摻混環網改造的研究與應用

溫景斌

（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

1 引言

天津大沽化工臨港工廠摻混裝置DCS 系統是西門子PCS7，成套設備有風送系統、擠出機系統、喂料器系統。PCS7 系統與成套設備間使用的通訊協議有PROFINET 和MODBUS-TCP 大量數據依托于以太網并且多套設備之間數據通訊存在通訊故障聯鎖停車邏輯。在日常生產維護期間曾多次出現SCALANCE 異常導致聯鎖停車事故，因此對其進行網絡改造、優化結構，保障生產穩定具有十分重要的意義。

2 西門子SCALANCE 環網

2.1 環型拓撲中介質冗余的工作原理

使用介質冗余功能時，如果環在某點中斷，將重新組態各設備間的數據路徑。重新組態拓撲后，可再次在生成的新拓撲中訪問到設備。在冗余管理器中，如果網絡未中斷，則2 個環網端口彼此是斷開的。這可防止數據幀循環傳送。就數據傳輸而言，該環型拓撲是一個線性總線拓撲。冗余管理器用于監視環型拓撲。它通過從環網端口1 和環網端口2 發送測試幀來執行監視。測試幀沿兩個方向在環中傳播到達冗余管理器的另一個環網端口。環中兩個設備間的連接中斷或其中某個設備發生故障都會導致環中斷。如果冗余管理器的測試幀由于環網內的中斷不再能夠到達另一個環網端口，則冗余管理器將連通自身的兩個環網端口。這一替代路徑將以線性總線拓撲形式再次恢復所有剩余設備的功能性連接。中斷消失后，將再次建立原通信路徑，斷開冗余管理器的兩個環網端口并通知冗余客戶機該變化。然后，冗余客戶機使用新路徑連接到其它設備。

環中斷到恢復線性拓撲的時間稱為重新組態時間。如果冗余管理器故障，環將變成普通的線性總線。摻混裝置使用的是MRP（Media Redundancy Protocol，介質冗余協議）其重新組態時間為0.2 min

2.2 SCALANCE 配置

打開西門子SIMATIC Manager 軟件，選擇菜單欄“PLC”—＞點擊“編輯Ethernet 節點”—＞點擊“瀏覽”按鈕；選擇對應MAC地址的SCALANCE，點擊“確定”按鈕，在“設置IP 組態”選項中設置IP 地址、子網掩碼和網關；最后點擊“分配IP 組態(S)”按鈕，同時也可以在“分配設備名稱”選項中給設備命名（見圖1）。

圖1 SCALANCE 分配IP

2.3 摻混環網結構

摻混二期裝置共計16 臺SCALANCE X212-2 西門子交換機，分別安裝在摻混機柜間、工程師室、主控室和現場十二條擠出機生產線控制柜中，在生產線控制柜中的每臺交換機節點中包含多臺申克喂料器、擠出機、現場HMI 觸屏等，并通過交換機的光口組建環型拓撲網絡（見圖2）。

圖2 腦電信號采集示例圖

3 摻混環網改造

3.1 更換SCALANCE

摻混二期使用的是西門子工業以太網交換機SCALANCE X-200 系列，目前已停產，后期備品備件的采購及維護成本會更高，另外12 條生產線上的SCALANCE 安裝在現場控制柜中，擠出機筒節及模頭附近溫度過高，集成的光口最高工作溫度在65℃，在近些年裝置生產運行期間已曾多次發生交換機光口故障導致通訊異常，進而引起聯鎖停車事故。因此本次改造將現場SCALANCE X212-2 更換為新型XC208 電氣交換機（最高工作溫度在75℃），現場控制柜之間距離在20m 左右，因此使用電口重組環網保障其穩定性。并將每條線替換下來的X212-2與本條生產線的喂料器組建星型拓撲結構。

3.2 申克喂料器通訊掃描周期

前申克喂料器系統使用的是力控軟件作為MODBUS-TCP 數據橋接，采集各個喂料器的實時數據轉發給PCS7 系統。其與喂料器通訊狀態字循環掃描周期為200ms，同西門子環網重組時間一致，會導致環網修復期間喂料器通訊狀態錯誤，引起不必要的停車。因此將申克喂料器PC 力控軟件與喂料器通訊狀態字循環掃描周期改為500ms，超過西門子環網重組時間。但這樣仍難以避免與西門子環網重組時間重合，因此還需將其從環網摘除。

3.3 申克喂料器從環網中拆除

摻混二期現場申克喂料器控制柜中SCALANCE 交換機節點中喂料器居多，喂料器PC 中力控軟件與喂料器通訊使用MODBUSTCP，力控軟件作為Master 使用502 端口；而喂料器PC 力控軟件與PCS7 通訊也使用的是MODBUS-TCP，此時喂料器PC 力控軟件作為Slave 分別使用502（CP1）、503（CP2）端口，共同使用一個物理網口。

在近些年生產運行過程中出現過多次物理網口假死情況，初步診斷為數據堵塞導致。因現場觸屏為雙物理網口，本次改造將一個網口與本條生產線的各個喂料器獨立組建星型拓撲結構，IP 段定為192.168.127.x。這樣環網節點減少50%以上，同時因喂料器PC 本身就是數據轉發的橋梁，自身集成雙網卡分兩個IP 段進行數據通信，相對于改造前使用一個網口進行數據分發，減小了網絡阻塞的風險。

3.4 PCS7 網絡改造

PCS7 系統現場控制器以及上位計算機處于同一環網中，在工程師站與操作員站之間進行大數據量通信時，與控制系統對數據相應實時性高的數據通信同時使用網絡，存在計算機下載速度慢，控制網絡與上位機網絡互相影響的情況。本次改造期間，把工程師站與操作員站之間重新組建總線型拓撲結構，獨立于原環網從而保障控制系統數據通訊的高效和穩定。

通過本次網絡升級改造，摻混裝置環型拓撲網絡中的節點數量減少50%以上，同時每條生產線上的喂料器獨立于環網。因此即使在環網重組期間，也不會影響到通訊狀態字的循環掃描，從而避免了非計劃停車，穩定了生產。另外上位機網絡獨立于環網也大幅減少了網絡負荷，保障控制系統數據通訊的高效和穩定，即使上位機網絡出現網絡風暴也不會影響到控制系統網絡，增強了網絡的穩定與安全。