西门子S7-400H PLC的几种故障分析及处理方法
可编程控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产领域得到了广泛的使用，西门子公司的PLC产品有SIMATICS7、M7和C7等几大系列，S7系列是传统意义的PLC产品，其中S7-400是用于中高级性能要求的大型PLC，可以扩展300多个模块。S7-300／400可以组成MPI(多点接口)，PROFIBUS网络和工业以太网。
1S7-400的基本结构与特点
1.1基本结构
S7-400采用大模块结构，由机架、电源模块(PS)、中央处理单元(CPU)、数字量输入／输出(DI／DO)模块、模拟量输入／输出(AI／AO)模块、通信处理器(CP)、功能模块(FM)和接口模块(IM)组成。DI／DO模块和AI／AO模块统称为信号模块(SM)。机架用来固定模块、提供模块工作电压，并通过信号总线将不同模块连接在一起。S7-400提供了多种级别的CPU模块和种类齐全的通用功能模块。$7-400采用模块化无风扇设计，性能范围宽广的不同模块可以灵活组合，扩展方便。
1.2特点
S7-400的特点有：
a．运行速度高，存储器容量大；
b．I／O扩展功能强，可以扩展21个机架；
c．极强的通信能力，容易实现分布式结构和冗余控制系统，集成的MPI能建立最多32个站的简单网络，大多数CPU集成由PROFIBUS—DP主站接口，可以用来建立高速的分布式系统；
d．能通过钥匙开关盒口令实现安全保护；
e．诊断功能强，最新的故障和中断时间保存
在FIFO(先入先出)缓冲区。
2S7-400的配置和工作原理
2.1S7-400的配置
S7-400按冗余方式设计，主要器件都是双重的，可以在发生故障时继续使用备用的元器件。S7-400由两个子系统组成，每个系统有一块有容错功能的CPU414-4H，一块PS407电源模块。同步子模块用于连接两个中央处理器，放置在中央处理器内部，并由光缆互连。每个中央处理器上有S7I／O模块，中央控制器也可以有扩展机架或ET200M分布式I／O。
中央功能总是冗余配置的，I／O模块可以是常规配置、切换型配置或冗余配置，具体说明如下：
a．常规单通道单路配置。两个子系统只有一个有一套I／O模块(单通道)，它可以在一个中央控制器中，或者是分布式的I／O站。I／O模块只能被该子系统访问，读出的I／O信息同时提供给两个中央控制器。如果出现故障，属于故障控制器的I／O模块退出运行。
b．单通道切换式配置。单通道切换式配置的I／O模块虽然是单通道设计，但是两个中央控制器都可以通过冗余的PROFIBUS-DP网络访问I／O模块。切换式I／O模块只能在ET-200M远程I／O站中。
c．双通道I／O模块容错冗余配置。系统中有两套相同的容错冗余配置的I／O模块，每一个子系统都可以访问这两套I／O模块。
2.2S7-400H冗余控制PLC的工作原理
S7-400H采用“热备用”模式的自动冗余原理，在发生故障时无扰动的自动切换。无故障时子单元处于运行状态，如果发生故障，正常工作的子单元能独立完成整个过程的控制。为了保证无扰动切换，必须实现中央控制器链路中间的快速、可靠的数据交换。两个控制器必须使用相同的用户程序，自动的接受相同的数据块，过程映像和相同的内部数据，例如定时器、计数器及存储器等。
这样可以确保两个中央控制器同步的更新内容，在任意一个系统有故障时，另一个可以承担全部控制任务。
S7-400H采用“事件驱动同步“，在两个子单元的内部状态不同时，例如在直接I／O访问、中断、报警和修改实时时钟，就会进行同步操作。通过通信功能修改数据，由操作系统自动执行同步功能，不需要用户编程。
S7-400H对中央控制器之间的链接、CPU模块、处理器、ASIC和存储器进行自检。在启动后每个子单元完成执行所有的测试功能。每个周期只执行部分自检功能，以减轻CPU的负担。
3S7-400H冗余故障分析及相应处理
3.1丙烯循环气压缩机控制系统
聚丙烯装置丙烯循环气压缩机(PK301)的控制系统是一套典型的S7-400HPLC，其结构如图1所示。
图1冗余控制系统
