基于耙吸式挖泥船網(wǎng)絡(luò)通訊的概述及故障分析

李曉剛 彭冬

摘 ?要：文章詳細(xì)地闡述上航局某自航耙吸式挖泥船PLC的構(gòu)成及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對實際使用中工業(yè)以太網(wǎng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行全面分

析，并提出PLC遠(yuǎn)程維護(hù)的方法。

關(guān)鍵詞：PLC;工業(yè)以太網(wǎng);故障分析;遠(yuǎn)程維護(hù)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0066-03

Abstract： This paper elaborates the PLC composition and network system of the suction hopper dredger， comprehensively analyzes the failures of Industrial Ethernet in actual use， and proposes the PLC remote maintenance method.

Keywords： PLC; Industrial Ethernet; fault analysis; remote maintenance

引言

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊是集計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等為一體的工業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)，能夠廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信更能深入的應(yīng)用于大型自動化耙吸式挖泥船的各個層次，在現(xiàn)場總線、可編程程序控制器、I/O設(shè)備等硬件組件到操作系統(tǒng)、驅(qū)動設(shè)備以及人機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通信等各個層次無處不在。

1 耙吸式挖泥船PLC系統(tǒng)

1.1 PLC控制系統(tǒng)

耙吸式挖泥船PLC控制系統(tǒng)，主要用于船舶的推進(jìn)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、疏浚系統(tǒng)的控制，由AC220V轉(zhuǎn)DC24V電源模塊和船舶應(yīng)急電源DC24V直流電源雙路供電，各設(shè)備PLC控制系統(tǒng)與上端服務(wù)器通過具有冗余功能的光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接，用于船舶疏浚耙管絞車的鋼絲繩測量PLC通過ProfiBus現(xiàn)場總線與PLC3聯(lián)接。系統(tǒng)包含以下分系統(tǒng)：

PLC1：安裝在疏?？刂婆_內(nèi);

PLC2：安裝在艏PLC柜內(nèi);

PLC3：安裝在艉PLC柜內(nèi);

PLC4：MIMIC面板控制系統(tǒng)PLC（安裝在集控室PLC柜內(nèi)）;

PLC5：MIMIC面板控制系統(tǒng)PLC（安裝在集控室PLC柜內(nèi)）;

PLC6：左主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)PLC（安裝在集控室PLC柜內(nèi)）;

PLC7：右主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)PLC（安裝在集控室PLC柜內(nèi)）;

DWPLC1：航行控制臺轉(zhuǎn)移控制PLC（安裝在BRC內(nèi)）;

DWPLC2：應(yīng)急控制PLC系統(tǒng)（安裝在艉PLC柜內(nèi)）;

DWPLC3：鋼絲繩長度測量PLC系統(tǒng)（安裝在艉PLC柜內(nèi)）。

1.2 與PLC相連的主系統(tǒng)

人機(jī)界面HMI;

疏?？刂婆_上的設(shè)備;

航行控制臺上與疏浚相關(guān)的設(shè)備;

左/右主機(jī)（包括了I/O接口或者通過計算機(jī)通訊方式）;

左/右CPP系統(tǒng);

AMS系統(tǒng)（PLC提供硬件接口和網(wǎng)絡(luò)接口與AMS系統(tǒng)連接）;

主配電板PLC（船廠提供）;

液壓控制接口（硬件接口）;

泥泵和高壓沖水泵。

2 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的獨立性、安全性和可靠性，耙吸式挖泥船計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用了上端與下端兩個獨立的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。上端網(wǎng)絡(luò)主要連接潮位遙報儀、DGPS、電羅經(jīng)、雷達(dá)、人機(jī)界面工作站、歷史數(shù)據(jù)分析工作站等設(shè)備，下端網(wǎng)絡(luò)主要連接控制各設(shè)備的PLC，上端網(wǎng)絡(luò)與下端網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)橋接通過性能較高的服務(wù)器來實現(xiàn)。在此網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還延伸了1個管理網(wǎng)絡(luò)和1個辦公網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)提供了船舶管理系統(tǒng)的工作平臺，并與控制系統(tǒng)聯(lián)結(jié);辦公網(wǎng)提供船上辦公自動化功能及與岸上通訊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力?？刂凭W(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)、辦公自動化網(wǎng)絡(luò)通過防火墻進(jìn)行隔離，劃分在不同的網(wǎng)段，在提高船舶管理自動化水平的同時，保障了控制網(wǎng)絡(luò)的安全。（具體見圖1）

以上船舶全網(wǎng)，主干環(huán)形網(wǎng)絡(luò)使用具有冗余功能的光纖連接，分支部分采用屏蔽雙絞網(wǎng)線連接，各光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)速率規(guī)格10/100Mb。

2.2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)

全船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制基于一個數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用開放式的結(jié)構(gòu)，可覆蓋全船的控制系統(tǒng)，并通過OPC服務(wù)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。其采集和控制的系統(tǒng)包括：液壓疏浚系統(tǒng)PLC、疏浚儀器儀表信號、泥泵控制PLC、鋼絲繩測量系統(tǒng)PLC、AMS機(jī)艙報警系統(tǒng)等。通過數(shù)據(jù)的交換和傳輸，采集全船的傳感器數(shù)據(jù)可在上端人機(jī)界面顯示器中顯示，上端的指令可直接對下端的設(shè)備進(jìn)行控制。（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示）

