辽宁科技大学 彭安娜 许荣坤 崔建一

在工厂的实际应用中，单一的线性结构产线和复杂的工厂环境使产线安全性和稳定性较低，若运用冗余环协议，连接上的环型结构可以为一条信息的传输提供备用路径，可避免通讯中断。西门子公司S7-1200系列的PLC体积较小，功能强大，以太网通讯的硬件成本低，非常适合应用在工厂产线中。

1 冗余环系统的作用

冗余环系统的作用是可以实现在恶劣的环境下，网络遇到故障时，可以在短时间内快速的恢复通讯，并将错误信息回馈给用户，有效的保护了关键数据，减少网络中断造成的损失，提高网络的可用性。

以太网通讯由于通讯速率高、兼容性好、成本低廉，所以现代工业领域普遍使用以太网通讯，但是以太网是最初是为商业设计的，当将其使用于工业现场时，工业现场恶劣的工作条件以及线路间不断的干扰，它的可靠性就会降低。因此，工业网络对可靠性、可恢复性和可维护性提出了很高的要求。

使用冗余环系统就可以有效的减少以太网通讯中断造成的损失，利用一个西门子公司S7-1200系列PLC配合一个SCALANCE XM408-8C交换机，两个SCALANCE XB208交换机，以及若干工业以太网线缆即可完成一个冗余环系统的搭建，使用3个交换机模拟工厂的生产主干网络，搭建好冗余环后，可以使用冗余管理器监控当前网络状态，当网络接线突然断开或交换机发生故障时，它就会自动连通另一条备用路径恢复通讯，并在故障被消除之后，自动恢复为原通讯路径，不会对后面的工艺单元产生影响，保证了工厂在复杂的工业化境之下，即使遇到通讯意外中断的情况下，也不会造成巨大的影响，能够有效的减少损失，所以，在工业通讯中，搭建一个冗余系统是十分重要的。

2 使用S7-1200控制冗余环系统的方法

在搭建冗余环系统之前，需要注意IP规划。要注意IP在同一网段下，而且IP地址不能冲突。在本次设计中，工程师站的IP设置为192.168.1.100，X408的ip设为192.168.1.40，XB208（A）设置为192.168.1.41，XB208（B）设置为192.168.1.42，S7-1200设置为192.168.1.11。

IP规划完成后，便可以进行配置。S7-1200用博途软件进行IP配置与编程，配置交换机的IP可以使用西门子软件的PST软件或者Proneta软件。需要注意，未全部配置完成之前，不能将设备连接成环网，会导致广播风暴。使用PST软件，需要将软件的PG-PC接口改为和电脑一致而且可行的，应该带有TCP/IP协议。将工程师站与设备用网线连接后，进行搜索，可搜索到带有MAC地址的设备，本设计中运用到的设备都符合。搜索找到后，可为其配置IP地址并搜索打开相应网址进行进一步的配置。在本次设计中，使用Proneta软件进行配置。相较于PST软件，Proneta软件的兼容性较好，能够看到直观的网络拓扑图并导出。Proneta软件的用法与PST软件相似，将设备和工程师站用网线连接后，使用软件的在线模块，选择合适的网络适配器，刷新后即可显示网络拓扑图，点击图中的设备配置IP并直接进入web浏览器的设备页面进行配置。

进入X408的web浏览器配置页面后，需先将默认勾选的生成树协议取消，否则无法勾选环冗余协议，勾选环冗余协议后，交换机使用的网络协议为HRP（高速冗余环协议），选择模式为HRP Manager，选择环端口为P1.4和P1.8，这两个端口即为配置好的冗余口，用来与其他交换机连接成环。

图2 冗余路径变换直观图

进入XB208的web浏览器配置页面后，因为并没有默认勾选生成树协议，所以可直接勾选环冗余协议，选择模式为HRP client，选择环端口为P0.1和P0.5。两个XB208的配置方法相同。冗余协议配置完成后，便可将交换机按照冗余端口连接成环，各设备按图1的网络拓扑连接。