由于该PLC系统的一个稳压电源(220VAC.24VDC)故障，在PK301停车检修时对故障电源进行更换。可在稳压电源更换好之后，PLC系统再上电，发现后启动的CPUl状态为STOP，且两CPU上的REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)红灯亮，控制器上其它状态指示灯和故障指示灯正常。判断系统出项冗余故障造成外部故障。
将两个控制器的模式选择开关都扳到STOP位置，然后将先前没有起来的CPUl模式选择开关扳到RUN位置，等RUN绿灯亮，STOP黄灯灭后，再将CPU0模式选择开关扳到RUN位置，RUN绿灯闪烁后灭，STOP黄灯一直亮，故障无法排除。系统下电前有一输入变量被强制，现在FRCE(强制)黄灯亮，将该输入点的强制取消(两CPU)，FRCE黄灯灭后，再次将状态为STOP的CPU0模式选择开关从RUN_STOP—RUN位置依次扳动，CPU0RUN绿灯亮，STOP黄灯灭。这时两CPU都为RUN绿灯亮，REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)灯都灭，故障排除。
故障排除后，又强制了一输出点，然后将热备CPU1模式选择开关从RUN—STOP—RUN位置依次扳动，RUN绿灯闪烁后灭，STOP黄灯一直亮，两CPU上的REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)红灯亮。将强制解除后重复以上动作，CPU1恢复运行状态，热备冗余正常。由此可知，如果S7-400H系统有输入／输出点被强制时，两个子控制系统控制器任意一个或同时状态为STOP，或是系统掉电，均会出现冗余故障，先启动的控制系统会运行正常，而后面的一个则无法启动到运行模式，此时系统不冗余，只有将强制解除后方可排除该故障，系统恢复冗余。
3.2挤压机控制系统
高压聚乙烯装置的挤压机控制系统同样是一套典型的$7-400HPLC。某El巡检时发现系统出现冗余故障，两CPU上的REDF和EXTF红灯亮，IFM2F(同步模块2故障)红灯亮，热备CPUl状态为STOP黄灯亮，CPUl中FM2(同步子模块)LINKOK灯灭，控制器上其它状态指示灯和故障指示灯正常。判断为同步模块2故障造成冗余故障，引起外部故障灯亮。
如图1所示，S7-400H的每个中央处理器都有两个同步子模块，用于连接处理器。将CPUl的FM2和CPU0的FM2对调，结果CPU0的FM2LINKOK灯灭；再将CPU0的FM2和CPU0的FMl对调，4个LINKOK指示灯的状态没有变化，判断出现在CPU0的FMl和FM2是好的；之后将CPUl的FMl和FM2对调，结果CPU0的FMlLINKOK灯灭，至此判断出：现在CPU0的FMl卡是坏的。将其更换后，控制器中故障指示灯灭，4个LINKOK指示灯均为绿色亮，系统恢复正常。
从以上操作过程及相应结果可知，如果同步模块故障，同一组中，LINKOK灯亮的一个是坏的，相反LINKOK灯灭的一个是好的。
3.3S7-400HPLC与HMI的PC机通信
某聚丙烯装置挤压机的控制系统是一套S7-400HPLC，并有HMI(人机界面)座位操作站，其结构如图2所示。
图2PLC系统结构示意图
运行过程中有一个操作站出现故障，经检查发现主机主板损坏。找来新PC机，将原两块西门子网卡装好后，再将原硬盘数据备份到新机中，启动Intellutionifix3．5，下位PLC数据没有传到PC机，PLC和PC机通信不通。打开StationConfigure界面，看到CPl613和CPl613(1)两网卡，双击CPl613后打开西门子网卡编辑画面，双击properties，看到MACaddress，修改此处地址为原MAC地址。如果MAC地址不能更改，则可按照
以下步骤进行操作：
a．将OPCserver状态改为停用；
b．删除两块CPl613网卡；
c．安装SIMATICNET配置文件；
d．逐个增加两块CPl613网卡，并将网卡的MAC地址更改为原地址(80-00-06-01-00-10，80—00-06-014)0-11)；
e．运行OPCservero
4结束语
通过对PLC系统维护工作中碰到的一些故障进行分析，提出了解决方案，并已经成功应用到石化行业的生产当中，为正在使用S7-400PLC企业的同行提供宝贵的经验。
永宏PLC技术交流问答
我刚接触永宏PLC,PLC是FBE-40MC,按永宏资料作了一条编程线通讯不了,不知是何原因?
