摘要：
本文以某大型钢厂的综合污水处理厂为例，介绍以西门子S7-300软冗余系统为主，由罗克韦尔（AB）的智能控制器E3和施耐德变频器组成的DEVICENET网络为辅，配有西门子WinCC计算机监控系统，构成的一个多品牌多种通讯协议共存的自动化控制系统。同时结合在设计和调试中出现的问题，对本自动化系统的难点和重点进行分析和提示。
关键词：
S7-300软冗余 PLC 智能控制器E3 DeviceNet WinCC ModBus-TCP 网关
1. 前言
水处理作为一个新兴的行业，其工艺和自动控制系统随着社会的发展和进步，已经由一种神秘、不可知的事物，变成一种透明的、多方共同参与及影响的优化组合过程。尤其是自动化控制系统，随着自动化知识的普及、各种自动化产品的更新和大力推广、直接用户自动化水平的不断提高，水处理的自动化设计已经由工程公司单方决定和设计，变为由设计院、直接用户和工程公司等多方参与、共同影响的一种优化组合设计的过程。
本项目从招投标开始，在招标文件中就有许多电气自动化的针对性要求：如可编程控制器（PLC）的品牌、马达控制中心（MCC）采用AB的智能控制器E3、现场设备网络采用DeviceNet协议等。在与相关设计院和直接用户的技术协议谈判中，可以得到这样的一个基本原则：在尽量控制成本的前提下，尽可能采用高科技、最先进的、智能化的工艺和产品，提高整个水处理项目的科技含量和先进水平。
2. 工艺流程
本污水处理厂采用的核心技术是国内先进的法国威立雅公司专属的MULTIFLO-300®高效沉淀池和TGV高速滤池工艺技术。工艺流程如下图1所示。
污水的来源是钢厂冷轧、热轧、炼钢、连铸、高炉各区域工业废水和生活污水。污水经过简单预处理后进入MUTIFLO高效沉淀池；高效沉淀池主要去除废水中大部分的油，悬浮物和BOD/COD，暂时硬度和碱度及色度等污染物；沉淀池出水经过简单PH调节进入到TGV滤池进一步去除废水中的污染物以达到出水要求。为提高处理效率，在主流程中加入了污泥回流利用和滤池反洗水回用等工艺。同时根据处理工艺需要，在各处理工艺点中投加不同的化学药剂以提高整个系统的处理能力。
3. 自动化控制系统设计
3.1 PLC配置：
结合业主的相关需求和高性能价格比考虑，本控制系统采用西门子S7-CPU3152DP为主的软冗余配置。配置清单如下表1所示：
说明：
a) 根据工艺划分为三个ProfiBus DP分布式从站：MUTIFLO沉淀池、TGV滤池和加药系统；
b) 从站需采用专用于软冗余系统和带热插拔功能的有源总线导轨和模板（6ES7195）。有源总线模块可以实现双IM153-2双总线网的自动切换，同时还具有带电热插拔而不会造成CPU停机和硬件损坏功能；
c) 每个从站最多可带8个输入/输出模块；
d) 清单中ET200型号为套装产品，其中包含两个IM153-2模块和一块有源总线模板；
e) CP342-5通讯模块专用于软冗余的数据交换；
f) 标准西门子软件不带软冗余功能块，编程时需单独采购软冗余软件包。
3.2 MCC的DEVICENET网络配置：
本系统MCC为双路进电、智能型马达控制中心。通过DeviceNet现场总线将总电源能耗、总进线开关状态、直接启动的马达参数信息、变频器主要信息等参数传输到PLC，用于集中监视和控制。主要原件及功能如下：
a) 总进线开关通过AB的分布式启动器( DSA)模块，将自动/手动、闭合、故障和运程闭合/断开信号以开关量的形式传到总线网络。同时通过DSA实现双路进电切换的远程操作；
b) 电源能耗信号通过AB的POWER3000多功能表,将电源电压、电流、功率等信号传到总线网络;
c) 直接启动回路采用AB的E3智能控制器，将运行、故障诊断和控制信号传到总线网络。E3也称为电子式过载继电器，可以采集多种电机故障信号：如过载、缺相、接地故障、失速、欠载、电流不平衡、脱扣等开关量信号；同时也可以采集三相电流或平均电流等模拟量信号；
