以太网通信技术在工厂电气自动化控制系统中的应用及常见故障诊断
冯丽萍 韩达睿
【摘 要】论文简要论述了西门子S7-200PLC以太网通信技术在某公司自动化生产线电气控制系统中的应用，针对其各部分组成元件在现场总线中的作用以及工作中可能出现的常见问题进行分析，加强对采用以太网通信技术控制自动化设备的认知，提高维护人员快速排除现代化网络电气故障能力。
【Abstract】This paper briefly discusses the application of SIEMENS S7-200PLC Ethernet communication technology in the electric control system of an automation production line of a company. The function of the components in the field bus and the common problems that may occur in the work are analyzed， so as to strengthen the cognition of using ethernet communication technology to control automation equipment， and improve the ability of maintenance personnel to eliminate the modern network electrical fault quickly.
【关键词】以太网通信技术；工厂电气自动化； 网络故障诊断
【Keywords】ethernet communication technology； factory electric automation； network fault diagnosis
【中图分类号】TM76 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0181-02
1 引言
随着现代工业电气系统向着分布化、智能化迅猛发展，以太网以其传输速率快、工作可靠性高、兼容性强、维护成本低、可持续发展潜力大等技术优势，已经成为自动化网络电气控制系统应用最为广泛的一种控制形式。工业以太网已经广泛地应用于工厂电气控制网络的最高层，以太网能与现有的现场总线系统（例如PROFIBUS）有机集成，可以实现从公司管理层到现场层直接、透明的访问，通过交换机、网桥或路由器等作为数据传输纽带、将车间数据集成到工厂管理层，协同完成自动化生产任务的网络运行控制系统。
在工业控制系统中，生产现场受控设备一般由主令开关、传感器、各类驱动执行器、工业视觉监控系统等分立元件组成，各种元器件分布广，接线错综复杂，易造成设备故障频繁、延误生产等弊端，采用以太网通信控制系统可大大减少工程建设成本，而且各类分布式现场设备可以直接连接到工业以太网，与PLC、工控机等管理层设备相互通信交换数据。
2 以太网在涂装设备自动化控制系统中的应用
以某公司涂装生产线电气控制系统为例，简述以太网通信在大型涂装自动化生产线的应用。
涂装系统网络结构，本涂装系统选用3个西门子200PLC作为中央控制系统，其中1台CPU226作为链条输送系统网络读写主站PLC；其余2台CPU224XP CN PLC作为网络读写的从站分别控制喷漆室、烘干室消防系统等部分。每一个西门子200PLC都配置一块CP243-1以太网通讯模块，它们通过路由器与TP1500触摸屏组成以太网通讯。主站与从站之间的通信基于主-从原理，主站PLC通过网络依次访问各个从站，主站与从站间周期性地读写访问用户数据，以达到控制喷漆室、烘干室、链条输送系统、报警系统等相关设备自动启停的目的。
SIMATIC S7-200主站系统。在自动化控制系统中主站系统发起数据通讯，读写其他站点的数据。S7-200 CPU在读写其他S7-200 CPU数据时（使用PPI协议）就作为主站PPI主站也能接受其他主站的数据访问。在本涂装电气控制系统中链条输送机作为网络PPI主站，当人机界面HMI发出操作指令，此时主站PLC链条输送系统首先发出预警信息，为链条启动做准备，同时通过网络写指令写入到两个从站，以达到在同一时间内一键启动喷漆室、烘干室、链条输送系统、污水处理等系统的目的。
SIMATIC S7-200主站系统。主站发起数据通讯，读写他站点的数据。S7-200 CPU读写S7-200 CPU数据时（使用PPI协议），PPI主站接受其他主站的数据访问。链条输送机为网络PPI主站，人机界面HMI發出操作指令，主站PLC链条输送系统首先发出预警信息，为链条启动做准备，同时通过网络指令写入两个从站，达到同时一键启动喷漆室、烘干室、链条输送系统、污水处理系统的目的。