A: 你按下面方法再做一遍：
D-SUB-15 Male Connector D-SUB-9 Female Connector
(To PLC) (To PC)
RXD TXD
Pin_1 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ Pin_3
TXD RXD
Pin_2 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ Pin_2
RTS CTS
Pin_3－－-Pin_4
SG SG
Pin_6－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－- Pin_5
2Q: 可以通过编程语言软件来编写图控软件来监视永宏PLC吗？
A: 可以；这里可以采用2种办法，一是结合FaconServer。这样节省编写通讯协议部分，会使得图控软件更简便。二就是直接使用编程软件将永宏通讯协议编写进去，即可达到通讯的目的。具体的FaconServer和永宏协议请参考永宏相关资料。
3Q: 我现在要用到06AD，有点问题不清楚。我可不可以在程序中用两种输入虑波时间来读取同一通道的值呀？因为在使用时，该通道的为压力值，该值有的时候要用来控制该压力达到设定值后立即输出一个动作来控制压力。从而避免压力控制不准的现象。因此，此时的压力值最好能读取当前值。当前值不用于显示压力或任何读数。
A: 可以采用时间来控制获取当前值，这样会比较精确
4Q: 听一个朋友说一个用户用永宏必须每个月给开发者交费取得密码,因为密码每个月更改一次,想请教下众为大哥 ,这怎么实现的,是在PLC上位机软件上实现,还是在程序里实现？
A: 软件版本在4.32以上配合PLC的OS版本在4.47以上，程序没有被解成功过！
另外象这种定期需要密码的问题，应该在程序方面做控制，基本控制方式：万年历提供时间时限，再配合程序锁机。大致的理念如此，至于怎么实现，那就要看设计者的功力了！
5Q: Winproladder软件里 7SG*S和7SG*S H有什么区别?
A: 目前PLC联机成功后只显示7SG*S，对于该模块有解码和非解码之分，这是占用的寄存器数量有差别，觉得个数根据是7SG1还是7SG2来确定详情参考使用手册2
6Q: 主机后面的最多扩展32台模块，含通讯模块和扩展板吗？
A: 不含，32台只是指DI/DO以及AI/AO，不含电源和通讯以及电源单元。
7Q: 我通过CM25E的以太网单元 然后在485挂一个2号站的PLC 请问可以透过以太网访问2号站吗？
A: 可以访问，但必须注意挂在RS485网路上的通讯口不能被程序占用。
8Q: 永宏PLC可以直接驱动LED吗？如何使用？
A: 可以，配合FUN79指令，在晶体管型机器上可以直接驱动LED，但LED外围电路必须带译码电路才能正常显示数字。
9Q: MA型机器能否使用拨码开关呢？如何使用？
A: 可以，对于一般性的使用PLC不会做限制，使用拨码开关请使用FUN78:DSW指令实现输入
10Q: CRC16密码产生器如何使用？
A: CRC16产生器是用在系统还原时，原作者为了保证密码的唯一知情权，而产生的一样临时密码。该密码只能使用一次。在还原系统时，会产生一个密码键值，用密码键值和原始密码，在CRC16计算器下面就可以生成一个临时的密码。该密码使用后将会失效。
11Q: CIC识别码是用做哪里？怎么产生的？
A: CIC码称之为客户识别码，即在PLC当中存储有专有客户的资料必须在当前的上位机上产生一个CIC码识别文件，存放到Winproladder的根目录下，才能正确的联机PLC。该CIC识别文件绑定了PC的硬件信息，在一台电脑上产生的识别文件COPY到其他电脑上也是不能使用的。PLC中的识别文件，永宏公司将提供相关文件并提供下载资料，再输送到PLC当中。
12Q: 请问FBS-MA系列PLC能控制步进马达吗？
A: 可以，MAT系列主机提供4点的10K脉冲输出(Y0~Y3)，可以实现2轴的步进电机驱动，但要注意速度不得超过10K（AB相不得超过5K）
13Q: 在标准modbus通讯的时候,怎么访问D数据区和F数据区？
A: D的数据区域在MODBUS中表示的对应关系为：D0~D2998?46001~48999。而F数据区无法通过MODBUS来访问。若要访问F去，可以在程序添加一段，先使用FUN160转用指令将F数据读到R或者D区，然后在透过访问R或者D来获取F的数据。
14Q: 模拟量扩展板和模拟量扩展模块区别在哪？
A: 模拟量扩展板是永宏后期开发的产品，它不占用IR/OR部分，有转用的寄存器控件D4072~D4077。在信号方面只能实现单极性的信号输出，精度相对模拟量模块不较低。扩展方式也不同。输入/输出类型是通过不同的端子来实现，模块则是同个端子而通过条线来变换，同时模块的信号范围广等差别
15Q: FBS-CM5H工作模式中,对称模式和非对称模式有什么不同?
