[摘 要] 　　OMRON公司在提供了余CLK單元和冗余以太網單元。這些冗余單元的選擇能更好地適應過程控制系統的風險管理需求。以綜合水泵房控制系統為例，講述了OMRON的新一代冗余型PLC系統在發電廠的應用，詳細闡述了基于以太網的FINS通信服務原理和冗余網絡組建方法。 　　水系統是電廠主要輔控系統之一，先進的水系統控制方式以集中監控為主，即在系統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、綜合水泵房系統、廢水處理系統、凝結水處理系統、制氫站控制系統、循環水加藥系統、渣水加藥處理系統等的監控。水系統中的各子控制系統由工業控制計算機和PLC構成，并通過工控組態軟件和過程應用軟件，實現對各系統的閥門、泵、電機及儀表等現場設備的檢測和控制。 　　從系統可靠性出發，水系統網絡拓撲結構一般采用冗余的星型拓撲結構，兩臺網絡中心主交換機與各子系統交換機（二級交換機）用光纖連接，構成100Mbps快速以太網主干。PLC冗余通訊模塊分別連接到兩臺二級交換機上，實現了網絡設備冗余。中心主交換機布置在集中控制室內，各子系統的交換機、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，作為輔控網的人機接口，實現對輔助系統的集中監控。同時通過主交換機與電廠SIS系統相連，為SIS系統提供輔控系統的參數信息，實現控制系統網絡化和工藝過程信息化。 1 綜合水泵房控制系統 　　本文以某電廠水系統中的綜合水泵房控制系統為例介紹一種通信冗余的PLC系統。綜合水泵房系統主要監控綜合水泵房和深井泵房設備的工作狀態。綜合水泵房控制對象包括循環水泵、冷卻塔風機、生活水泵、消防水泵、消防穩壓水泵、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。基于系統通信的可靠性和設備物理位置要求，本系統采用了OMRON公司最新推出的CS1D Duplex System和CLK（Controller Link）光纖冗余環網作為綜合水泵房系統的控制主體。 　　CS1D Duplex System是一個高度可靠的PLC系統。提供雙CPU冗余單元，當運行CPU單元發生故障時，備用CPU單元可繼續工作，防止了系統異常停機。同樣，由于網絡通信單元的冗余，即使網絡中某一線路斷開或某—通信單元故障，通信仍能繼續進行，大大提高了通信的可靠性。網絡通信單元的工作狀態可以通過CPU內存的特殊狀態字檢測。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。一套雙機系統包括兩個CS1D CPU單元、兩個以太網通訊模塊（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）網絡，OMRON的多種機型可以通過它輕易地進行數據交換。CLK網絡支持數據共享和信息服務的數據鏈接功能，可以在需要通信時發送和接收數據。數據共享允許在網絡上不同的節點之間共享預先設定的數據區域，這樣，當地節點發送區域內的數據會被自動發送到目的節點的接收區域，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（CIO、LR、DM等區域），都能夠被人為或系統自動設定成收發區域。信息服務主要通過執行相應的通信程序來控制數據在特定節點之間的傳輸、狀態數據的讀寫、以及操作模式的改變等。CLK網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絡中，其優勢更明顯。 　　控制網絡拓撲結構如圖1所示。該網絡有信啟、層和控制層組成。信息層包括工作站和交換機，采用100M冗余工業以太網，配置了2臺進口工業級光纖交換機設備，工作站配置了2塊100M網卡，組成冗余網絡?？刂茖佑?臺PLC組成，其中CS1D Duplex System系統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個深井泵系統的控制。6臺PLC之間通過CLK光纖冗余環網相連，達到控制系統的要求。 2 基于以太網的FINS通信服務原理 　　FINS（Factory Interface Network Service）是OMRON公司開發的用于FA控制網絡的通信協議系統，FINS通信使用一組專門的地址，它不同于以太網的地址系統，不管目標節點在以太網還是在另外一個FA網絡上，這種尋址方式都提供了一致的通信方法。以太網支持FINS通信，PLC與PLC以及PLC與上位機之間可以通過以太網單元傳輸數據。上位機在程序里可以使用FINS指令，PLC可以通過SEND、RECV、CMND指令來發送FINS命令。以太網單元通過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，通過向以太網單元FINS/UDP或TCP/IP端口發送包含FINS命令的數據報，可以讀寫PLC的內存數據或控制PLC運行。同一網絡的設備之間通過執行SEND、RECV、CMND指令可以收發FINS通信命令。FINS通信也有其它網絡支持，如SYSMACLINK、CLK等，處在互連網絡的不同類型的網絡上的節點可通過網關進行通信。 　　基于以太網的FINS通信服務支持FINS/UDP和FINS/TCP兩種網絡通信方式。FINS通信協議與TCP/IP、UDP/IP協議之間的層次關系見圖2。OMRON以太網基于以太網版本2.0標準，與國際通用的IEEE802.3標準有一定的區別，主要是鏈路層的數據幀格式不同。 　　當網絡單元發送FINS信息時，必須預先定義目的單元的網絡地址、IP地址轉換方式、TCP或UDP端口號，所有這些地址之間的關系，由網絡單元的內部通信表來管理。在網絡單元上電時，內部通信表會動態產生與維護。IP轉換方式有自動生成動態地址表，自動生成靜態地址表，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點的FINS地址和IP地址在接收FINS命令后，都會動態更新。 2.1 FINS/UDP方式： FNS/UDP方式是基于UDP/IP協議的一種FINS通信方法。UDP/IP是一種無連接操作的通信協議，通信節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，FINS/UDP以內嵌方式來封裝數據，由Ethernet Ver2幀、IP幀、UDP幀和FINS幀共同組成FINS/UDP數據包。