[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(yīng)過(guò)程控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)用，詳細(xì)闡述了基于以太網(wǎng)的FINS通信服務(wù)原理和冗余網(wǎng)絡(luò)組建方法。 　　水系統(tǒng)是電廠主要輔控系統(tǒng)之一，先進(jìn)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(duì)鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、凝結(jié)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(jì)算機(jī)和PLC構(gòu)成，并通過(guò)工控組態(tài)軟件和過(guò)程應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)的閥門(mén)、泵、電機(jī)及儀表等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的檢測(cè)和控制。 　　從系統(tǒng)可靠性出發(fā)，水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用冗余的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)中心主交換機(jī)與各子系統(tǒng)交換機(jī)（二級(jí)交換機(jī)）用光纖連接，構(gòu)成100Mbps快速以太網(wǎng)主干。PLC冗余通訊模塊分別連接到兩臺(tái)二級(jí)交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余。中心主交換機(jī)布置在集中控制室內(nèi)，各子系統(tǒng)的交換機(jī)、PLC柜及遠(yuǎn)程I/O布置在各車間內(nèi)。在集控中心設(shè)置操作員工作站，作為輔控網(wǎng)的人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助系統(tǒng)的集中監(jiān)控。同時(shí)通過(guò)主交換機(jī)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(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和工藝過(guò)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(shè)備的工作狀態(tài)。綜合水泵房控制對(duì)象包括循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、生活水泵、消防水泵、消防穩(wěn)壓水泵、相關(guān)電動(dòng)閥門(mén)等。深井泵房距離綜合水泵房較遠(yuǎn)，而且設(shè)備分散布置。其控制對(duì)象包括深井泵、出口電動(dòng)閥門(mén)等。基于系統(tǒng)通信的可靠性和設(shè)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(gè)高度可靠的PLC系統(tǒng)。提供雙CPU冗余單元，當(dāng)運(yùn)行CPU單元發(fā)生故障時(shí)，備用CPU單元可繼續(xù)工作，防止了系統(tǒng)異常停機(jī)。同樣，由于網(wǎng)絡(luò)通信單元的冗余，即使網(wǎng)絡(luò)中某一線路斷開(kāi)或某—通信單元故障，通信仍能繼續(xù)進(jìn)行，大大提高了通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)通信單元的工作狀態(tài)可以通過(guò)CPU內(nèi)存的特殊狀態(tài)字檢測(cè)。同時(shí)，CS1D提供了各種維護(hù)功能，如在線單元更換和雙機(jī)操作自動(dòng)恢復(fù)。一套雙機(jī)系統(tǒng)包括兩個(gè)CS1D CPU單元、兩個(gè)以太網(wǎng)通訊模塊（可選），兩個(gè)CS1D電源單元和一個(gè)雙機(jī)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(dòng)化）網(wǎng)絡(luò)，OMRON的多種機(jī)型可以通過(guò)它輕易地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CLK網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和信息服務(wù)的數(shù)據(jù)鏈接功能，可以在需要通信時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享允許在網(wǎng)絡(luò)上不同的節(jié)點(diǎn)之間共享預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)區(qū)域，這樣，當(dāng)?shù)毓?jié)點(diǎn)發(fā)送區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)的接收區(qū)域，而不需要用SEND、RECV和CMND等指令編寫(xiě)專用的通信程序。所有的內(nèi)存區(qū)（CIO、LR、DM等區(qū)域），都能夠被人為或系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定成收發(fā)區(qū)域。信息服務(wù)主要通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)的通信程序來(lái)控制數(shù)據(jù)在特定節(jié)點(diǎn)之間的傳輸、狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、以及操作模式的改變等。