d) 变频器采用施耐德的ATV61/71型变频器，同时需另外配置DeviceNet通讯卡。通过通讯卡将变频器内运行、故障、频率、电流和启动控制等信号上传到总线网络。
3.3 上位计算机监控系统：
为了方便用户的监视和管理，本系统同时配有两套上位计算机监视和控制系统，其中一套为具有可编程和管理功能的工程师站，另一套为操作员站。采用西门子的WinCC组态软件，用以太网的方式与PLC连接通讯。
监控系统主要具有以下功能：
a) 带有状态和参数显示的工艺流程图；
b) 主要参数的收集和存档；
c) 模拟量参数的曲线趋势分析；
d) 数据报表及打印；
e) 网络状态及MCC故障信息显示；
f) 电源能量消耗、电压、电流显示；
g) 运行参数的设定和系统及单体设备的控制操作；
h) 操作员及操作权限管理。
3.4 网络配置：
根据以上不同品牌自动化产品的配置，控制网络有两种基本网络：以太网和现场总线网。按功能划分，有三层网络：信息层、控制层和设备层。由于以太网有ModBus-TCP, EtherNet/IP, ProfiNet等不同的具体通讯协议；现场总线有ProfiBus，DeviceNet两种不同总线形式，所以不同产品、不同网络如何实现无缝通讯连接是本控制系统硬件设计的难点。
对于信息层：由于采用西门子的同一厂商的上位软件和PLC硬件，不存在通讯协议问题，只要选用西门子的CP1613的PCI网卡就可实现上位机与PLC的通讯。
对于控制层与设备层的通讯：因为本系统为西门子S7-300系列软冗余配置，在硬件上不支持ProfiBus的二合一的Y型耦合连接，所以不能采用ProfiBus/DeviceNet的转换。只能采用以太网与DeviceNet的转换，同时西门子有ModBus-TCP以太网通讯的成功案例，本项目采用ModBus-TCP与DeviceNet的转换方式；再从主、从关系的考虑，最终选用AnyBus的网关AB7630作为ModBus-TCP从站与DeviceNet主站的网络协议转换。其网络关系如下图2所示：
注：在软冗余配置下，ModBus-TCP与DeviceNet的数据转换需要软件编程来实现。如果采用单CPU或S7-400硬冗余与DeviceNet网络通讯可以采用ProfiBus/DeviceNet形式的数据交换，选用AnyBus的网关AB7663，网关以ProfiBus从站的形式接入ProfiBus网；此时先通过在编程软件STEP7硬件升级中添加网关的硬件信息，网关的数据信息交换不用另外软件编程，通过编程软件中的硬件配置就可得到普通输入/输出地址。
3.5 网络拓朴图：
综合以上所有信息，本污水处理厂的自动控制网络拓朴图如下图3所示：
本系统共有8个以太网端口进行通讯，同时考虑业方全厂数据集中采集的需求，采用赫思曼的MS20模块化工业以太网交换机（2光口+10电口）搭建以太网平台。
4. 编程和调试
4.1 编程调试所需软件：
a) 西门子Step7编程软件V5.4；
b) 西门子软冗余软件包
c) 西门子ModBus-TCP软件包
d) Windos操作系统内的超级终端（用于网关的参数设定）；
e) DeviceNet网络配置软件：罗克韦尔（AB）的Rsnetworx for DeviceNet或者AnyBus的NetTool DeviceNet;
f) 硬件配置信息包(EDS文件): 网关的EDS文件、E3的EDS文件和变频器的EDS文件；
g) 上位机软件：西门子WinCC V6.2, 开发和运行各一套；
4.2 PLC地址分配：
本系统共有四种协议、六层网络的地址需要分配。具体分配如下表2所示：
说明：
a) 从站的ProfiBus地址、MCC网关的IP地址通过设备上的拨码开关来设定，其它地址通过相关软件设定；
b) 主站ProfiBus网络地址与备用ProfiBus网络地址必须对应保持一致，其它网络地址必须保证唯一性；
