区裂解装置急冷油透平泵、急冷水透平泵、锅炉给水透平泵控制系统与触摸屏的连接均采用继电器直接连接方式，如图1所示。

图1 继电器直接连接方式

S7-400H冗余站两个CPU的MPI口通过屏蔽双绞线分别连接两个继电器，两个继电器的另一端并接后与触摸屏相连。继电器的具体接线方式如图2所示。继电器1和继电器2的通断由两个DO输出信号控制，这两个信号分别为0号机架CPU和1号机架CPU的运行状态信号，由PLC系统在程序内部实现。由于同一时间内冗余CPU中只能有一个为主站，当0号机架CPU为主CPU时，继电器1供电回路中的DO点输出为1，继电器1闭合，触摸屏MPI通信线与0号机架CPU连接。同理，当1号机架CPU为主CPU时，继电器2闭合，继电器1断开，触摸屏与1号机架CPU连接。这样，在冗余CPU切换时，通过两个DO点来控制两个继电器的通断，即可实现触摸屏与两个CPU间的MPI总线切换连接。

图2 继电器直接连接方式接线图

2.2 RS485中继器连接方式

RS485中继器连接方式(图3)在成套包控制系统(裂解装置锅炉给水泵的B泵、C泵、S泵、氢气压缩机及甲烷压缩机等控制系统)中应用较多。S7-400H冗余站两个CPU的MPI口分别连接一个中继器，两个中继器通过串接方式与触摸屏相连。这种连接方式将S7-400H冗余站与触摸屏的连接分为上、下两个网段，S7-400H冗余站为网段1中的物理站，触摸屏为网段2中的物理站，RS485中继器作为信号再生设备将两个网段连接起来[4]。

图3 RS485中继器连接方式

中继器在断电的情况下内部终端电阻无效，因此在图3中，中继器1又接入一个有源终端电阻，但在实际应用中也可不接该终端电组。中继器的具体接线方式如图4所示。S7-400H冗余站通过必要的程序将冗余CPU的实时“主从关系”状态输出给一个数字量输出通道，该数字量连接并控制两个中继器的得失电，实现其中一个得电、一个失电，即在同一时刻只能有一个中继器工作。中继器内部终端电组的设置参照图4中拨码开关的相关资料说明。

图4 RS485中继器连接方式接线图

3 S7-400H冗余站与触摸屏的程序设定

3.1 读取CPU运行状态

在上述两种接线连接方式中，都需要读取冗余CPU的“主从关系”状态作为继电器和中继器得失电的控制信号，因此在S7-400H的程序内部必须编写相应程序，将CPU的“主从标志位”发送到一个DO输出点，进而控制继电器和中继器的得失电。

获得CPU“主从标志位”的方法有多种，一般常用功能块FB523来获取，具体方法参阅相关技术资料。

3.2 S7-400H网络组态

在S7-400H网络组态中，必须要建立一个MPI网络，为两个冗余CPU和触摸屏分配网络地址，一般默认CPU的MPI地址为2，触摸屏地址为1[5]。需要注意的是，由于是冗余设计，两个CPU的MPI地址都为2，但是同一时间只有一个CPU的MPI口接入网络，因此不存在地址冲突情况。

3.3 触摸屏通信组态

在触摸屏通信组态中，只需建立一个与冗余CPU对应的连接即可。由于触摸屏与冗余CPU的自动切换是由S7-400H程序和继电器得失电来实现的，因此触摸屏不需要特别组态。但是需要在连接参数选项中，将“扩展插槽”和“机架”设置为空，如图5所示。

图5 触摸屏连接参数设定

4 结束语

采用主站跟踪法，通过始终选择连接主CPU的方法，使触摸屏与S7-400H的连接能在冗余系统中自动切换。该方法实现简单，在主CPU运行出现故障时，随着冗余系统的切换，能自动快速地将通信连接切换到另一CPU上。但是主站跟踪法也有局限性，由于它与S7-400H冗余站之间只有一路连接，当触摸屏与S7-400H之间的网络线路出现故障时，不能实现有效的自动切换，因此该方法常用于触摸屏仅作为显示面板或仅有少量可调变量输入的应用中。

[1] 钱芝忠.西门子S7-400H PLC的几种故障分析及处理方法[J].化工自动化及仪表,2011,38(6):768～770.

[2] 孟磊,邹志云,赵丹丹,等.基于PLC和触摸屏的电加热水浴温度控制系统设计[J].石油化工自动化,2015,51(3):38～40.

[3] 马宁强,张琦,赵涛.基于PLC网络通信的喷射腐蚀机控制系统的研究[J].化工自动化及仪表,2013,40(8):1025～1028.

[4] 张利平,张武军,郑望.西门子RS485中继器在风机控制系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置,2014,(3):88～89.

[5] 张磊,范维浩.MPI网络技术在水厂中的应用[J].计算技术与自动化,2002,21(4):40～43.

张尊(1980-)，工程师，从事石油化工仪表的维护工作，zhangzun@petrochina.com.cn。

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