PLC冶金自动化控制系统中的通信技术运用研究

刘 山

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

如今的时代是一个信息化的时代，在这个时代中，各个领域都要积极地与信息技术相融合，这样才能得到更为长久的发展。冶金技术作为新时代中重要的技术之一，在新形势下，为了更好地完成自动化的流程，也要积极的与PLC控制系统相结合。PLC控制系统可以实现对人类思维的高级模拟，使得冶金的整体工艺流程更加自动化和智能化。如果PLC控制系统在运行过程中出现故障，冶金设备的系统辊、泵都会进行系统停转，甚至造成冶金设备运行故障进而导致设备损坏。目前我国在工业生产领域中实用的自动化控制系统，其系统的运行编程经历了设计部门、研究部门、实验部门等多个流程的反复检测，具备各项控制要求与故障防护工作后才能被用于实际生产系统的控制使用中[1]。

1 通信技术的简析

通信技术也被称之为通信工程，是目前在电子工程中经常使用到的一个基础学科，它主要是为了解决通信过程中信息的传递以及信息处理的工作。随着计算机网络的出现，以计算机网络为媒介的通信系统已经基本形成，随着计算机技术和自动化技术的不断进步，通信系统迎来了新的发展阶段。现阶段通信技术的不断发展，目前已经形成了一套全新自动化控制系统，它可以将整个企业的生产纳入到一个整体的框架之内，通过利用先进的科学技术，将通信技术与控制系统进行完美地融合。

2 PLC自动化控制系统

PLC自动控制系统是目前控制系统中最为重要的组成部分，它的运行质量决定着企业整个生产系统的运行质量，对于企业整体的运行有着至关重要的作用，如果在PLC自动控制系统的运行过程中出现问题，就会导致整个生产系统无法正常运转，从而导致企业相关系统陷入瘫痪。PLC自动控制系统的运行程序需要专业的技术人员进行编程，同时要对整个系统进行详细的检查，并且要根据企业的实际需要，对PLC自动控制系统中的数据进行调整。通信技术在PLC自动化技术中的应用可以进行人为的选择，其中目前使用比较多的是西门子S7--300（图1）系列，该技术是在实际的应用工程中已经充分的展现了其特有的优势，它的中央处理器可以满足系统当中不同接口的需求，同时也支持现场总线的技术要求[2,3]。

图1 西门子S7--300模块

3 通信技术在PLC自动化控制系统应用中的优势

通信技术在PLC系统化控制系统中的优势有很多，本文主要以控制网络的多样性进行分析。对于PLC的控制网络而言主要是包括了简单网络以及多级复杂网络这两种类型。

3.1 简单网络

简单网络指的是在信息网络中，主站主要是个人计算机，而从站指的是同一个类型的PLC，以此为基础建立的一套控制系统。个人计算机在这套系统当中主要发挥的作用相当于大脑，而PLC就是执行，通过个人计算机来完成编程等操作，利用PLC进行控制，以此完成作业。当然简单网络中也可以使用一台PLC为主站，利用一台或者几台其他类型的PLC为从站进行工作，但是需要注意的是在这种情况下，作为主站的PLC必须要配备一些其他的配套设备，否则将无法进行操作。

3.2 多级复杂网络

这种网络模式现在主要是应用于一些大型的企业当中。目前由于PLC的产生过程不一样，所以就是造成自动化系统中层级和功能存在差异，比如一般制造商在生产过程中会将其分为三个层级，上层主要是对企业的总体生产情况进行控制，中层是对企业在生产过程的一些情况进行改良，底层则是对生产的现场进行优化。由于大型企业内部运行过程中涉及到的部门比较多，想要实现企业的正常运转就必须使用这种多级复杂的网络，它可以利用多级控制的优势，精准地对企业的各个部门进行控制。