c) 软冗余软件设定中，MPI地址为冗余连接的CP342-5的MPI地址，不是CPU的MPI地址；
d) PC上CP1613网卡具有网关管理功能，故每PC占有两个IP地址；
4.3 数据通道的建立：
PLC软冗余的数据交换通道、PLC与MCC网关的数据交换通道由编程软件的网络配置软件(NetPro)来完成。
说明：
a) FDL连接：软冗余的数据交换通道，相关设定参为对应CP342-5的参数；
b) TCP连接：PLC与MCC网关的数据交换通道。
c) CPU上两个TCP连接的端口分别为：502、503；网关端口同为：502；
d) 两个CPU上同时建立如上三条通讯通道，TCP连接设定相同。
4.4 上位计算机PLC冗余连接的建立：
在WinCC中对于双PLC的冗余连接：在图形编辑器中，利用动态向导功能完成。
冗余连接建立后，在对应PLC变量连接中会自动生成一组脚本参数。在WinCC的计算机属性的启动菜单中选中全局脚本运行系统，就可实现双PLC数据的自动切换。经运行测试，两个PLC之间的画面数据切换在2~3分钟内完成。
4.5 调试中出现的问题：
a) 单个设备的数据共享长度应不少于实际传输的长度。如MCC网关实际传输数据长度为328个字，网关内共享数据长度设定为512个字。否则会发生数据传输失败而PLC中断运行；
b) 在调试中：如果冗余交换的数据长度和数量发生变化时，PLC程序不能采用覆盖式下载。最好先在线删除PLC内部所有用户程序和功能块，再重新下载所有用户程序和功能块，重新断电启动后就可正常运行。否则某一个PLC会出现故障报警而停机。
c) 编程中的计时器和计数器必须采用带有数据块功能的标准IEC计时器和计数器，否则计时信息不能实现同步功能；
d) 根据软冗余操作说明中冗余数据交换和冗余程序存放在OB35定时中断功能块内，在实际调试中，如果冗余数据大和程序量大的情况下，最好将冗余程序部分放在OB1主循环块内；
e) 在调试中必须通过对CPU的在线监视，注意实际程序的循环周期和最大周期时间限制(看门狗时间)；OB35的中断时间应小于程序最大限制时间。本系统冗余交换数据大约在7000个字，冗余数据交换需要大约1000毫秒，所以OB35中断时间为1000毫秒，最大程序时间为1500毫秒；
f) 与MCC网关的数据交换采用分批、分段、读或写的方式，每批最大可交换125个字。
5. 结束语：
虽然本控制系统从最初方案、到设计、编程和调试，出现了许多偏差和问题，但分别通过与各品牌厂家的深入探讨和研究，其中做了多次测试和实验。通过优化组合设计，整个控制系统最终实现不同协议之间的数据转换和网络通讯。现本控制系统经过调试已投入运行并达到预期效果。
参考文献：
1．Siemens PLC系统软件冗余的说明与实现 SIEMENS A&D CS2004-04-06
2．OPEN MODBUS/TCP manual 2XV9450-1MB00 SIEMENS
3. AnyBus X-Gateway user manual HMS industrial Networks AB
技术支持网站：
1. SIEMENS: http://www.ad.siemens.com.cn/service/
2. AnyBus网关：http://www.anybus.com/support/support.asp?PID=245&ProdType=Anybus%20X-gateway
3. 施耐德：http://www.schneider-electric.com.cn/schneider/softwareIndex.jsp?typeId=|$|$|&PID=0604&ID=06040704&flag=0
4. 罗克韦尔（AB）：http://www.rockwellautomation.com/support/