图1 冗余环系统拓扑图

配置PLC选择博途软件的V14版本，创建新项目，组态设备选择相应型号的控制器，在属性中为其配置IP地址。在PLC变量表中添加变量，数据类型选择为bool，bool型为离散时间变量，只有0和1两个状态，0为断开，1为接通。在程序块中进行编程，使用LAD梯形图编程时，需要注意避免双线圈冲突。输出变量通常赋值在线圈指令上，因为梯形图是自上而下，从左往右执行的，所以当两个程序段线圈的地址相同，后一程序段的输出会覆盖前一程序段的输出，导致前一指令的输入无效。

这样，便完成了一个基于S7-1200的单环冗余系统。X408的P1.8端口处于激活状态，指示灯常亮或快闪，P1.4端口指示灯慢闪，此时实际为线性结构：工程师站至X408至P1.8端口连接的XB208至S7-1200。将P1.8端口的网线拔掉，模拟此线路出现故障的情况，P1.4端口将会变为常亮或快闪，P1.8端口变为慢闪，此时的线性结构换成环网的另一条路。将P1.8端口的网线重新插上，指示灯闪烁情况仍为P1.8常亮或快闪，说明故障修复后，路径也恢复为初始线路。可避免发生故障时工厂产线整体瘫痪的情况。

3 该种方法的优势与发展

对于一个简单冗余环网，我们通过两个交换机和一个S7-1200就可以实现，但在实际的工业应用上往往是很多的PLC在工作，这不是简单的环网内设备个数的增加，也不是环网个数的增加，为了进一步提高环网的自愈性，可靠性，可扩展性以及进一步降低维护成本，工业上常常采用多种环网互连的方法。对于HRP协议，上文已做介绍，类似的还有STP协议、RSTP协议、MSTP协议、RSTP+协议和MRP协议等。

MRP协议与HRP协议相比，其独有的是用STEP7中组态时，在PROFINET接口上可以选择“Media redundancy”(介质冗余)，即将PLC组建在MRP环网中。

在默认情况下（新设备或复位为出厂设备后）禁用MRP协议并启用生成树协议。同时，若要在其中一个设备上组态PROFINET，首先要关闭该设备上的生成树协议。

像STP、RSTP、MSTP、RSTP+等同样作为冗余协议，他们最大的优点在于环网的配置简单，不用设定谁为Manager设备和Client设备，而且不会因环网复杂而为此进行更多的设置，直接启用该协议即可。此类冗余协议最大的缺点是，当激活线路发生故障时，根据协议设备启用备用线路，重新组态网络的时间较长。在工业上往往使用多种协议并行的组合方法，可最大限度提高环网的自愈性，可靠性和可扩展性，同时也降低了维护成本。在RSTP网络和MRP（HRP也一样）环网中，由于不允许在一个接口上同时使用RSTP协议MRP协议，但RSTP+协议可以解决，因此我们需要启用连接到RSTP网络的MRP环网设备的RSTP+协议。

RSTP+协议可以在一个MRP环网上连接两个或者多个PSTP网络区域。同上，连接到MRP环网上的RSTP网络的设备都必须启用RSTP+协议。RSTP+协议不仅可以通过RSTP将多个MRP环网彼此相连，还可以确保在这种情况下MRP仍可管理环网冗余不受RSTP影响。若环网中已使用MRP协议，则所涉及到设备（如S7-1200）的PROFINET无法启用“优先级启动”功能。解决办法：关闭该设备的MRP，用STEP 7组态时，设置其为“Not a node in the ring”（不是环中的节点）。

结语：随着科技发展，工厂产线日趋复杂。为了提高工厂的安全性和稳定性，需要运用各网络协议和合适的网络组件对产线网络结构做出合理规划。信息化、网络化是大势所趋，而以S7-1200控制的冗余环系统为基础，进行复杂的实时通讯和无线通讯的发展，实现传统工业与新兴技术的接轨，是很好的一个开始。