A: 对称模式时4个端口的功能相同，且任一端口接收到的信息均会传送至其它端口；而非对称模式时以端口若悬1为主，其接收到的信息均会传送至其它端口，但端口是心2~4接收的讯息只会传送至端口1。
16Q: 主电源的正负是否可以对调？为什么一些DC电源机器端子处 标“L”“N”符号？
A: 对于AC电源，没有方向之分，电源线是可以对调的，永宏PLC正规的产品AC交流输入的都标有”L”,”N”。而直流24V电压输入时，因为有方向性，所以正负是不能对调的。在正规的产品中DC电源都标有”+”和”-“。配线时要注意极性。若存在直流电，但标有”L””N”,则说明该机器是更换过电源板或者上盖，造成标示不对。请使用时，请注意是否有其他标示，以及注意配线。
17Q: 扩充机较多时，是否只一个主电源供电就够？为什么？
A: 每个电源都有它自己的容量，每个扩展单元都有他的能耗，所以不可能满足所扩展的设备都能使用主机的电源，在能耗不能满足时系统将不能正常的运作，会造成故障，所以在有限的容量主机下，带过多的扩展单元时，必须计算整个系统的能耗，看一个主机的电源是否能满足。若不能满足则必须扩充电源能量，可以采用扩展机或者扩展电源。
18Q: 若与变频器联机，永宏PLC使用什么方法通讯比较简单,同时要注意哪些事项?
A: 永宏PLC支持FATEK标准协议，MODBUS和自由口协议；而一般情况变频器都是自由口协议或者MODBUS协议。就这2种情况，考虑程序便利性就选用MODBUS协议。所以在选择变频器时尽量选择支持MPDBUS协议的变频器，若不行就采用自由口协议来实现。
19Q: 永宏PLC的最小时基能达到多少?
A: 一般定时器的时基有10ms,100ms和1000ms的时间；但永宏PLC还提供0.1MS的高速计时器，这要在MC和MN机型才能使用。这个精度较其他的PLC高出10倍。
20Q: FBS-MCT可以连接什么打印机?
A: 永宏PLC所有机型在扩展PORT1后都能连接打印机打印，配合FUN94指令送出打印。对于打印机端则要求支持ASCII码的打印。这样才免去驱动直接打印。
21Q: 永宏PLC如何进行远程测试?
A: 永宏PLC若想采用远程监控，有2种方案，一种是通过PORT1使用MODEM做远程拨号连线控制。这种情况需要扩展PORT1通讯口，所有机型都可以使用。另外一种方式则是使用以太网来做互联网监控，这个需要扩展以太网口；MA机型可以使用FBS-CBE模板，MC和MN可以使用FBS-CBE或者FBS-CM**E模块
22Q: 永宏PLC FBS-60MA的port2通讯协议为ModBus RTU(Slave)，参数如下：速率9600b/s；偶同位检查；位数8；1位停止位；延时响应时间3ms；传送延时时间2*10ms；接收异常侦测时间5*10ms；永宏PLC用FBS-CB5，电脑用RS485转换器，接线正确。通讯时，红、绿通讯指示灯均正常闪亮，即，PLC有应答信号输出，但电脑报告：“与硬件通讯失败，请确定通讯参数”。延时响应时间、传送延时时间、接收异常侦测时间修改了多次，问题未解决，不知问题出在哪里。
A: 针对上位机透过RS485与PLC联机，您可以先测试一下通讯是否正常，测试方法即为：使用Winprolader直接与PLC连接，正常情况下是能联机编辑程序的，有成功操作过；若正常在改变通讯协议后，重点就是考试上位机的通讯软件这端。请务必保证参数一致，另外就是遵循MDODBUS协议的约定。
23Q: 如何检测输入点的好坏
A: 针对输入点的检测，简单的作法就是将输出点输入到输入点，然后输入点再驱动其他的输出点点亮，这样就可以完整的测试一个输入点的好坏，同时也检测到输出点；针对高速部分，同样也是将固定的脉冲数从输出点输出，接到输入点，检测接受到脉冲与输出的脉冲数是否相等。
24Q: 如果把sink输入方式接成SRCE 输入方式,会不会烧掉PLC??
