PLC控制系统网络通讯问题的分析

1 系统概况

广州西朗污水处理厂自控系统于2004年投入使用，原系统由13个PLC工作子站和2套冗余服务器（WinCC SERVER）以及4套客户端组成。后因生产需要增加了1套单机版监控主站。13个PLC子站按照工艺流程，分别实现不同阶段的数据监控。PLC2000、PLC4000、PLC4100、PLC6000、PLC8000等5个工作站采用西门子S7-300系列的PLC，PLC5000工作站、1#-3#鼓风机LCP站和MCP站等5个工作站采用AB的SLC5/05系列PLC，1#-3#脱水机控制站采用AB MicroLogic1500系列PLC。

各个PLC站独立运行，采用工业以太网方式进行通讯，工业以太网采用冗余的网络拓扑结构，可靠性高[1]。监控站服务器（WinCC SERVER）通过工业以太网ISO协议与西门子PLC控制站进行网络通讯，完成监控任务；通过TCP/IP协议与AB的PLC工作站进行网络通讯，实现对全厂控制参数的监控。

2 PLC控制系统出现的问题及分析

由于生产需要，近年来西朗污水处理厂在原设计的PLC控制系统中不断增加新的控制单元，而系统的稳定性也随着下降。

2.1 近年来PLC控制系统主要的改造情况介绍

2007年西朗污水厂开展了自控大修，主要内容是对PLC6000工作站进行改造。将该区域所有设备的信号都增加到PLC控制系统，并增加PLC6100监控主站，实现对该区域设备的远程及自动控制。

2008年对回用水系统进行恒压控制改造和增加污泥输送泵的计量装置，并将涉及信号量接入PLC6000工作站。

2010年在改造系统时，增加了厂区各主要设备的运行参数在线监控。包括了25台变频器的运行参数，通过PROFIBUS总线连接到所在区域对应的PLC工作站，并增加WinCC监控画面，完善各新增信号的显示。

在几项工程改造后，西朗污水处理厂PLC控制系统信号量大大增加，DI信号从516个增加到824个，DO信号从108个增加到272个，模拟量信号也增加到了220个。

2.2 PLC控制系统出现的问题

在07年自控系统改造后，各西门子PLC工作站与WinCC的网络通讯的稳定性开始下降，偶尔会出现通讯中断的情况，持续数秒后可自动恢复。随着运行时间的增加和新增控制单元的增加，通讯中断的频率越来越大，中断时间也越来越长，在信号量最大的PLC4000和PLC6000工作站尤为突出。

系统网线通讯的稳定性下降也导致了部分的设备远程启停命令无法发出，污泥输送泵的泥量数据也需要多次发送才能传输到监控主站。

2.3 问题分析

从PLC控制系统问题出现的时间来看，基本上出现的异常情况都是在系统进行改造，增加控制信号量以后出现的。于是可以初步判断系统网络通讯的稳定性下降与多次的系统改造有关。出现以上的异常情况可能是由于CPU或网络通讯模块的通讯能力不足导致。具体分析如下：

西门子PLC工作站出现的问题主要有2个，第一是PLC工作站与WinCC的通讯出现中断，这种情况各个工作站都存在；第二点是部分设备在WinCC画面上远程启停命令无法发出，部分数据发送到服务器出现了重复多次发送情况，这种问题再监控信号数量较多的工作站出现。

1）西门子PLC通讯处理器模块为CP343-1（6GK7343-1EX11-0XE0），其S7通讯最大的连接数量16个[2]。现有系统中，虽然有13套PLC工作站，但是西门子的PLC系统并没有直接跟AB的PLC系统通讯，也就是说实际通讯连接数只有5个，没有达到其限制值，所以可以排除网络通讯模块通讯容量不足导致系统稳定性下降；

2）原系统中西门子PLC工作站采用的控制器为CPU315（6ES7-1AF03-0AB0），其工作存储器容量为48Kb，内置装载存储器容量为80Kb，可进行DP站主站的连接数量为1个，不支持DP从站[2]。原系统采用了2套互为冗余DP主站，后因生产需要又增加1套DP主站，已经超过了CPU的通讯能力。且网络通讯中断现象恶化是在增加了PLC6100监控站后出现的，所以判断网络通讯不稳定现象与CPU选型有关。另外，除此之外，由于CPU的存储量较小，而经过多次的改造，在原有的系统上增加了较多了控制单元和控制量，数据处理量的增加导致网络通讯负荷的加重，影响系统通讯的稳定性[3]。

2.4问题的处理

根据上述故障分析，基本掌握了PLC控制系统不稳定运行的因素。PLC的CPU通讯能力和数据处理能力不足是导致系统出现通讯稳定性下降的主要原因。针对以上分析结果，对PLC控制系统进行了以下的升级改造：

升级PLC的CPU控制器。将西门子PLC工作站的控制器升级为 CPU315-2DP（6ES7 315-2AH14-0AB0）。该CPU的存储量为128Kb，内置DP主站数量1个，可通过CP扩展至4个，支持DP从站最大连接数为16个[4]。这样就大大增加了CPU的存储量和数据通讯能力，满足西朗污水处理厂的通讯要求。

通过以上的系统升级，整个系统的网络通讯得到明显的改善，各监控站与西门子PLC的通讯不再出现通讯中断的现象，设备的远程操作全部实现一步到位，数据传送也没有出现阻滞。

3 结论

通过这次系统升级改造，广州西朗污水厂的PLC控制系统通讯顺畅，提高了系统的稳定性和可靠性。PLC控制系统的处理数据和通讯能力和其选用模块息息相关[5]，这就需要我们在设计和改造系统时充分考虑到系统的数据处理能力，以保证控制系统的稳定运行。

参考文献

[1]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]Siemens AG.S7-300可编程序控制器产品目录，2002.

[3]龚仲华.S7-200/300/400PLC应用技术――提高篇[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4]Siemens AG.S7-300可编程序控制器产品目录，2008.

[5]胡健.西门子S7-300PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.