4 通信技术在PLC自动化控制系统中应用的改善措施

由于通信技术在PLC自动化控制系统应用过程中，通信协议无法统一是一个比较棘手的问题。在实际的应用过程中，这种缺陷导致了企业各个部门很难做到切实有效地沟通，例如在底层网络和中层网络之间，由于通信协议不一致就导致在沟通的过程中存在时间差，很难保证沟通的及时性。在企业使用的通信协议中，包括了点对点接口协议、USS 协议等多种协议类型，虽然不同的协议有着不同的特点，但是在实际的使用过程中，众多的协议就导致工作人员在使用时很难正确选择，阻碍企业的正常发展。此外，由于通信技术在 PLC 自动化系统中经常使用到的一种系统名为集散控制系统。这套控制系统使用起来比较简单，操作过程也不复杂，但是在面对一些大规模的企业时，一旦通信数量过大，就会造成系统的瘫痪，很难有效地保障企业内部的沟通。因此，在实际应用中，需要采取一定的改善措施，提升系统的运行稳定性和运行效率。

4.1 大力发展PROFIBUS技术的应用

PROFIBUS技术组主要有三个部分组成，分别是DP、PA以及FMS。DP这部分主要是应用在生产现场，其主要的作用是针对生产现场使用的一些设备之间的信息传输工作，并且可以建立起一些简单的通信系统。现阶段在PROFIBUS技术的使用过程中，DP是其重要的组成部分，甚至DP在一定程度上就是PROFIBUS技术的代名词。FMS部分主要是应用于企业生产车间等范围比较大的地方，主要的工作就是进行较大范围的图文转换。它对于各部门之间的通信图文进行统一的规范，极大地解决了因为通信协议不一致所造成的通信阻碍，满足了企业各部门之间的通信往来。

4.2 提高现场总线技术的统一性

从我国目前企业的发展过程中不难看出，现场总线技术的应用在一定程度上解决了企业管理的难题，促进了企业的长足发展。但是现阶段使用的现场总线技术差异性比较大，企业使用的现场总线技术标准也各不相同，从而制约了企业的进一步发展。并且在现场总线技术的过程中，其通信协议的标准也是五花八门，从而造成企业各部门之间的沟通不畅，为企业的发展增加了阻碍。所以，未来通信技术在PLC自动化控制系统应用的过程中，要提高现场总线技术的统一性，为企业健康有序的发展保驾护航。

4.3 提高信息纠错能力

对于所有的信息技术而言，其本身所具备的信息纠错能力都是检验该系统运行能力的一个重要方面，有效地鉴别错误信息，也是通信技术所必备的一个技术环节。在数据信息传输的过程中，不可避免地存在着很多的错误信息，如果这些错误信息没有被及时地检验出来，很可能导致系统在运行的过程中出现问题，最终很可能导致工作人员出现工作的失误，进而给企业造成一定的损失。所以，就要求通信系统在运行的过程中要具备强大的信息纠错能力，能够及时地发现错误信息，并能够及时地纠正。目前通信系统中经常使用的纠错方法有很多类型，简单一点的有奇偶检验矩阵、方阵码等，而面对一些比较复杂的情况通常使用的CRC检错。所以，未来通信技术在PLC自动化控制系统应用的过程中，要不断提高通信系统的信息纠错能力，并且无论使用哪种纠错的方法都要保证纠错的效率和质量。

5 应用实例

5.1 基本概况

某冶金企业连铸生产线采用了全新的网络过程控制系统，全新的网络架构包括核心层和汇聚层，部分汇聚层和应用层合二为一。整个网络结构健壮，具备交换机主备冗余、链路结构冗余。其核心网络采用的三层交换机是赫斯曼交换机MAR系列，核心层组网方式采用（OSPF）的路由协议，每两台三层交换机通过（VRRP）实现主备交换机无缝切换。汇聚层选用赫斯曼两层交换机MACR系列，通过（RSTP）＋（L.A.802.3ad）与核心层通讯，汇聚层网基于生成树组成环网，环网采用链路聚合的方式实现。核心层通过划分不同的（VLAN）用于满足不同区域二级系统的需求。

5.2 MCCR核心层网络

5.2.1 MCCR核心层网络设备分布

核心层采用4台赫斯曼三层交换机MAR1040，该设备采用无风扇设计，提供16个千兆以太网组合（COMBO）端口，每个端口包括一个RJ45以太网插槽和SFP插槽。每个RJ45电口提供10/100/1000m/s网速，光纤SFP插槽提供100/1000m/s网速。每个组合端口根据实际使用情况选择一个合适的插槽连接。前面板显示诊断信息，供电范围宽，采用交直流110V～220V，图像化管理界面方便管理。