A: 不会；永宏PLC提供SINK或者SRCE两种输入方式，一时间只能实现一种输入，要么是SINK要么是SRCE，这样不会有共存的时候，所以接法一般不会有冲突。
25Q: 一般变频器通过通讯扩展模块与主机相连，需占用几个输入输出点？
A: 具体的I/O点要看变频器以及系统的输入输入需要，和参数的设定。
26Q: 我想把时间继电器“T0”的设定值(PV=200)传送到暂存器“R110”中，程序该怎么写？这样做的目的是用文本显示器来修改这个设定值。
A: 直接在T指令中指定R110为PV值，可以通过文本来设定R110。
27Q: 一台水性印刷机，正常使用了一段时间后PLC的“RUN”灯不亮停机了，怎么也没法再使用，何解？
A: 1，要是RUN不亮，即熄灭，则存在3种情况，1）是电源损坏；2）是CPU损坏，3）则是电源和CPU皆损坏。造成该原因的主要问题在电源部分出现故障，导致PLC损坏。请返回维修。 2，若是RUN等还在慢闪亮，则硬件部分故障损毁几率就小些，可以重新上电测试一下PLC是否正常运行，建议拆下PLC测试，以免引起乱作动导致机台设备故障；要是上电仍不运行，可以联机看看，程序是否还存在。若无程序，则先灌程序再置RUN，故障一般可以排除。
28Q: 电脑与PLC联机显示无法联机，通讯错误或端口被占用，除了通讯线造成的还有别的原因吗？
A: 针对无法联机，首先要检测通讯线缆的完好，在这基础上，查看通讯参数设定是否一致，若无法确定可以使用自动检知方式获取。再者就是检查通讯口是否被其他软件占用。若故障仍不排除，则可能通讯口损坏。
29Q: FBS-24EYT的扩展模块中，V1+,V1-,V2+,V2-的，他们是如何连接使用的？
A: 该模块分4组输出，V+和V-表示接+24V和-24V。其中-24V也是COM点。在制作连接头务必要注意电源接法和各引线之间是否有短路，以免烧毁PLC。
30Q: 请问下永宏CB525与CM25有啥区别? 我的主机是FBs60MC,模块是CM25的,欲做ModBus控制变频器.数据线接哪两个脚呢?
A: FBS-CB25是通讯扩展板，通过主机上的扩展槽扩展，所以主机都能使用；FBS-CM25则是通讯扩展模块，在主机的左侧扩展；只能在MC和MN主机上使用，另外CB提供一个232一个485分别占用PORT1,2CM25也是提供一个232和一个485，分别占用PORT3,4。
变频器一般是RS485接口，接线如下：
变频器 CM25的RS-485
A－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－D+
B－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－D-
G－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－G
注意使用终端电阻和双绞线。
车间设备的PLC网络群控
前 言
随着国内二次电池企业的成长和国际市场竞争，传统以手工操纵设备、单机半自动设备生产为主的企业轻易出现产品档次效益下滑的局面。为保持业内竞争力，必须改善和稳定生产工艺，提升产品性能更高，以适合国内电池企业规模化生产的要求。电子商务时代里应用计算机网络技术往整合现有的生产、经营、设计、制造、治理，及时地为企业的“三层决策”系统（战术层、战略层、决策层）提供正确而有效的数据信息，以便迅速反应，加强竞争力。而在轻易受人为因素影响品质的工艺环节里开始采用网络自动化设备来实现整体控制。
可编程控制器（PLC）编程灵活又可联网控制，在产业领域里得到了广泛应用。PLC用于现场设备的直接控制，计算机对PLC的编程监控治理，进步了生产效率。应用以太网TCP/IP可完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。企业内网Intranet外延接进Internet，向下联接以过程自动化为主的现场总线（Fieldbus）。现场总线是面向工厂底层以单个分散的、数字化、智能化的丈量和控制设备作为网络节点，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的测控系统。本文以组建车间设备群网络为例，全面阐述了以太网联接控制PLC的实现方法。
2. 生产现状
车间中各机器设备均采用PLC电控，制程顺序如图1所示。
图1 生产工序
3. 外部信息网
