温景斌

（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

1 引言

天津大沽化工临港工厂掺混装置DCS 系统是西门子PCS7，成套设备有风送系统、挤出机系统、喂料器系统。PCS7 系统与成套设备间使用的通讯协议有PROFINET 和MODBUS-TCP 大量数据依托于以太网并且多套设备之间数据通讯存在通讯故障联锁停车逻辑。在日常生产维护期间曾多次出现SCALANCE 异常导致联锁停车事故，因此对其进行网络改造、优化结构，保障生产稳定具有十分重要的意义。

2 西门子SCALANCE 环网

2.1 环型拓扑中介质冗余的工作原理

使用介质冗余功能时，如果环在某点中断，将重新组态各设备间的数据路径。重新组态拓扑后，可再次在生成的新拓扑中访问到设备。在冗余管理器中，如果网络未中断，则2 个环网端口彼此是断开的。这可防止数据帧循环传送。就数据传输而言，该环型拓扑是一个线性总线拓扑。冗余管理器用于监视环型拓扑。它通过从环网端口1 和环网端口2 发送测试帧来执行监视。测试帧沿两个方向在环中传播到达冗余管理器的另一个环网端口。环中两个设备间的连接中断或其中某个设备发生故障都会导致环中断。如果冗余管理器的测试帧由于环网内的中断不再能够到达另一个环网端口，则冗余管理器将连通自身的两个环网端口。这一替代路径将以线性总线拓扑形式再次恢复所有剩余设备的功能性连接。中断消失后，将再次建立原通信路径，断开冗余管理器的两个环网端口并通知冗余客户机该变化。然后，冗余客户机使用新路径连接到其它设备。

环中断到恢复线性拓扑的时间称为重新组态时间。如果冗余管理器故障，环将变成普通的线性总线。掺混装置使用的是MRP（Media Redundancy Protocol，介质冗余协议）其重新组态时间为0.2 min

2.2 SCALANCE 配置

打开西门子SIMATIC Manager 软件，选择菜单栏“PLC”—＞点击“编辑Ethernet 节点”—＞点击“浏览”按钮；选择对应MAC地址的SCALANCE，点击“确定”按钮，在“设置IP 组态”选项中设置IP 地址、子网掩码和网关；最后点击“分配IP 组态(S)”按钮，同时也可以在“分配设备名称”选项中给设备命名（见图1）。

图1 SCALANCE 分配IP

2.3 掺混环网结构

掺混二期装置共计16 台SCALANCE X212-2 西门子交换机，分别安装在掺混机柜间、工程师室、主控室和现场十二条挤出机生产线控制柜中，在生产线控制柜中的每台交换机节点中包含多台申克喂料器、挤出机、现场HMI 触屏等，并通过交换机的光口组建环型拓扑网络（见图2）。

图2 脑电信号采集示例图

3 掺混环网改造

3.1 更换SCALANCE

掺混二期使用的是西门子工业以太网交换机SCALANCE X-200 系列，目前已停产，后期备品备件的采购及维护成本会更高，另外12 条生产线上的SCALANCE 安装在现场控制柜中，挤出机筒节及模头附近温度过高，集成的光口最高工作温度在65℃，在近些年装置生产运行期间已曾多次发生交换机光口故障导致通讯异常，进而引起联锁停车事故。因此本次改造将现场SCALANCE X212-2 更换为新型XC208 电气交换机（最高工作温度在75℃），现场控制柜之间距离在20m 左右，因此使用电口重组环网保障其稳定性。并将每条线替换下来的X212-2与本条生产线的喂料器组建星型拓扑结构。

3.2 申克喂料器通讯扫描周期

前申克喂料器系统使用的是力控软件作为MODBUS-TCP 数据桥接，采集各个喂料器的实时数据转发给PCS7 系统。其与喂料器通讯状态字循环扫描周期为200ms，同西门子环网重组时间一致，会导致环网修复期间喂料器通讯状态错误，引起不必要的停车。因此将申克喂料器PC 力控软件与喂料器通讯状态字循环扫描周期改为500ms，超过西门子环网重组时间。但这样仍难以避免与西门子环网重组时间重合，因此还需将其从环网摘除。

3.3 申克喂料器从环网中拆除

掺混二期现场申克喂料器控制柜中SCALANCE 交换机节点中喂料器居多，喂料器PC 中力控软件与喂料器通讯使用MODBUSTCP，力控软件作为Master 使用502 端口；而喂料器PC 力控软件与PCS7 通讯也使用的是MODBUS-TCP，此时喂料器PC 力控软件作为Slave 分别使用502（CP1）、503（CP2）端口，共同使用一个物理网口。

在近些年生产运行过程中出现过多次物理网口假死情况，初步诊断为数据堵塞导致。因现场触屏为双物理网口，本次改造将一个网口与本条生产线的各个喂料器独立组建星型拓扑结构，IP 段定为192.168.127.x。这样环网节点减少50%以上，同时因喂料器PC 本身就是数据转发的桥梁，自身集成双网卡分两个IP 段进行数据通信，相对于改造前使用一个网口进行数据分发，减小了网络阻塞的风险。

3.4 PCS7 网络改造

PCS7 系统现场控制器以及上位计算机处于同一环网中，在工程师站与操作员站之间进行大数据量通信时，与控制系统对数据相应实时性高的数据通信同时使用网络，存在计算机下载速度慢，控制网络与上位机网络互相影响的情况。本次改造期间，把工程师站与操作员站之间重新组建总线型拓扑结构，独立于原环网从而保障控制系统数据通讯的高效和稳定。

通过本次网络升级改造，掺混装置环型拓扑网络中的节点数量减少50%以上，同时每条生产线上的喂料器独立于环网。因此即使在环网重组期间，也不会影响到通讯状态字的循环扫描，从而避免了非计划停车，稳定了生产。另外上位机网络独立于环网也大幅减少了网络负荷，保障控制系统数据通讯的高效和稳定，即使上位机网络出现网络风暴也不会影响到控制系统网络，增强了网络的稳定与安全。