[摘 要] 　　OMRON公司在提供了余CLK單元和冗余以太網(wǎng)單元。這些冗余單元的選擇能更好地適應過程控制系統(tǒng)的風險管理需求。以綜合水泵房控制系統(tǒng)為例，講述了OMRON的新一代冗余型PLC系統(tǒng)在發(fā)電廠的應用，詳細闡述了基于以太網(wǎng)的FINS通信服務原理和冗余網(wǎng)絡組建方法。 　　水系統(tǒng)是電廠主要輔控系統(tǒng)之一，先進的水系統(tǒng)控制方式以集中監(jiān)控為主，即在系統(tǒng)集中控制室的操作員工作站上完成對鍋爐補給水處理系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、凝結水處理系統(tǒng)、制氫站控制系統(tǒng)、循環(huán)水加藥系統(tǒng)、渣水加藥處理系統(tǒng)等的監(jiān)控。水系統(tǒng)中的各子控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機和PLC構成，并通過工控組態(tài)軟件和過程應用軟件，實現(xiàn)對各系統(tǒng)的閥門、泵、電機及儀表等現(xiàn)場設備的檢測和控制。 　　從系統(tǒng)可靠性出發(fā)，水系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構一般采用冗余的星型拓撲結構，兩臺網(wǎng)絡中心主交換機與各子系統(tǒng)交換機（二級交換機）用光纖連接，構成100Mbps快速以太網(wǎng)主干。PLC冗余通訊模塊分別連接到兩臺二級交換機上，實現(xiàn)了網(wǎng)絡設備冗余。中心主交換機布置在集中控制室內，各子系統(tǒng)的交換機、PLC柜及遠程I/O布置在各車間內。在集控中心設置操作員工作站，作為輔控網(wǎng)的人機接口，實現(xiàn)對輔助系統(tǒng)的集中監(jiān)控。同時通過主交換機與電廠SIS系統(tǒng)相連，為SIS系統(tǒng)提供輔控系統(tǒng)的參數(shù)信息，實現(xiàn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化和工藝過程信息化。 1 綜合水泵房控制系統(tǒng) 　　本文以某電廠水系統(tǒng)中的綜合水泵房控制系統(tǒng)為例介紹一種通信冗余的PLC系統(tǒng)。綜合水泵房系統(tǒng)主要監(jiān)控綜合水泵房和深井泵房設備的工作狀態(tài)。綜合水泵房控制對象包括循環(huán)水泵、冷卻塔風機、生活水泵、消防水泵、消防穩(wěn)壓水泵、相關電動閥門等。深井泵房距離綜合水泵房較遠，而且設備分散布置。其控制對象包括深井泵、出口電動閥門等?；谙到y(tǒng)通信的可靠性和設備物理位置要求，本系統(tǒng)采用了OMRON公司最新推出的CS1D Duplex System和CLK（Controller Link）光纖冗余環(huán)網(wǎng)作為綜合水泵房系統(tǒng)的控制主體。 　　CS1D Duplex System是一個高度可靠的PLC系統(tǒng)。提供雙CPU冗余單元，當運行CPU單元發(fā)生故障時，備用CPU單元可繼續(xù)工作，防止了系統(tǒng)異常停機。同樣，由于網(wǎng)絡通信單元的冗余，即使網(wǎng)絡中某一線路斷開或某—通信單元故障，通信仍能繼續(xù)進行，大大提高了通信的可靠性。網(wǎng)絡通信單元的工作狀態(tài)可以通過CPU內存的特殊狀態(tài)字檢測。同時，CS1D提供了各種維護功能，如在線單元更換和雙機操作自動恢復。一套雙機系統(tǒng)包括兩個CS1D CPU單元、兩個以太網(wǎng)通訊模塊（可選），兩個CS1D電源單元和一個雙機管理單元，所有單元安裝在一塊CS1D底板上。 　　CLK是一種FA（工廠自動化）網(wǎng)絡，OMRON的多種機型可以通過它輕易地進行數(shù)據(jù)交換。CLK網(wǎng)絡支持數(shù)據(jù)共享和信息服務的數(shù)據(jù)鏈接功能，可以在需要通信時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享允許在網(wǎng)絡上不同的節(jié)點之間共享預先設定的數(shù)據(jù)區(qū)域，這樣，當?shù)毓?jié)點發(fā)送區(qū)域內的數(shù)據(jù)會被自動發(fā)送到目的節(jié)點的接收區(qū)域，而不需要用SEND、RECV和CMND等指令編寫專用的通信程序。