冗余環系統在工業網絡中的應用

遼寧科技大學 彭安娜 許榮坤 崔建一

在工廠的實際應用中，單一的線性結構產線和復雜的工廠環境使產線安全性和穩定性較低，若運用冗余環協議，連接上的環型結構可以為一條信息的傳輸提供備用路徑，可避免通訊中斷。西門子公司S7-1200系列的PLC體積較小，功能強大，以太網通訊的硬件成本低，非常適合應用在工廠產線中。

1 冗余環系統的作用

冗余環系統的作用是可以實現在惡劣的環境下，網絡遇到故障時，可以在短時間內快速的恢復通訊，并將錯誤信息回饋給用戶，有效的保護了關鍵數據，減少網絡中斷造成的損失，提高網絡的可用性。

以太網通訊由于通訊速率高、兼容性好、成本低廉，所以現代工業領域普遍使用以太網通訊，但是以太網是最初是為商業設計的，當將其使用于工業現場時，工業現場惡劣的工作條件以及線路間不斷的干擾，它的可靠性就會降低。因此，工業網絡對可靠性、可恢復性和可維護性提出了很高的要求。

使用冗余環系統就可以有效的減少以太網通訊中斷造成的損失，利用一個西門子公司S7-1200系列PLC配合一個SCALANCE XM408-8C交換機，兩個SCALANCE XB208交換機，以及若干工業以太網線纜即可完成一個冗余環系統的搭建，使用3個交換機模擬工廠的生產主干網絡，搭建好冗余環后，可以使用冗余管理器監控當前網絡狀態，當網絡接線突然斷開或交換機發生故障時，它就會自動連通另一條備用路徑恢復通訊，并在故障被消除之后，自動恢復為原通訊路徑，不會對后面的工藝單元產生影響，保證了工廠在復雜的工業化境之下，即使遇到通訊意外中斷的情況下，也不會造成巨大的影響，能夠有效的減少損失，所以，在工業通訊中，搭建一個冗余系統是十分重要的。

2 使用S7-1200控制冗余環系統的方法

在搭建冗余環系統之前，需要注意IP規劃。要注意IP在同一網段下，而且IP地址不能沖突。在本次設計中，工程師站的IP設置為192.168.1.100，X408的ip設為192.168.1.40，XB208（A）設置為192.168.1.41，XB208（B）設置為192.168.1.42，S7-1200設置為192.168.1.11。

IP規劃完成后，便可以進行配置。S7-1200用博途軟件進行IP配置與編程，配置交換機的IP可以使用西門子軟件的PST軟件或者Proneta軟件。需要注意，未全部配置完成之前，不能將設備連接成環網，會導致廣播風暴。使用PST軟件，需要將軟件的PG-PC接口改為和電腦一致而且可行的，應該帶有TCP/IP協議。將工程師站與設備用網線連接后，進行搜索，可搜索到帶有MAC地址的設備，本設計中運用到的設備都符合。搜索找到后，可為其配置IP地址并搜索打開相應網址進行進一步的配置。在本次設計中，使用Proneta軟件進行配置。相較于PST軟件，Proneta軟件的兼容性較好，能夠看到直觀的網絡拓撲圖并導出。Proneta軟件的用法與PST軟件相似，將設備和工程師站用網線連接后，使用軟件的在線模塊，選擇合適的網絡適配器，刷新后即可顯示網絡拓撲圖，點擊圖中的設備配置IP并直接進入web瀏覽器的設備頁面進行配置。

進入X408的web瀏覽器配置頁面后，需先將默認勾選的生成樹協議取消，否則無法勾選環冗余協議，勾選環冗余協議后，交換機使用的網絡協議為HRP（高速冗余環協議），選擇模式為HRP Manager，選擇環端口為P1.4和P1.8，這兩個端口即為配置好的冗余口，用來與其他交換機連接成環。

圖2 冗余路徑變換直觀圖

進入XB208的web瀏覽器配置頁面后，因為并沒有默認勾選生成樹協議，所以可直接勾選環冗余協議，選擇模式為HRP client，選擇環端口為P0.1和P0.5。兩個XB208的配置方法相同。冗余協議配置完成后，便可將交換機按照冗余端口連接成環，各設備按圖1的網絡拓撲連接。