通用分组无线业务（GPRS）平台提供高速无线IP或X.25服务，实际带宽大约40～100Kbit/s，包括诸如数据库系统、信息传递、人机界面、实时应用程序等基础服务。异地监控中心主站通过专线方式直接接进中国移动基站。可以使用点对多点连接，也可以由企业本地代理服务器借助ADSL、LAN等公网连接。远程终端站用3G手机、PDA、手提电脑完成人机交互工作，采集数据和判定设备状态是否正常。将车间系统的有关数据通过防火墙发给异地的局域网，使授权用户可以了解厂房生产和设备状况，甚至在办公室对全厂设备进行操纵。使用路由器划分整个厂级的100M甚至1000M的自适应网络，使用交换机连接各个虚拟网段,文件服务器与本部分的cisco2950交换机接口。这样，采用Cisco虚拟专用网VPN技术实施经济安全的企业远程接进,逻辑子网由交换机端口任意组合，没有物理上的相关性，不用路由器就解决了广播报文的访问控制题目。
4. 工厂内Ethernet/IP 控制网
4.1 产业以太网体系
以太网协议可提供办公室通讯以及高水准的自动化操纵，SIMATIC NET产业以太网是基于国际标准IEEE 802.3的载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）开放式网络模组。组网规模最大多达1024站，间隔可达1.5km的电气网络或200km的光纤网络，网络使用TCP/IP协议的计算机传输数据。西门子的通讯处理模块，可以在任何点进行设备启动和故障检查或者构造冗余网络，且答应用户在Socket接口上编制自己的协议。远程访问路由器用于在局域网与广域网间实现远程通讯。本地交换机Carat5008TX型对恶劣产业现场环境有较强的适应能力，它提供冗余网络拓扑自愈恢复功能，支持热备份功能并有过压,过流和雷电保护。由于要将实时在线生产和检测的重要数据上传到网上，供正当用户浏览，因而选用了SQL Server数据库，采用ODBC（Open Database Connectivity）的互联模式。主PLC 通过Profibus网采集现场 PLC 的I / O 的信号，信息交换中心对这些信号经过汇总和分析，判定出全车间各生产线各部分确当前运行状态，并把这些运行状态存进相应数据区并周期刷新。IPC（工控机）工程师站和治理层通过访问，得到车间生产设备当前运行状态信息并可加以调控。
4.2 系统集成
尽管有了高可靠性的产业以太网交换机和冗余的环网，但假如电缆质量不好，同样不能满足要求。Belden有纵向轴粘连线的DataTuff电缆可以确保不会产生过度的传输损耗。根据实际传输间隔、网络传输速度等要求，选配了10BASE-5型粗缆，其最大传输间隔500米 。屏蔽通讯电缆连接PC的RS-232串行端口和PLC的RS-485通讯端口，实现IPC与PLC之间的通讯。产业以太网连接，自顶而下， 上部分为车间级数据部分;下部分为下位机PLC子网部分。整体采用100M快速到桌面的主干以太网，而智能冗余型产业以太网交换机连接厂级网络，分立的机械车间通过Carat5008TX交换机或者网管型SCALANCE X-200接口与办公楼网络的Cisco3660路由器相联。工程师治理站、数据库服务器通过接口端共享资源。系统组成框图与网络布线见图2。
图2 产业Ethernet/IP系统集成
根据设备运作的复杂程度，配置如下： 注液组主控器A选用S7-400系列PLC㈠CPU 为CPU443-2DP;贴胶组主控器B选用S7-200系列PLC㈡CPU 为CPU243-1;卷绕组主控器C选用S7-200 PLC㈢;封口组主控器D选用S7-200 PLC㈣;裁片组主控器E选用S7-400 PLC㈤，CPU 为CPU443。借助EM277模块扩展PROFIBUS智能从站。插进主控PLC中的以太网通讯卡给车间级/厂级联网提供了便利。底层设备通过PROFIBUS-DP 网络将信息通过级联向上一级传送生产状况及运行状态，由上级主控器通过以太网传送给工程师站及治理层网络。系统中配置的TP170 触摸屏作为操纵员站，为各设备设置参数并显示部分运行数据。这样对于B、C、D、E 设备的手动调试仍然可以利用它使用MPI网络协议就近联接各层PLC 来完成。
5. PROFIBUS现场网络
5.1 网络模式
SIEMENS 的PROFIBUS网络支持PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP三种类型。PROFIBUS-DP是一种高速、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通讯，可满足系统快速响应的时间要求。PROFIBUS-DP数据链路层的媒体访问控制部分采用受控访问的令牌总线和主从方式。其中令牌总线中令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或其他主站进行通讯。主从方式的数据链路协议中一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路;主站发出命令，从站给出响应，从站可以连续发送多个帧。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路开释。主从结构的一条DP网可包含一个主站和最多127个从站, 理论传输间隔在不使用中继器的情况下可达到1000米,传输速率从9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可选。网络传输速率达到12Mbit/S 时其传输间隔最长为100米。