SIMATIC s7-200从站系统。从站在网络控制系统中通过模拟量扩展模块、分布式I/O等传感器读取设备运行过程信息，主站PLC通过改变从站PLC的V变量存储区输出命令。当主站启动时，作为控制喷漆室的CPU1和控制烘干室的CPU2其控制送排风机V变量存储区的状态由0变为1，完成系统启动或者在自动化生产中对通信网络各分站中PLC输入输出的读写操作。
分布式I/O ET200S控制系统。ET200S是一种高度模块化的多通道分布式I/O系统，是可在恶劣环境下采集现场数字量、模拟量输入输出信号的智能从站。1号分布式I/O系统采集喷漆室送、排风机转速等模拟量输入输出信号；2号分布式I/O系统采集烘干室温度等模拟量输入输出信号；3号分布式I/O系统采集链条输送系统以停止器、分道器的状态来控制小车的行走和运动方向。
以太网通讯的变频器送排风系统。变频器的通信协议采用西门子USS协议。采用主—从式结构，通信时上位机作为主站向变频器发送报文，变频器作为从站，处理主站发来的报文执行指令。在本涂装电气控制系统中喷漆室、烘干室的送排风机运行频率可在触摸屏上直接设定并可时时监控各送排风机的状态。
3 网络故障分析
工业以太网将涂装生产线的中央控制室服务器、客户机和所有现场电控设备连接起来，以便在中控室通过服务器和客户机对现场设备进行操作运行和实时监控。由于工业现场环境恶劣，现场环境温度、湿度、震动等客观因素会对以太网络的正常运行造成一定程度的影响，可能会对设备的造成不可预知的危害，因此必须要对网络系统的运行维护引起高度的重视和及时的处理。
3.1 200PLC通讯故障
西门子S7-200PLC支持的通信协议有很多，具体来说有PPI、MPI、自由口通信协议等，CPU224XP、CPU226有两个通讯口，每个通讯口各自独立而且都有自己的网络地址、通讯速率等参数设置。当PLC在正常工作中出现故障时，首先要判断是软件程序故障还是硬件故障，一般情况PLC具有自诊断功能，发生模块功能错误时通过故障指示灯就能判断，SF如果红灯，说明存在致命错误，如果是黄灯，可能是编程定义处于强制状态或其他原因。CPU存在致命错误，把开关打到STOP，通过通讯查看PLC信息可以得知具体产生错误原因。涂装现场环境复杂，PLC模块在受到强电磁场、静电等外界因素的干扰情况下有可能造成网络通信故障程序出错，排除故障时应本着先易后难、先软件后硬件的原则进行排查。
3.2 以太网模块通信故障
CP243-1以太网模块是一种通讯处理器，使用CP243-1通过工业以太网可实现S7-200和其他S7-200或者S7-300、S7-400之间的通讯。出现故障LED，显示：SF红色连续点亮或闪亮，表明系统错误。LINKL绿色连续点亮，表明通过RJ45接口连接，已建立以太网连接。RX/TX绿色闪烁，表明数据正通过以太网接收和传输，注意：通过以太网接收的数据包不一定用于CP 243-1。CP243-1接受每个通过以太网传送的数据包，在决定数据包是否对它有用。如果以太网电缆还没有断开，只要CP 243-1尝试发送一个数据包，RX/TX指示灯也闪亮。RUN（运行）绿色连续点亮，表明CP 243-1通讯准备就绪。CFG黄色连续点亮，表明组态：在STEP 7 Micro/WIN 32通过CP 243-1与S7-200 CPU保持连接时点亮。
3.3 以太网交换机故障
以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机，交换机能同时连通许多对的端口，触摸屏、PLC等网络运行设备通过交换机进行数据传输和信息交换。它的端口速率可以不同，工作方式也可以不同，如可以提供10M、100M的传输速率、提供全双工、自适应的工作方式等。以太网交换机故障主要分为软件和硬件两大类。硬件故障主要包括电源故障、端口故障、背板故障等；软件故障主要包括系统错误、配置不当、软件发生冲突等。在查找网络交换机故障时可采用排除法、对比法、替换法等方法排除故障。
4 结语
綜上所述，在现代化工业生产中，“集中监控、分散控制”的控制模式已经越来越得到人们的认可和肯定，传统的控制模式已经逐步退出历史舞台，也正是因为上述中央监控系统的种种优点，才使得我国工业自动化生产的效能大幅度提高。目前工业以太网在工厂电气自动化领域发挥着越来越大的主导作用，并且向着与INTERNET无缝集成方向快速发展，使得工业控制领域更加自动化、智能化和人性化。
【参考文献】
【1】袁任光.可编程序控制器（PC）应用技术与实例[M].广州：华南理工大学出版社，1997.
【2】廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊[M].北京：机械工业出版社，2009.
