S7-400 PLC系统网络结构优化及应用

杜海亭

（兖州煤业榆林能化有限公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

西门子PLC 作为当今工控系统的主流品牌，各行业应用广泛，其结构通常分为监控层和控制层（或称现场层），监控层一般都以冗余以太网为主，控制层西门子以PROFIBUS DP 为主。本文重点优化的结构部位就是控制层，即现场总线结构。现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个真正意义上的全新的开放式、数字通讯时代。PROFIBUS 是一种遵循IEC61158 标准的开放式现场总线，目前已广泛应用于加工制造业、过程控制、冶金等领域。

PROFIBUS DP 网络拓扑结构（以下简称DP 网络）可以分为线型、星型、环型等，本文列举的石灰窑PLC 系统在实际运行中曾出现数据中断或黑屏现象，影响生产运行，基于上述原因分析网络结构，提出解决措施。

图1 系统网络拓扑Fig.1 System network topology

图2 DP拓扑结构Fig.2 DP Topology

1 网络结构设计原则

1.1 以太网

以太网通信方式较为常见，主要用于控制器或通过交换机与上位机之间的通讯，其结构较为常见的为冗余线型以太网，另外一种就是冗余环形以太网，原理类似区别在于结构布局上。环形以太网是基于以太网发展起来的，继承了以太网速度快、成本低的优点，同时为网络上的数据传输提供了一条冗余链路，提高了网络的可靠性，是工业控制领域信息传输网络的理想选择[1]。

1.2 PROFIBUS

PROFIBUS 总线技术原理本文不做过多介绍，市面上相关参考书籍也比较多，这里重点要提两个规范：一是2016 年国家能源局发布的电力行业标准《火力发电厂PROFIBUS 现场总线技术规程》，另外一个是2017 年工业和信息化部发布的《石油化工PROFIBUS 控制系统工程设计规范》。两个规范对PROFIBUS 网段设计、安装、设备选择等方面都有不同侧重点的描述，其中对网络拓扑结构都有基本的约定，其中《石油化工PROFIBUS 控制系统工程设计规范》规定：“6.2.1.1 PROFIBUS DP 屏蔽双绞线的网络拓扑结构宜为线型；6.2.1.4 使用光纤链接模块的PROFIBUS DP 光缆网络的拓扑结构可为线型、星型、环型拓扑结构”[2]。实际运用中可根据投资费用，系统环境等因素综合考虑。

2 石灰窑PLC系统

2.1 系统结构

本石灰窑PLC 控制系统由5 套西门子S7-414 控制器，1 台工程师站及7 台操作站组成。

5 套西门子S7-414 控制系统结构如图1 所示。

1）1#/2#/4#石灰窑S7-414CPU 通过PROFIBUS DP 总线，下挂7 个ET200M 从站及4 台变频器（1 台高温废气风机、1 台驱动风机、1 台卷扬机、1 台窑除尘风机变频器）。

2）3#石灰窑S7-414CPU 通过PROFIBUS DP 总线，下挂9 个ET200M 从站及8 个变频器（1 台高温废气风机、1台驱动风机、1 台卷扬机、1 台窑除尘风机变频器及4 台高温引风机变频器）。

3）公辅系统S7-414CPU 通过PROFIBUS DP 总线，下挂8 个ET200 从站及5 个变频器。

2.2 存在的问题

1）监控层：从图1 可以看出监控层网络为单网以太网结构，如果该通讯网卡或交换机故障，则上位机和各站通讯中断，操作员无法监控现场设备，造成数据中断或黑屏现象。

2）控制层：由图2 可见DP 网络为典型的线型结构，主站与远程ET200M 从站的通讯，同过一个IM153 接口模块、单路PROFIBUS DP 总线，如果该网络的任何一个地方断开，则PROFIBUS DP 网络出现掉站。目前机柜室电气和仪表混用，变频器动力电缆和DP 电缆存在混放现象，极易造成网络的不稳定。

2.3 优化方案

1）监控层：考虑到上位机成本因素，考虑将原单层以太网络改为环形以太网，硬件上需要做如下改动：①原系统CPU 为414 不支持冗余结构，需更换CPU414H 型；②增加双通讯卡CP443-1；③增加交换机数量，交换机使用SCALANCE X204-2（以太网交换机）和SCALANCE X308-2（环网管理交换机）两类[3]。各机柜间采用光纤互相连接。

图3 CPU等冗余部件配置结构Fig.3 Configuration structure of CPU and other redundant components

图4 优化后网络结构Fig.4 Optimized network structure

2）控制层：控制层优化为冗余DP 结构，除监控层硬件改动外还需要：①ET200M 从站接口模块改为IM153-2型，底板改为热插拔型；②增加Y-Link 模块。

主要部件及作用说明，见图3。

CPU414H：支持冗余结构配置，可实现无扰切换，自动事件同步；IM153-2 型：支持冗余的DP 接口模块；Y-Link 模块：将单路DP 从站接入冗余DP 网络，本系统主要指变频器等设备。

优化后系统网络具体结构如图4 所示。

3）针对之前的系统问题，经优化后具有如下优点：

① 控制站与ET200M 从站的通讯，同过冗余PROFIBUS DP 网络进行通讯，如果该网络的任何一个地方断开，则整个网络通讯不受影响，保证生产稳定运行。

表1 主要部件清单Table 1 List of main components

② ET200M 从站上IM1353-2 和控制站的通讯模块互为冗余，如果一个模块故障，则该ET200M 从站和控制站通讯完全不受影响，该ET200M 从站上的信号及设备将仍然可监控，保证生产稳定运行。

③ 控制站通过冗余CP443-1 网卡和操作员站通讯，如果该通讯网卡故障，则操作员站和控制站通讯完全不受影响，操作员仍可监控现场设备。

④ DP 网络上的单一站点故障，不影响后续站点通讯，具有较高的可靠性。

3 结束语

通过系统升级后系统网络可靠性和可用性将得到提高，远程ET200M 站、CPU 控制器、网络结构均实现冗余，个别节点故障，不会导致整个装置的停机，并可在线热插拔，处理系统存在的故障。

网络结构应在前期做好规划，控制层网络结构特别要考虑应用环境的因素，如同样的DP 线型结构也许在脱盐水装置用的很好，但是到了电石炉、石灰窑等地方问题却较多。因此，在复杂的环境下要提高网络的性能，目前最为有效和实用的就是冗余技术；另外，在跨机柜且距离较远者，采用光纤通讯具有较强的抗电磁干扰能力。