CLK網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線或光纖，光纖有較強(qiáng)的噪音抑制能力，特別在長(zhǎng)距離和大范圍的網(wǎng)絡(luò)中，其優(yōu)勢(shì)更明顯。 　　控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)有信啟、層和控制層組成。信息層包括工作站和交換機(jī)，采用100M冗余工業(yè)以太網(wǎng)，配置了2臺(tái)進(jìn)口工業(yè)級(jí)光纖交換機(jī)設(shè)備，工作站配置了2塊100M網(wǎng)卡，組成冗余網(wǎng)絡(luò)?？刂茖佑?臺(tái)PLC組成，其中CS1D Duplex System系統(tǒng)完成綜合水泵房?jī)?nèi)所有設(shè)備的控制，5臺(tái)遠(yuǎn)程PLC站采用OMRON CS1G系列PLC分別完成5個(gè)深井泵系統(tǒng)的控制。6臺(tái)PLC之間通過(guò)CLK光纖冗余環(huán)網(wǎng)相連，達(dá)到控制系統(tǒng)的要求。 2 基于以太網(wǎng)的FINS通信服務(wù)原理 　　FINS（Factory Interface Network Service）是OMRON公司開(kāi)發(fā)的用于FA控制網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議系統(tǒng)，F(xiàn)INS通信使用一組專門(mén)的地址，它不同于以太網(wǎng)的地址系統(tǒng)，不管目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在以太網(wǎng)還是在另外一個(gè)FA網(wǎng)絡(luò)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(jī)之間可以通過(guò)以太網(wǎng)單元傳輸數(shù)據(jù)。上位機(jī)在程序里可以使用FINS指令，PLC可以通過(guò)SEND、RECV、CMND指令來(lái)發(fā)送FINS命令。以太網(wǎng)單元通過(guò)UDP/IP或TCP/IP端口提供FINS通信服務(wù)，當(dāng)上位機(jī)與PLC進(jìn)行FINS通信時(shí)，通過(guò)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(bào)，可以讀寫(xiě)PLC的內(nèi)存數(shù)據(jù)或控制PLC運(yùn)行。同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間通過(guò)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(luò)支持，如SYSMACLINK、CLK等，處在互連網(wǎng)絡(luò)的不同類型的網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。 　　基于以太網(wǎng)的FINS通信服務(wù)支持FINS/UDP和FINS/TCP兩種網(wǎng)絡(luò)通信方式。FINS通信協(xié)議與TCP/IP、UDP/IP協(xié)議之間的層次關(guān)系見(jiàn)圖2。OMRON以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)版本2.0標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)際通用的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)有一定的區(qū)別，主要是鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式不同。 　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)送FINS信息時(shí)，必須預(yù)先定義目的單元的網(wǎng)絡(luò)地址、IP地址轉(zhuǎn)換方式、TCP或UDP端口號(hào)，所有這些地址之間的關(guān)系，由網(wǎng)絡(luò)單元的內(nèi)部通信表來(lái)管理。在網(wǎng)絡(luò)單元上電時(shí)，內(nèi)部通信表會(huì)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生與維護(hù)。IP轉(zhuǎn)換方式有自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)地址表，自動(dòng)生成靜態(tài)地址表，IP地址表，復(fù)合地址表四種。無(wú)論用哪種方法，內(nèi)部通信表的目的節(jié)點(diǎn)的FINS地址和IP地址在接收FINS命令后，都會(huì)動(dòng)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(wú)連接操作的通信協(xié)議，通信節(jié)點(diǎn)之間的地位是平等的，與可靠性相比，它更注重時(shí)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(nèi)嵌方式來(lái)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(dāng)UDP包的數(shù)據(jù)部分（即FINS幀）長(zhǎng)度超過(guò)1，472字節(jié)時(shí)，將被分割，分割后的數(shù)據(jù)包隨后在目的節(jié)點(diǎn)的UDP/IP展會(huì)自動(dòng)重構(gòu)成原始信息。因此，在應(yīng)用層不必關(guān)心數(shù)據(jù)包分割過(guò)程。FINS/UDP通過(guò)UDP端口號(hào)來(lái)識(shí)別應(yīng)用層軟件，當(dāng)通過(guò)UDP/IP通信時(shí)，必須分配這個(gè)端口號(hào)。