【3】姜建芳.西门子S7-300/400PLC[M].北京：工程应用技术机械工业出版社，2012.
【摘 要】论文简要论述了西门子S7-200PLC以太网通信技术在某公司自动化生产线电气控制系统中的应用，针对其各部分组成元件在现场总线中的作用以及工作中可能出现的常见问题进行分析，加强对采用以太网通信技术控制自动化设备的认知，提高维护人员快速排除现代化网络电气故障能力。
【Abstract】This paper briefly discusses the application of SIEMENS S7-200PLC Ethernet communication technology in the electric control system of an automation production line of a company. The function of the components in the field bus and the common problems that may occur in the work are analyzed， so as to strengthen the cognition of using ethernet communication technology to control automation equipment， and improve the ability of maintenance personnel to eliminate the modern network electrical fault quickly.
【关键词】以太网通信技术；工厂电气自动化； 网络故障诊断
【Keywords】ethernet communication technology； factory electric automation； network fault diagnosis
【中图分类号】TM76 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0181-02
1 引言
随着现代工业电气系统向着分布化、智能化迅猛发展，以太网以其传输速率快、工作可靠性高、兼容性强、维护成本低、可持续发展潜力大等技术优势，已经成为自动化网络电气控制系统应用最为广泛的一种控制形式。工业以太网已经广泛地应用于工厂电气控制网络的最高层，以太网能与现有的现场总线系统（例如PROFIBUS）有机集成，可以实现从公司管理层到现场层直接、透明的访问，通过交换机、网桥或路由器等作为数据传输纽带、将车间数据集成到工厂管理层，协同完成自动化生产任务的网络运行控制系统。
在工业控制系统中，生产现场受控设备一般由主令开关、传感器、各类驱动执行器、工业视觉监控系统等分立元件组成，各种元器件分布广，接线错综复杂，易造成设备故障频繁、延误生产等弊端，采用以太网通信控制系统可大大减少工程建设成本，而且各类分布式现场设备可以直接连接到工业以太网，与PLC、工控机等管理层设备相互通信交换数据。
2 以太网在涂装设备自动化控制系统中的应用
以某公司涂装生产线电气控制系统为例，简述以太网通信在大型涂装自动化生产线的应用。
涂装系统网络结构，本涂装系统选用3个西门子200PLC作为中央控制系统，其中1台CPU226作为链条输送系统网络读写主站PLC；其余2台CPU224XP CN PLC作为网络读写的从站分别控制喷漆室、烘干室消防系统等部分。每一个西门子200PLC都配置一块CP243-1以太网通讯模块，它们通过路由器与TP1500触摸屏组成以太网通讯。主站与从站之间的通信基于主-从原理，主站PLC通过网络依次访问各个从站，主站与从站间周期性地读写访问用户数据，以达到控制喷漆室、烘干室、链条输送系统、报警系统等相关设备自动启停的目的。
SIMATIC S7-200主站系统。在自动化控制系统中主站系统发起数据通讯，读写其他站点的数据。S7-200 CPU在读写其他S7-200 CPU数据时（使用PPI协议）就作为主站PPI主站也能接受其他主站的数据访问。在本涂装电气控制系统中链条输送机作为网络PPI主站，当人机界面HMI发出操作指令，此时主站PLC链条输送系统首先发出预警信息，为链条启动做准备，同时通过网络写指令写入到两个从站，以达到在同一时间内一键启动喷漆室、烘干室、链条输送系统、污水处理等系统的目的。
SIMATIC S7-200主站系统。主站发起数据通讯，读写他站点的数据。S7-200 CPU读写S7-200 CPU数据时（使用PPI协议），PPI主站接受其他主站的数据访问。链条输送机为网络PPI主站，人机界面HMI發出操作指令，主站PLC链条输送系统首先发出预警信息，为链条启动做准备，同时通过网络指令写入两个从站，达到同时一键启动喷漆室、烘干室、链条输送系统、污水处理系统的目的。