5.2 PLC通讯设计
PLC有3种控制模式：就地手动方式、PLC远程手动控制方式、全自动控制方式。前两种方式一般只在设备调试或维修时使用，系统主要以全自动操纵方式为主。在这种方式下，各类设备的开、停，各种工序的切换，都由PLC按照预先编制的程序自动控制。基本丈量参数包括现场的各式气缸、电机、电磁阀、进料出料等开关信号和注液速度、温度等模拟信号，通过组态界面显示、设定、保存关键设备的参数。车间IPC工程师站编程输进时，主体工作就是按程序结构框图实现元件的顺序动作，和进行程序优化。如：初始化和复位;冲突触发的互锁;电机启动延时;维修的手动控制;循环的计数;气缸和步进电机到位信号。
应用编程软件Step7 Micro/Win32完成机器的控制程序的设计工作。该编程软件具有梯形图、语句表和功能逻辑块图3种输进方式相互转化的能力，本课题采取语句表（STL）和梯形图（LAD）在PC机上混合编程的方式，进步了编程效率。 操纵单元通过Profibus接口用S7协议与S7-200和S7-400进行通讯。根据现场控制要求，选择了西门子公司的S7-400系列的PLC和S7-200系列PLC6ES7214-1BD20-0XB0型。S7-200接进产业以太网还要配备上CP243-1或互联网模块CP-243-1 IT，同样S7-400也需配备CP443模块。安装了STEP 7-Micro/WIN之后，计算机上将会有一个标准的浏览器用来访问CP的主页。除了编程软件配备TCP/IP协议，“通讯”对话框中应为每个子网模块指定IP地址。CP243 用于最多8个S7-200 PLC连接PC的数据交换，该模块采用半双工或全双工通讯，使用RJ-45接口，传输速率为 10Mbit/s或100Mbit/s。对CP243-1 CPU进行配置成功后，更换板卡也不用再重新配置。 通过网络可以实现远端编程和监控服务，例如上传、下载程序和监视系统的状态。使用标准S7-OPC接口，加装软件包SOFTNET-S7,计算机的应用程序就能通过网路存取S7-200的数据，这样可以实现数据可视化、存档或作进一步处理，例如使用VB、VC应用程序、WinCC进行处理。
S7-200支持多种通讯协议，各种协议同时运行不会干扰。例如点对点PPI、多点接口MPI和PROFIBUS。协议基于OSI通过一个令牌环网来实现。通讯帧由起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性偶校验组成。主站向网络中从站发出请求，从站只能作出响应。一个网的127个地址最多可定义32个主站，各设备的地址不能重叠。运行 STEP 7-Micro/WIN的计算机的默认地址为0，OP的地址为1， 主PLC的地址为2。上/下位机通讯程序中定义格式如图3示出。F为帧标志字段（8位），A为从站地址字段。控制字段C表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将HDLC帧分为三种类型：信息帧（I）、监控帧（S）和无编号帧（U）。信息帧用于应用数据（Useful Data）的传输并捎带应答;监控帧用于监视链路上的正常操纵，对链路状态做出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）;无编号帧（不含信息字段）用于传输各种元编号命令和响应，例如建立链路模式，开释链路及报告特殊情况等。信息字段由FKW+PZD的应用数据构成，FKW用于读写参数值，如写进控制字或读出状态字等，一般为4Byte长，而PZD用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2～10B长。
图3 上/下位机帧通讯格式
PLC作为一个节点连接在工控网上，方便地实现PLC与IPC的通讯。以下概述一下组态步骤：首先新建一工程，然后依次建立4个中型PLC网络，主控制设备称PLC1、PLC2、PLC3、PLC4，下一步设置设备IP地址，格式为aaa.bbb.ccc.ddd:ppppp:t; aaa.bbb.ccc.ddd为地址，ppppp为端口号（范围256-65535），t为连接超时时间（单位s），都是十进制数。例如PLC1的IP地址为:192.168.1.1,端口号为:1000，连接超时时间3秒。PLC2、PLC3、PLC4控制设备建立和PLC1大同小异。所有PLC、IPC的IP地址、端口号都不能重复。在建立通讯连接的基础上，再进行定义数据变量，设计画面，开发数据库等开发步骤。
5.3 电控构造