所有的內存區(qū)（CIO、LR、DM等區(qū)域），都能夠被人為或系統(tǒng)自動設定成收發(fā)區(qū)域。信息服務主要通過執(zhí)行相應的通信程序來控制數(shù)據(jù)在特定節(jié)點之間的傳輸、狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀寫、以及操作模式的改變等。CLK網(wǎng)絡連接介質可以是屏蔽雙絞線或光纖，光纖有較強的噪音抑制能力，特別在長距離和大范圍的網(wǎng)絡中，其優(yōu)勢更明顯。 　　控制網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。該網(wǎng)絡有信啟、層和控制層組成。信息層包括工作站和交換機，采用100M冗余工業(yè)以太網(wǎng)，配置了2臺進口工業(yè)級光纖交換機設備，工作站配置了2塊100M網(wǎng)卡，組成冗余網(wǎng)絡。控制層由6臺PLC組成，其中CS1D Duplex System系統(tǒng)完成綜合水泵房內所有設備的控制，5臺遠程PLC站采用OMRON CS1G系列PLC分別完成5個深井泵系統(tǒng)的控制。6臺PLC之間通過CLK光纖冗余環(huán)網(wǎng)相連，達到控制系統(tǒng)的要求。 2 基于以太網(wǎng)的FINS通信服務原理 　　FINS（Factory Interface Network Service）是OMRON公司開發(fā)的用于FA控制網(wǎng)絡的通信協(xié)議系統(tǒng)，F(xiàn)INS通信使用一組專門的地址，它不同于以太網(wǎng)的地址系統(tǒng)，不管目標節(jié)點在以太網(wǎng)還是在另外一個FA網(wǎng)絡上，這種尋址方式都提供了一致的通信方法。以太網(wǎng)支持FINS通信，PLC與PLC以及PLC與上位機之間可以通過以太網(wǎng)單元傳輸數(shù)據(jù)。上位機在程序里可以使用FINS指令，PLC可以通過SEND、RECV、CMND指令來發(fā)送FINS命令。以太網(wǎng)單元通過UDP/IP或TCP/IP端口提供FINS通信服務，當上位機與PLC進行FINS通信時，通過向以太網(wǎng)單元FINS/UDP或TCP/IP端口發(fā)送包含F(xiàn)INS命令的數(shù)據(jù)報，可以讀寫PLC的內存數(shù)據(jù)或控制PLC運行。同一網(wǎng)絡的設備之間通過執(zhí)行SEND、RECV、CMND指令可以收發(fā)FINS通信命令。FINS通信也有其它網(wǎng)絡支持，如SYSMACLINK、CLK等，處在互連網(wǎng)絡的不同類型的網(wǎng)絡上的節(jié)點可通過網(wǎng)關進行通信。 　　基于以太網(wǎng)的FINS通信服務支持FINS/UDP和FINS/TCP兩種網(wǎng)絡通信方式。FINS通信協(xié)議與TCP/IP、UDP/IP協(xié)議之間的層次關系見圖2。OMRON以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)版本2.0標準，與國際通用的IEEE802.3標準有一定的區(qū)別，主要是鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式不同。 　　當網(wǎng)絡單元發(fā)送FINS信息時，必須預先定義目的單元的網(wǎng)絡地址、IP地址轉換方式、TCP或UDP端口號，所有這些地址之間的關系，由網(wǎng)絡單元的內部通信表來管理。在網(wǎng)絡單元上電時，內部通信表會動態(tài)產(chǎn)生與維護。IP轉換方式有自動生成動態(tài)地址表，自動生成靜態(tài)地址表，IP地址表，復合地址表四種。無論用哪種方法，內部通信表的目的節(jié)點的FINS地址和IP地址在接收FINS命令后，都會動態(tài)更新。 2.1 FINS/UDP方式： FNS/UDP方式是基于UDP/IP協(xié)議的一種FINS通信方法。UDP/IP是一種無連接操作的通信協(xié)議，通信節(jié)點之間的地位是平等的，與可靠性相比，它更注重時效性。FINS/UDP幀格式如圖3（a）的UDP packet所示。 　　從圖中可看出，F(xiàn)INS/UDP以內嵌方式來封裝數(shù)據(jù)，由Ethernet Ver2幀、IP幀、UDP幀和FINS幀共同組成FINS/UDP數(shù)據(jù)包。