這個(gè)端口號(hào)用來(lái)進(jìn)行FINS通信服務(wù)，設(shè)定值在1024和65535之間，默認(rèn)的端口號(hào)是9600，用戶可以改變端口號(hào)。以太網(wǎng)單元進(jìn)行FINS通信時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置用同一FINS/UDP端口號(hào)，否則不能進(jìn)行通信，在以太網(wǎng)單元中，只要通過(guò)FINS/UDP端口號(hào)接收的UDP/IP幀就被認(rèn)為是FINS幀。 　　對(duì)于同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)通信應(yīng)用軟件，F(xiàn)INS節(jié)點(diǎn)和FINS/UDP端口號(hào)被單獨(dú)分配每個(gè)應(yīng)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(huì)話鏈接，然后才能以數(shù)據(jù)分組為單位進(jìn)行通信。與FINS/UDP方法相比，由于需要進(jìn)行數(shù)據(jù)包的確認(rèn)，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(nèi)嵌方式來(lái)封裝數(shù)據(jù)，由Ethernet Ver2幀、IP幀、TCP幀、FINS/TCP報(bào)頭和FINS幀共同組成FINS/TCP數(shù)據(jù)包。當(dāng)TCP包的數(shù)據(jù)部分（即FINS/TCP報(bào)頭＋FINS幀）大小超過(guò)1024字節(jié)時(shí)，將被自動(dòng)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(huì)自動(dòng)重構(gòu)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(shí)，必須把FINS/TCP報(bào)頭放在FINS幀的開(kāi)始，用來(lái)界定FINS幀，F(xiàn)INS幀的大小被存儲(chǔ)在報(bào)頭中。FINS/TCP通過(guò)TCP端口號(hào)識(shí)別應(yīng)用層軟件，當(dāng)通過(guò)TCP/IP通信時(shí)，必須分配這個(gè)端口號(hào)。這個(gè)端口號(hào)用來(lái)進(jìn)行FINS通信服務(wù)，默認(rèn)的端口號(hào)是9600，用戶可以改變端口號(hào)。以太網(wǎng)單元進(jìn)行FINS通信時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置用同一FINS/TCP端口號(hào)，否則不能進(jìn)行通信。FINS/TCP允許同時(shí)建立16個(gè)FINS/TCP連接。用FINS/TCP通信，鏈路建立后，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的FINS節(jié)點(diǎn)地址會(huì)在內(nèi)部通信表中自動(dòng)注冊(cè)更新。通過(guò)FINS/TCP通信過(guò)程見(jiàn)圖4。 1）客戶端發(fā)送連接請(qǐng)求，與服務(wù)器端建立TCP/IP協(xié)議的鏈接回路。 2）服務(wù)器和客戶端交換FINS節(jié)點(diǎn)地址。 3）網(wǎng)絡(luò)單元更新內(nèi)部通信表（包括FINS節(jié)點(diǎn)地址，IP地址，TCP端口號(hào)） 4）FINS通信連接正常，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 對(duì)于同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)應(yīng)用軟件，F(xiàn)INS節(jié)點(diǎn)和FINS/TCP端口號(hào)被單獨(dú)分配給每個(gè)應(yīng)用軟件，每個(gè)應(yīng)用都會(huì)被定義成一個(gè)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(shù)，傳輸方式采用基帶，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用TCP/IP或UDP/IP協(xié)議，應(yīng)用層可采用FINS通信協(xié)議。finsGateway作為網(wǎng)絡(luò)通信的中介軟件，并安裝以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)單元（ETN_UNIT）和兩塊CS1D-ETN21D網(wǎng)絡(luò)單元建立冗余以太網(wǎng)絡(luò)。在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的特定通信數(shù)據(jù)段在網(wǎng)絡(luò)間被廣播，用來(lái)監(jiān)測(cè)冗余網(wǎng)絡(luò)的通斷情況和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的在線和離線狀態(tài)。FINS通信服務(wù)建立后，當(dāng)冗余網(wǎng)絡(luò)的主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)單元錯(cuò)誤，斷線，在線更換等情況時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信立刻切換到備用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(luò)通信環(huán)境，支持多種不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。它提供一塊稱之為EventMemory的數(shù)據(jù)共享內(nèi)存區(qū)域，多種應(yīng)用能夠訪問(wèn)這塊內(nèi)存區(qū)域。