5.2.2 MCCR核心层网络架构

三层交换机处于七层网络结构的网络层，三层交换机同路由器一样具有路由转发功能。核心层4台交换机启用开放最短路径优先OSPF，是一个内部网关路由协议。以SSY01-A905为例阐述，SSY01-A905使用OSPF，该路由协议便收集该三层交换机的连接状态信息，也就是该设备链路状态信息，同时生成4台交换机的链路状态数据库。这个链路状态信息描述了当前交换机的链路、接口方式、邻居等相关信息。链路状态数据库描述SSY01-A905～SSY01-A908的拓扑结构的描述。SSY01-A905交换机使用（SPF）算法，计算出最短路径，并将计算路径存入SSY01-A905的路由表。如果由于意外SSY01-A905离线，其余3台交换机将通过SPF计算，更新各自的路由表。核心层网络连接如图2所示。

图2 核心层使用OSPF 连接示意图

5.2.3 MCCR核心层网络物理链路冗余功能实现

核心层的4台交换机功能划分SSY01-A905和SSY01-A906一对用于组建MCCR内部通讯网络，内部通讯网络主要包括：MCCR铸机、MCCR隧道炉、MCCR轧机。SSY01-A907和SSY01-A908核心交换机一对用于组建外部通讯网络。外部通讯网络主要包括转炉化验室、三级系统等扩展部分系统。以下以MCCR核心网中外部网络中三级系统为对象进行阐述。SSY01-A907和SSY01-A908的冗余技术通过虚拟路由器（VRRP）技术实现。VRRP实现的方法是将SSY01-A907设为主交换机，将SSY01-A908设为从交换机，对外一致认为两台交换机是一台交换机，通过实际虚拟出来的地址配置就行。每台交换机通过图形化窗口配置，设定每个交换机的接口地址。本例中SSY01-A907接口地址为99.99.99.3，SSY01-A908接口地址为99.99.99.2，VRRP对外虚拟的地址为99.99.99.1。主从切换时通过priority属性值高低来决定谁为主交换机（MASTER），priority属性值默认设定为100，从下文的配置中可以看出SSY01-A907的属性设置为120，为主交换机。主从的切换时还需要有心跳线，设定一个专有的端口进行两个交换机直连，SSY01-A907主交换机选确认后，另一个交换机SSY01-A908作为备份路由器，从交换机并通过主交换机发出的VRRP报文监测主交换机的运行状态。在赫斯曼的交换机内部SSY01-A907交换机VRRP端口配置信息为interface9/8的形式，该端口为虚拟端口，交换机本身不存在这样的物理端口。

5.3 MCCR汇聚层网络

汇聚层的交换机处于数据链路层，不具备路由转发功能。MCCR汇聚层采用多台赫斯曼二层交换机MACR104，该设备采用无风扇设计，提供4个千兆以太网组合（COMBO）端口，20个以太网端口。组合端口中选用SFP插槽可以用于远距离光纤连接隧道炉和铸机汇聚网络，光纤采用单模光纤，SFP模块为单多模复用模块。汇聚层接入核心层和汇聚层的环网间连接采用（RSTP）＋L.A.802.3ad方式。IEEE802.3ad是执行链路聚合的标准方法。可以将多个以太网端口聚集成一个单独的虚拟以太网端口。（L.A.或者LACP），为链路汇聚控制协议，是一种实现链路动态汇聚的协议。通过L.A.802.3ad方式可以实现新的高宽带链路，该链路可实现负载均衡，总带宽叠加、链路备份。MCCR产线每台汇聚交换机通过两个端口进行聚合，避免汇聚环网内部以及汇聚网络接入核心网络出现转发率过低以及丢包现象。RSTP快速生成树协议。在环网中可以实现路径冗余，当网络结构发生改变时，给够快速收敛网络，同时能够避免报文在环网无限增生和无限循环。

总之，文章结合实例，分析了MCCR产线网络架构，核心层组网方式、汇聚层组网方式，并讨论了交换机冗余热备的实现，双链路端口集合的实现。赫斯曼交换机备份还原非常方便，MCCR无头产线的网络稳定性将会大大提高，配置赫斯曼的管理软件HiVision时刻监护网络状态，实现故障出现无缝切换设备不停机，故障出现有报警显示。满足了冶金连铸生产系统，降低了生产故障，确保了生产活动的顺利进行。