SIMATIC s7-200从站系统。从站在网络控制系统中通过模拟量扩展模块、分布式I/O等传感器读取设备运行过程信息，主站PLC通过改变从站PLC的V变量存储区输出命令。当主站启动时，作为控制喷漆室的CPU1和控制烘干室的CPU2其控制送排风机V变量存储区的状态由0变为1，完成系统启动或者在自动化生产中对通信网络各分站中PLC输入输出的读写操作。
分布式I/O ET200S控制系统。ET200S是一种高度模块化的多通道分布式I/O系统，是可在恶劣环境下采集现场数字量、模拟量输入输出信号的智能从站。1号分布式I/O系统采集喷漆室送、排风机转速等模拟量输入输出信号；2号分布式I/O系统采集烘干室温度等模拟量输入输出信号；3号分布式I/O系统采集链条输送系统以停止器、分道器的状态来控制小车的行走和运动方向。
以太网通讯的变频器送排风系统。变频器的通信协议采用西门子USS协议。采用主—从式结构，通信时上位机作为主站向变频器发送报文，变频器作为从站，处理主站发来的报文执行指令。在本涂装电气控制系统中喷漆室、烘干室的送排风机运行频率可在触摸屏上直接设定并可时时监控各送排风机的状态。
3 网络故障分析
工业以太网将涂装生产线的中央控制室服务器、客户机和所有现场电控设备连接起来，以便在中控室通过服务器和客户机对现场设备进行操作运行和实时监控。由于工业现场环境恶劣，现场环境温度、湿度、震动等客观因素会对以太网络的正常运行造成一定程度的影响，可能会对设备的造成不可预知的危害，因此必须要对网络系统的运行维护引起高度的重视和及时的处理。
3.1 200PLC通讯故障
西门子S7-200PLC支持的通信协议有很多，具体来说有PPI、MPI、自由口通信协议等，CPU224XP、CPU226有两个通讯口，每个通讯口各自独立而且都有自己的网络地址、通讯速率等参数设置。当PLC在正常工作中出现故障时，首先要判断是软件程序故障还是硬件故障，一般情况PLC具有自诊断功能，发生模块功能错误时通过故障指示灯就能判断，SF如果红灯，说明存在致命错误，如果是黄灯，可能是编程定义处于强制状态或其他原因。CPU存在致命错误，把开关打到STOP，通过通讯查看PLC信息可以得知具体产生错误原因。涂装现场环境复杂，PLC模块在受到强电磁场、静电等外界因素的干扰情况下有可能造成网络通信故障程序出错，排除故障时应本着先易后难、先软件后硬件的原则进行排查。
3.2 以太网模块通信故障
CP243-1以太网模块是一种通讯处理器，使用CP243-1通过工业以太网可实现S7-200和其他S7-200或者S7-300、S7-400之间的通讯。出现故障LED，显示：SF红色连续点亮或闪亮，表明系统错误。LINKL绿色连续点亮，表明通过RJ45接口连接，已建立以太网连接。RX/TX绿色闪烁，表明数据正通过以太网接收和传输，注意：通过以太网接收的数据包不一定用于CP 243-1。CP243-1接受每个通过以太网传送的数据包，在决定数据包是否对它有用。如果以太网电缆还没有断开，只要CP 243-1尝试发送一个数据包，RX/TX指示灯也闪亮。RUN（运行）绿色连续点亮，表明CP 243-1通讯准备就绪。CFG黄色连续点亮，表明组态：在STEP 7 Micro/WIN 32通过CP 243-1与S7-200 CPU保持连接时点亮。
3.3 以太网交换机故障
以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机，交换机能同时连通许多对的端口，触摸屏、PLC等网络运行设备通过交换机进行数据传输和信息交换。它的端口速率可以不同，工作方式也可以不同，如可以提供10M、100M的传输速率、提供全双工、自适应的工作方式等。以太网交换机故障主要分为软件和硬件两大类。硬件故障主要包括电源故障、端口故障、背板故障等；软件故障主要包括系统错误、配置不当、软件发生冲突等。在查找网络交换机故障时可采用排除法、对比法、替换法等方法排除故障。
4 结语
綜上所述，在现代化工业生产中，“集中监控、分散控制”的控制模式已经越来越得到人们的认可和肯定，传统的控制模式已经逐步退出历史舞台，也正是因为上述中央监控系统的种种优点，才使得我国工业自动化生产的效能大幅度提高。目前工业以太网在工厂电气自动化领域发挥着越来越大的主导作用，并且向着与INTERNET无缝集成方向快速发展，使得工业控制领域更加自动化、智能化和人性化。
【参考文献】
【1】袁任光.可编程序控制器（PC）应用技术与实例[M].广州：华南理工大学出版社，1997.
【2】廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊[M].北京：机械工业出版社，2009.
【3】姜建芳.西门子S7-300/400PLC[M].北京：工程应用技术机械工业出版社，2012.