當(dāng)內(nèi)存區(qū)域內(nèi)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，它可以自動(dòng)通知與其連接的不同應(yīng)用。EventMemory如同PLC中的DM或CIO區(qū)域一樣，可以被網(wǎng)絡(luò)上別的設(shè)備訪問(wèn)。它可以作為FINS服務(wù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，也能作為Controller Link，SYSMAC LINK網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈接區(qū)域。 　　FinsGateWay以隊(duì)列的形式儲(chǔ)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(wù)。能夠解釋和執(zhí)行來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的FINS指令，并做出響應(yīng)。在這些程序中，CPU—UNIT單元（單元地址總是0）提供了訪問(wèn)數(shù)據(jù)區(qū)域的服務(wù)，能夠讀寫(xiě)和處理EventMemory中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息和FINS指令，返回FINS響應(yīng)。ETN—UNIT單元提供了網(wǎng)絡(luò)通信功能，ETN—UNIT作為一個(gè)冗余網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)它可以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)通信方式，冗余網(wǎng)絡(luò)綁定的網(wǎng)卡和在線自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的通信。 3.2 冗余以太網(wǎng)的設(shè)定 1）組建冗余以太網(wǎng)絡(luò)。 2）進(jìn)行一些基礎(chǔ)設(shè)置，（如CS1D-ETN21D的I/O表，節(jié)點(diǎn)號(hào)，單元號(hào)）。 3）在線設(shè)定CS1D-ETN21D的通信屬性（IP地址、子網(wǎng)掩碼、FINS/UDP端口號(hào)、FINS/TCP端口號(hào)、FINS-IP轉(zhuǎn)換方式、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控時(shí)間等），給其分配CPU總線通信區(qū)域。 4）創(chuàng)建路由表。網(wǎng)絡(luò)間的節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)要建立路由表，包括本地網(wǎng)絡(luò)表和中繼網(wǎng)絡(luò)表。 5）啟動(dòng)CPU_UNIT和ETN_UNIT單元。設(shè)定冗余網(wǎng)絡(luò)通信（設(shè)定計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)、本地節(jié)點(diǎn)地址、通信網(wǎng)絡(luò)號(hào)、UDP端口號(hào)、FINS-IP轉(zhuǎn)換方式、UDP和TCP節(jié)號(hào)、雙機(jī)單元操作等）。 6）測(cè)試冗余網(wǎng)絡(luò)通信。 3.3 CS1D-ETN21D單元通信狀態(tài)檢測(cè)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(lái)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(jì)算：n＝CIO 1500＋（25×單元號(hào)），每個(gè)字的內(nèi)容如圖（5）所示。 其中第n＋17（服務(wù)狀態(tài)字包括網(wǎng)絡(luò)鏈接狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)單元狀態(tài)）字中的0-10位未用，11位定義冗余網(wǎng)絡(luò)單元運(yùn)行情況，ON是主網(wǎng)絡(luò)單元在運(yùn)行，OFF備用網(wǎng)絡(luò)單元在運(yùn)行，12位用來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)單元是否設(shè)置并連接在冗余網(wǎng)絡(luò)中。13位設(shè)定冗余網(wǎng)絡(luò)和單網(wǎng)絡(luò)。14位定義了和交換機(jī)的鏈接情況。 4 網(wǎng)絡(luò)組建過(guò)程中注意的一些問(wèn)題 1）創(chuàng)建冗余網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)insGateway軟件是2003或更高的版本，必須安裝網(wǎng)絡(luò)支持單元ETN—UNIT。 2）當(dāng)傳輸路由表時(shí)，CPU總線單元要被重新設(shè)定，所以傳輸前，確保設(shè)備運(yùn)行狀況不會(huì)受到影響。 3）建議給冗余網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)分配固定IP，如果用戶采用DHCP協(xié)議改變了IP地址，網(wǎng)絡(luò)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(guò)外設(shè)口或RS-232C口連接CPU單元完成。 5）設(shè)備安裝地點(diǎn)要遠(yuǎn)離噪音、高溫、潮濕、灰塵等惡劣環(huán)境，以免通信設(shè)備不能正常工作。 　 轉(zhuǎn)自：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)