圖1 冗余環系統拓撲圖

配置PLC選擇博途軟件的V14版本，創建新項目，組態設備選擇相應型號的控制器，在屬性中為其配置IP地址。在PLC變量表中添加變量，數據類型選擇為bool，bool型為離散時間變量，只有0和1兩個狀態，0為斷開，1為接通。在程序塊中進行編程，使用LAD梯形圖編程時，需要注意避免雙線圈沖突。輸出變量通常賦值在線圈指令上，因為梯形圖是自上而下，從左往右執行的，所以當兩個程序段線圈的地址相同，后一程序段的輸出會覆蓋前一程序段的輸出，導致前一指令的輸入無效。

這樣，便完成了一個基于S7-1200的單環冗余系統。X408的P1.8端口處于激活狀態，指示燈常亮或快閃，P1.4端口指示燈慢閃，此時實際為線性結構：工程師站至X408至P1.8端口連接的XB208至S7-1200。將P1.8端口的網線拔掉，模擬此線路出現故障的情況，P1.4端口將會變為常亮或快閃，P1.8端口變為慢閃，此時的線性結構換成環網的另一條路。將P1.8端口的網線重新插上，指示燈閃爍情況仍為P1.8常亮或快閃，說明故障修復后，路徑也恢復為初始線路。可避免發生故障時工廠產線整體癱瘓的情況。

3 該種方法的優勢與發展

對于一個簡單冗余環網，我們通過兩個交換機和一個S7-1200就可以實現，但在實際的工業應用上往往是很多的PLC在工作，這不是簡單的環網內設備個數的增加，也不是環網個數的增加，為了進一步提高環網的自愈性，可靠性，可擴展性以及進一步降低維護成本，工業上常常采用多種環網互連的方法。對于HRP協議，上文已做介紹，類似的還有STP協議、RSTP協議、MSTP協議、RSTP+協議和MRP協議等。

MRP協議與HRP協議相比，其獨有的是用STEP7中組態時，在PROFINET接口上可以選擇“Media redundancy”(介質冗余)，即將PLC組建在MRP環網中。

在默認情況下（新設備或復位為出廠設備后）禁用MRP協議并啟用生成樹協議。同時，若要在其中一個設備上組態PROFINET，首先要關閉該設備上的生成樹協議。

像STP、RSTP、MSTP、RSTP+等同樣作為冗余協議，他們最大的優點在于環網的配置簡單，不用設定誰為Manager設備和Client設備，而且不會因環網復雜而為此進行更多的設置，直接啟用該協議即可。此類冗余協議最大的缺點是，當激活線路發生故障時，根據協議設備啟用備用線路，重新組態網絡的時間較長。在工業上往往使用多種協議并行的組合方法，可最大限度提高環網的自愈性，可靠性和可擴展性，同時也降低了維護成本。在RSTP網絡和MRP（HRP也一樣）環網中，由于不允許在一個接口上同時使用RSTP協議MRP協議，但RSTP+協議可以解決，因此我們需要啟用連接到RSTP網絡的MRP環網設備的RSTP+協議。

RSTP+協議可以在一個MRP環網上連接兩個或者多個PSTP網絡區域。同上，連接到MRP環網上的RSTP網絡的設備都必須啟用RSTP+協議。RSTP+協議不僅可以通過RSTP將多個MRP環網彼此相連，還可以確保在這種情況下MRP仍可管理環網冗余不受RSTP影響。若環網中已使用MRP協議，則所涉及到設備（如S7-1200）的PROFINET無法啟用“優先級啟動”功能。解決辦法：關閉該設備的MRP，用STEP 7組態時，設置其為“Not a node in the ring”（不是環中的節點）。

結語：隨著科技發展，工廠產線日趨復雜。為了提高工廠的安全性和穩定性，需要運用各網絡協議和合適的網絡組件對產線網絡結構做出合理規劃。信息化、網絡化是大勢所趨，而以S7-1200控制的冗余環系統為基礎，進行復雜的實時通訊和無線通訊的發展，實現傳統工業與新興技術的接軌，是很好的一個開始。