當UDP包的數(shù)據(jù)部分（即FINS幀）長度超過1，472字節(jié)時，將被分割，分割后的數(shù)據(jù)包隨后在目的節(jié)點的UDP/IP展會自動重構成原始信息。因此，在應用層不必關心數(shù)據(jù)包分割過程。FINS/UDP通過UDP端口號來識別應用層軟件，當通過UDP/IP通信時，必須分配這個端口號。這個端口號用來進行FINS通信服務，設定值在1024和65535之間，默認的端口號是9600，用戶可以改變端口號。以太網(wǎng)單元進行FINS通信時，所有節(jié)點應設置用同一FINS/UDP端口號，否則不能進行通信，在以太網(wǎng)單元中，只要通過FINS/UDP端口號接收的UDP/IP幀就被認為是FINS幀。 　　對于同時運行的多個通信應用軟件，F(xiàn)INS節(jié)點和FINS/UDP端口號被單獨分配每個應用軟件。 2.2 FINS/TCP方式： 　　FINS/TCP方法也是一種FINS通信方法，采用TCP/IP協(xié)議，它是一種面向連接操作的通信協(xié)議。信息發(fā)送前，必須建立會話鏈接，然后才能以數(shù)據(jù)分組為單位進行通信。與FINS/UDP方法相比，由于需要進行數(shù)據(jù)包的確認，所以FINS/TCP數(shù)據(jù)傳輸更可靠。FINS/TCP幀格式如圖3（b）的TCP packet所示。 　　從圖中可看出，F(xiàn)INS/TCP方法以內嵌方式來封裝數(shù)據(jù)，由Ethernet Ver2幀、IP幀、TCP幀、FINS/TCP報頭和FINS幀共同組成FINS/TCP數(shù)據(jù)包。當TCP包的數(shù)據(jù)部分（即FINS/TCP報頭＋FINS幀）大小超過1024字節(jié)時，將被自動分割成合適大小的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包在目的單元TCP/IP層會自動重構成原始信息。由于TCP/IP協(xié)議層不知道數(shù)據(jù)被分割的位置，所以用TCP/TP方法時，必須把FINS/TCP報頭放在FINS幀的開始，用來界定FINS幀，F(xiàn)INS幀的大小被存儲在報頭中。FINS/TCP通過TCP端口號識別應用層軟件，當通過TCP/IP通信時，必須分配這個端口號。這個端口號用來進行FINS通信服務，默認的端口號是9600，用戶可以改變端口號。以太網(wǎng)單元進行FINS通信時，所有節(jié)點應設置用同一FINS/TCP端口號，否則不能進行通信。FINS/TCP允許同時建立16個FINS/TCP連接。用FINS/TCP通信，鏈路建立后，源節(jié)點和目的節(jié)點的FINS節(jié)點地址會在內部通信表中自動注冊更新。通過FINS/TCP通信過程見圖4。 1）客戶端發(fā)送連接請求，與服務器端建立TCP/IP協(xié)議的鏈接回路。 2）服務器和客戶端交換FINS節(jié)點地址。 3）網(wǎng)絡單元更新內部通信表（包括FINS節(jié)點地址，IP地址，TCP端口號） 4）FINS通信連接正常，進行數(shù)據(jù)通信。 對于同時運行的多個應用軟件，F(xiàn)INS節(jié)點和FINS/TCP端口號被單獨分配給每個應用軟件，每個應用都會被定義成一個FINS客戶端。 3 冗余以太網(wǎng)的建立 　　在CS1D Duplex System中，以太網(wǎng)單元CS1D-ETN21D支持100Base-TX型工業(yè)以太網(wǎng)，媒體接入控制采用CSMA/CD技術，傳輸方式采用基帶，網(wǎng)絡層和傳輸層采用TCP/IP或UDP/IP協(xié)議，應用層可采用FINS通信協(xié)議。finsGateway作為網(wǎng)絡通信的中介軟件，并安裝以太網(wǎng)驅動單元（ETN_UNIT）和兩塊CS1D-ETN21D網(wǎng)絡單元建立冗余以太網(wǎng)絡。在固定的時間間隔內，網(wǎng)絡狀態(tài)的特定通信數(shù)據(jù)段在網(wǎng)絡間被廣播，用來監(jiān)測冗余網(wǎng)絡的通斷情況和網(wǎng)絡節(jié)點的在線和離線狀態(tài)。FINS通信服務建立后，當冗余網(wǎng)絡的主網(wǎng)絡出現(xiàn)單元錯誤，斷線，在線更換等情況時，網(wǎng)絡通信立刻切換到備用網(wǎng)絡進行。 