當UDP包的數據部分（即FINS幀）長度超過1，472字節時，將被分割，分割后的數據包隨后在目的節點的UDP/IP展會自動重構成原始信息。因此，在應用層不必關心數據包分割過程。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。以太網單元進行FINS通信時，所有節點應設置用同一FINS/UDP端口號，否則不能進行通信，在以太網單元中，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，FINS節點和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協議，它是一種面向連接操作的通信協議。信息發送前，必須建立會話鏈接，然后才能以數據分組為單位進行通信。與FINS/UDP方法相比，由于需要進行數據包的確認，所以FINS/TCP數據傳輸更可靠。FINS/TCP幀格式如圖3（b）的TCP packet所示。 　　從圖中可看出，FINS/TCP方法以內嵌方式來封裝數據，由Ethernet Ver2幀、IP幀、TCP幀、FINS/TCP報頭和FINS幀共同組成FINS/TCP數據包。當TCP包的數據部分（即FINS/TCP報頭＋FINS幀）大小超過1024字節時，將被自動分割成合適大小的數據包，這些數據包在目的單元TCP/IP層會自動重構成原始信息。由于TCP/IP協議層不知道數據被分割的位置，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，FINS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。以太網單元進行FINS通信時，所有節點應設置用同一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，源節點和目的節點的FINS節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）客戶端發送連接請求，與服務器端建立TCP/IP協議的鏈接回路。 2）服務器和客戶端交換FINS節點地址。 3）網絡單元更新內部通信表（包括FINS節點地址，IP地址，TCP端口號） 4）FINS通信連接正常，進行數據通信。 對于同時運行的多個應用軟件，FINS節點和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 冗余以太網的建立 　　在CS1D Duplex System中，以太網單元CS1D-ETN21D支持100Base-TX型工業以太網，媒體接入控制采用CSMA/CD技術，傳輸方式采用基帶，網絡層和傳輸層采用TCP/IP或UDP/IP協議，應用層可采用FINS通信協議。finsGateway作為網絡通信的中介軟件，并安裝以太網驅動單元（ETN_UNIT）和兩塊CS1D-ETN21D網絡單元建立冗余以太網絡。在固定的時間間隔內，網絡狀態的特定通信數據段在網絡間被廣播，用來監測冗余網絡的通斷情況和網絡節點的在線和離線狀態。FINS通信服務建立后，當冗余網絡的主網絡出現單元錯誤，斷線，在線更換等情況時，網絡通信立刻切換到備用網絡進行。 3.1 FinsGateWav軟件 　　FinsGateWay是OMRON基于FINS協議的通信軟件，提供32位操作系統卜的FA網絡通信環境，支持多種不同協議的網絡通信。它提供一塊稱之為EventMemory的數據共享內存區域，多種應用能夠訪問這塊內存區域。當內存區域內的存儲數據發生改變時，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區域一樣，可以被網絡上別的設備訪問。它可以作為FINS服務的數據區域，也能作為Controller Link，SYSMAC LINK網絡的數據鏈接區域。 　　FinsGateWay以隊列的形式儲存正在改發的FINS信息，它所包含的程序多數提供了FINS通信服務。能夠解釋和執行來自網絡的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）提供了訪問數據區域的服務，能夠讀寫和處理EventMemory中網絡節點的信息和FINS指令，返回FINS響應。ETN—UNIT單元提供了網絡通信功能，ETN—UNIT作為一個冗余網絡驅動單元，通過它可以設定網絡通信方式，冗余網絡綁定的網卡和在線自動切換，實現與計算機應用軟件的通信。 3.2 冗余以太網的設定 1）組建冗余以太網絡。 2）進行一些基礎設置，（如CS1D-ETN21D的I/O表，節點號，單元號）。 3）在線設定CS1D-ETN21D的通信屬性（IP地址、子網掩碼、FINS/UDP端口號、FINS/TCP端口號、FINS-IP轉換方式、發送網絡狀態監控時間等），給其分配CPU總線通信區域。 4）創建路由表。網絡間的節點交換數據時，對每個節點要建立路由表，包括本地網絡表和中繼網絡表。 5）啟動CPU_UNIT和ETN_UNIT單元。設定冗余網絡通信（設定計算機的網絡號、本地節點地址、通信網絡號、UDP端口號、FINS-IP轉換方式、UDP和TCP節號、雙機單元操作等）。 6）測試冗余網絡通信。 3.3 CS1D-ETN21D單元通信狀態檢測字 使用冗余通信單元，CPU中的CIO區域特定字段被分配給CS1D－ETN21D主單元和熱備單元，可以用來監控單元的通信狀態。狀態字在CIO區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（服務狀態字包括網絡鏈接狀態和網絡單元狀態）字中的0-10位未用，11位定義冗余網絡單元運行情況，ON是主網絡單元在運行，OFF備用網絡單元在運行，12位用來檢測網絡單元是否設置并連接在冗余網絡中。13位設定冗余網絡和單網絡。14位定義了和交換機的鏈接情況。 4 網絡組建過程中注意的一些問題 1）創建冗余網絡，FinsGateway軟件是2003或更高的版本，必須安裝網絡支持單元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）建議給冗余網絡中的計算機節點分配固定IP，如果用戶采用DHCP協議改變了IP地址，網絡切換可能不可靠。 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、灰塵等惡劣環境，以免通信設備不能正常工作。 　 轉自：工業控制計算機