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(huán)境使產線安全性和穩(wěn)定性較低，若運用冗余環(huán)協(xié)議，連接上的環(huán)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(huán)系統(tǒng)的作用

冗余環(huán)系統(tǒng)的作用是可以實現(xiàn)在惡劣的環(huán)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(xiàn)代工業(yè)領域普遍使用以太網通訊，但是以太網是最初是為商業(yè)設計的，當將其使用于工業(yè)現(xiàn)場時，工業(yè)現(xiàn)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(yè)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(huán)系統(tǒng)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(yè)以太網線纜即可完成一個冗余環(huán)系統(tǒng)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(huán)后，可以使用冗余管理器監(jiān)控當前網絡狀態(tài)，當網絡接線突然斷開或交換機發(fā)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(yè)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(yè)通訊中，搭建一個冗余系統(tǒng)是十分重要的。

2 使用S7-1200控制冗余環(huán)系統(tǒng)的方法

在搭建冗余環(huán)系統(tǒng)之前，需要注意IP規(guī)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(guī)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(huán)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(xié)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(xié)議取消，否則無法勾選環(huán)冗余協(xié)議，勾選環(huán)冗余協(xié)議后，交換機使用的網絡協(xié)議為HRP（高速冗余環(huán)協(xié)議），選擇模式為HRP Manager，選擇環(huán)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(huán)。

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(xié)議，所以可直接勾選環(huán)冗余協(xié)議，選擇模式為HRP client，選擇環(huán)端口為P0.1和P0.5。兩個XB208的配置方法相同。冗余協(xié)議配置完成后，便可將交換機按照冗余端口連接成環(huán)，各設備按圖1的網絡拓撲連接。

圖1 冗余環(huán)系統(tǒng)拓撲圖

配置PLC選擇博途軟件的V14版本，創(chuàng)建新項目，組態(tài)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(tài)，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(zhí)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(huán)冗余系統(tǒng)。X408的P1.8端口處于激活狀態(tài)，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(xiàn)故障的情況，P1.4端口將會變?yōu)槌Ａ粱蚩扉W，P1.8端口變?yōu)槁W，此時的線性結構換成環(huán)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?？杀苊獍l(fā)生故障時工廠產線整體癱瘓的情況。

3 該種方法的優(yōu)勢與發(fā)展

對于一個簡單冗余環(huán)網，我們通過兩個交換機和一個S7-1200就可以實現(xiàn)，但在實際的工業(yè)應用上往往是很多的PLC在工作，這不是簡單的環(huán)網內設備個數的增加，也不是環(huán)網個數的增加，為了進一步提高環(huán)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(yè)上常常采用多種環(huán)網互連的方法。對于HRP協(xié)議，上文已做介紹，類似的還有STP協(xié)議、RSTP協(xié)議、MSTP協(xié)議、RSTP+協(xié)議和MRP協(xié)議等。

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

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

像STP、RSTP、MSTP、RSTP+等同樣作為冗余協(xié)議，他們最大的優(yōu)點在于環(huán)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(huán)網復雜而為此進行更多的設置，直接啟用該協(xié)議即可。此類冗余協(xié)議最大的缺點是，當激活線路發(fā)生故障時，根據協(xié)議設備啟用備用線路，重新組態(tài)網絡的時間較長。在工業(yè)上往往使用多種協(xié)議并行的組合方法，可最大限度提高環(huán)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(huán)網中，由于不允許在一個接口上同時使用RSTP協(xié)議MRP協(xié)議，但RSTP+協(xié)議可以解決，因此我們需要啟用連接到RSTP網絡的MRP環(huán)網設備的RSTP+協(xié)議。

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

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