企业共计贴胶、裁片、注液、卷绕、封口五个PLC车间接受联网改进，每个车间现场设备最多能容纳127台机次，分布形态为小于6台/分支。但是用PROFIBUS-DP网络方式最多只能直接连接8个S7-200PLC，故而解决办法是将S7-200PLC作为PROFIBUS-DP从站同时又设置成下级网络的控制主站，其余的PLC通过点对点通讯协议PPI网络分别与S7-200连接，通过这个层间的主机完成数据交换。控制过程中通过网络读写指令来实现各级主站到IPC的通讯。S7-200PLC是可以独立编程和完成设备控制的，Prifibus-DP子网将控制信号高速地传送到线上的ET-200，使相应继电器动作。PROFIBUS-DP应用的扩展见图4。
PROFIBUS-DP扩展模块EM277经串行I/O总线连接到S7-200上。 S7-200逻辑连接数4个， 0、1端口分别为编程器和操纵员面板留用。所有主站必须工作在相同的波特率下，可设定传输率为187.5Kbit/s。EM277可当成一个DP主站的从站外， 还能当成MPI从站，与同一网络中的SIMATIC编程器或S7-400 / S7-200 CPU等其它主站进行通讯。
图4 PROFIBUS设备层
S7-400配置分为软件和硬件两部分。软件部分通过STEP7编程软件对CPU414-2DP进行配置。SIMATIC STEP 7 工程软件集成了组态和远端诊断功能。包括配置S7-200通讯子网的速率,子站数目及站地址等。设置完成后,各接进的信号在CPU中的对应地址将会自动天生。硬件配置时将各ET200M的接口模块IM153上的地址拨码开关设置成与软件相同 。
IPC计算机采用的监控软件为PROTOOL/PRO V5.1。通过西门子CP5611网卡以TCP/IP协议联机至产业以太网络，同下位PLC设备群进行数据通讯，包括采集和指令传送。基于Browser/Server框架和Web Client和Terminal Server Client软件，进行远程实时生产过程监控和在线检测设备状态。系统可以实时地监测并分辨当前各生产设备所处的正常、停机、故障等各种状态，并在相应工控机的相应画面上，以不同的符号、图形、闪烁和颜色变化等形式显示出来，以图表或报表的形式打印和分析，帮助实现车间的测、控、管。有故障情况的PLC即刻进进中断服务程序。制作上位机监控程序的方法也有很多种，可用VB，VC等调用MSCOMM控件或利用Windows API函数进行上下位机串口通讯。监控软件能将主站PLC的已存储数据按时间趋势存放在数据文件里供调用、展示给治理职员，以便分析异常和改进工艺。Windows动态数据交换功能还能把数据库的数据传送到Office Excel和Office Access文件，从而实现报表打印和数据查询功能。
采购西门子TP170B（型号6AV6 545-0BB15-2AX0）蓝色触摸屏，使用RS485/RS232接口电缆与PLC连接，安装上SIMATIC ProTool/Lite组态软件。可移动的TP170B 操纵面板可直联到PROFIBUS 网上，调试职员直接在设备边上进行调试。主站为带有网卡的PLC设备,从站是分布式的ET200M和S7-200子站,它们通过标准屏蔽双绞线连接，间隔过长则使用中继器。挂接到Prifibus-DP现场总线的附加设备和子网主站的S7-200之间的通讯是S7协议。当需要查看重要的物理参数时，信号被对应的一次仪表传感器或变送器检测出来并变换为4-20mA电流信号，经过屏蔽电缆送到各个子系统的PLC内，PLC通过各种接口模块采样。控制信号由PLC发出后送到执行机构，控制执行机构的动作。对触摸屏的整个组态工作主要包括“机组启动”、“口令保护”、“系统定义”、“参数设置”、“系统控制”的操纵界面，以及各种操纵按钮、显示画面和功能键等。对重要数值设定实行权限，防止非法操纵。假如要求扩展功能更齐全更可靠，将其置换为产业组态软件。例如：Intouch、Fix、Citech、WinCC、Controx（开物）、Force control（力控）、组态王。工控组态软件的功能包括数据库天生、历史库天生、图形天生、报表天生、顺序控制功能、连续调节功能。系统开发职员只需通过可视化的组态方式，就可完成监控程序设计，降低了监控程序开发的难度。组态软件具有良好的扩展性、兼容性，软件结构开放，可接受各种形式的数据格式，使用变得更简单。
6. 结语
利用现代PLC提供的网络支持功能，构建工控机IPC与PLC的联网控制，解决了整个系统实时集中监控和各种数据在线综合治理的题目，数字化的操纵进步了控制过程的信息化水平。在制造企业装调运行过程中，情况良好，减轻了职员的操纵强度，实现了生产过程的自动控制。实际应用证实该远端网络控制系统具有良好的可操控性和可扩展性，波特率达到设计要求，实时正确性和运行稳定性良好，既降低治理本钱又体现出经济效益的提升。