3.1 FinsGateWav軟件 　　FinsGateWay是OMRON基于FINS協(xié)議的通信軟件，提供32位操作系統(tǒng)卜的FA網(wǎng)絡通信環(huán)境，支持多種不同協(xié)議的網(wǎng)絡通信。它提供一塊稱之為EventMemory的數(shù)據(jù)共享內存區(qū)域，多種應用能夠訪問這塊內存區(qū)域。當內存區(qū)域內的存儲數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，它可以自動通知與其連接的不同應用。EventMemory如同PLC中的DM或CIO區(qū)域一樣，可以被網(wǎng)絡上別的設備訪問。它可以作為FINS服務的數(shù)據(jù)區(qū)域，也能作為Controller Link，SYSMAC LINK網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈接區(qū)域。 　　FinsGateWay以隊列的形式儲存正在改發(fā)的FINS信息，它所包含的程序多數(shù)提供了FINS通信服務。能夠解釋和執(zhí)行來自網(wǎng)絡的FINS指令，并做出響應。在這些程序中，CPU—UNIT單元（單元地址總是0）提供了訪問數(shù)據(jù)區(qū)域的服務，能夠讀寫和處理EventMemory中網(wǎng)絡節(jié)點的信息和FINS指令，返回FINS響應。ETN—UNIT單元提供了網(wǎng)絡通信功能，ETN—UNIT作為一個冗余網(wǎng)絡驅動單元，通過它可以設定網(wǎng)絡通信方式，冗余網(wǎng)絡綁定的網(wǎng)卡和在線自動切換，實現(xiàn)與計算機應用軟件的通信。 3.2 冗余以太網(wǎng)的設定 1）組建冗余以太網(wǎng)絡。 2）進行一些基礎設置，（如CS1D-ETN21D的I/O表，節(jié)點號，單元號）。 3）在線設定CS1D-ETN21D的通信屬性（IP地址、子網(wǎng)掩碼、FINS/UDP端口號、FINS/TCP端口號、FINS-IP轉換方式、發(fā)送網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控時間等），給其分配CPU總線通信區(qū)域。 4）創(chuàng)建路由表。網(wǎng)絡間的節(jié)點交換數(shù)據(jù)時，對每個節(jié)點要建立路由表，包括本地網(wǎng)絡表和中繼網(wǎng)絡表。 5）啟動CPU_UNIT和ETN_UNIT單元。設定冗余網(wǎng)絡通信（設定計算機的網(wǎng)絡號、本地節(jié)點地址、通信網(wǎng)絡號、UDP端口號、FINS-IP轉換方式、UDP和TCP節(jié)號、雙機單元操作等）。 6）測試冗余網(wǎng)絡通信。 3.3 CS1D-ETN21D單元通信狀態(tài)檢測字 使用冗余通信單元，CPU中的CIO區(qū)域特定字段被分配給CS1D－ETN21D主單元和熱備單元，可以用來監(jiān)控單元的通信狀態(tài)。狀態(tài)字在CIO區(qū)域中的起始地址可用下列公式計算：n＝CIO 1500＋（25×單元號），每個字的內容如圖（5）所示。 其中第n＋17（服務狀態(tài)字包括網(wǎng)絡鏈接狀態(tài)和網(wǎng)絡單元狀態(tài)）字中的0-10位未用，11位定義冗余網(wǎng)絡單元運行情況，ON是主網(wǎng)絡單元在運行，OFF備用網(wǎng)絡單元在運行，12位用來檢測網(wǎng)絡單元是否設置并連接在冗余網(wǎng)絡中。13位設定冗余網(wǎng)絡和單網(wǎng)絡。14位定義了和交換機的鏈接情況。 4 網(wǎng)絡組建過程中注意的一些問題 1）創(chuàng)建冗余網(wǎng)絡，F(xiàn)insGateway軟件是2003或更高的版本，必須安裝網(wǎng)絡支持單元ETN—UNIT。 2）當傳輸路由表時，CPU總線單元要被重新設定，所以傳輸前，確保設備運行狀況不會受到影響。 3）建議給冗余網(wǎng)絡中的計算機節(jié)點分配固定IP，如果用戶采用DHCP協(xié)議改變了IP地址，網(wǎng)絡切換可能不可靠。 4）第一次初始化I/O表和路由表，要用串口電纜通過外設口或RS-232C口連接CPU單元完成。 5）設備安裝地點要遠離噪音、高溫、潮濕、灰塵等惡劣環(huán)境，以免通信設備不能正常工作。 　 轉自：工業(yè)控制計算機