系統(tǒng)配置了3臺服務(wù)器，3臺服務(wù)器均通過兩個以太網(wǎng)接口，橋接上下兩個環(huán)網(wǎng)。3臺服務(wù)器中有兩臺是互為冗余備用的數(shù)據(jù)服務(wù)器，另一臺兼歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。當(dāng)一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器出現(xiàn)故障時，另一臺備用服務(wù)器自動投入，以保證不間斷地向全船的工作站及PLC系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)的采集與分配。在任何一個時刻，只有一臺服務(wù)器向工作站及PLC發(fā)送指令，以保證數(shù)據(jù)的唯一。

相關(guān)工作站發(fā)出的指令，通過網(wǎng)絡(luò)寫入服務(wù)器實時數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)服務(wù)器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再將實時數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容通過接口程序，傳輸給各PLC。系統(tǒng)所有工作站，均通過服務(wù)器獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。每臺工作站均為標(biāo)準(zhǔn)的通用型計算機(jī)，通過不同應(yīng)用軟件的切換以完成不同的工作。

各PLC系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)交換傳輸進(jìn)歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫通過服務(wù)器1將各PLC實時運行數(shù)據(jù)經(jīng)環(huán)網(wǎng)提供給各工作站。需要快速反應(yīng)的現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)，由各自不同的PLC-CPU在底層單獨完成。PLC與PLC之間的協(xié)調(diào)，不經(jīng)由服務(wù)器。系統(tǒng)的安全連鎖功能，不經(jīng)由服務(wù)器和工作站處理，但這些數(shù)據(jù)均能反應(yīng)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并可通過工作站進(jìn)行顯示。

全船在同一個時間周期內(nèi)，實時數(shù)據(jù)庫是唯一的，因而保證了所有工作站和PLC所面對的對象狀態(tài)是唯一的。本系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫刷新周期為0.5秒，實時數(shù)據(jù)庫每刷新一次，就將數(shù)據(jù)存儲于歷史數(shù)據(jù)庫。因此，本系統(tǒng)可通過歷史查詢的方式，查詢歷史操作。

3 兩個故障案列

3.1 PLC6：左主推進(jìn)PLC在船舶正常施工過程中CPU報錯

3.1.1 故障現(xiàn)象

耙吸式挖泥船在定速模式下正常航行，突然間AMS系統(tǒng)出現(xiàn)“左推進(jìn)控制系統(tǒng)主要報警”，PLC6 NFU指示燈閃亮，其余面板指示燈不亮，PLC6的CPU模塊ERR指示紅燈閃亮。SCADA 1服務(wù)器跳轉(zhuǎn)到SCADA 2服務(wù)器。

3.1.2 故障分析

控制系統(tǒng)故障通?？煞譃閮深悾合到y(tǒng)故障和過程故障。系統(tǒng)故障可被PLC操作系統(tǒng)識別并使CPU進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，通常的系統(tǒng)故障有電源故障。硬件模塊故障、掃描時間超時故障、程序報錯故障、通訊故障等。過程故障通常指工業(yè)過程或被控對象發(fā)生的故障，例如傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、信號電纜及連接故障、運動故障、連鎖故障等。

首先確認(rèn)過程故障原因，將CPU復(fù)位后，ERR指示燈消除，做如下檢查工作：

（1）確認(rèn)電源分配模塊及到PLC中每一個模塊電壓為DC24V。

（2）檢查確認(rèn)PLC的模塊是否異常，緊固模塊連接背板的螺絲。

（3）確認(rèn)槳角控制指令到PLC的電壓值，測量后左右主推進(jìn)零槳角指令輸入電壓均為DC4.8V，改變指令，前后側(cè)推輸入電壓改變也相同。確認(rèn)槳角輸入電壓正常。逐一對其他外部傳感器檢查，均無異常。

（4）在確認(rèn)外部輸入、輸出信號后，更換外部通訊電纜及連接，更換RJ45連接接頭。

然后確認(rèn)系統(tǒng)故障的原因，根據(jù)故障現(xiàn)象，在復(fù)位PLC6的CPU后，左推進(jìn)系統(tǒng)可以正常控制，但每隔一段時間，會再次出現(xiàn)PLC6的CPU報錯。PLC6在使用過程中并未出現(xiàn)外部傳感器線路短路現(xiàn)象，且系統(tǒng)的電源及模塊多次確認(rèn)正常。由于船舶資源限制，沒有三菱PLC的DX Developer 軟件，無法檢查程序錯誤，因此將通訊故障作為下一步排查故障原因的重點。

3.1.3 故障排查

在本船的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中設(shè)置了上端和下端兩個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)故障現(xiàn)象PLC6的CPU報錯和SCADA服務(wù)器1死機(jī)，查找底層網(wǎng)絡(luò)故障原因。（具體見圖3）。

檢查底層環(huán)網(wǎng)光纖接線盒及接口，確認(rèn)正常后，利用Primary Setup Tool軟件檢查底層環(huán)網(wǎng)8個交換機(jī)數(shù)據(jù)包接收情況，逐一排查發(fā)現(xiàn)8個交換機(jī)數(shù)據(jù)包均正常。后續(xù)用SCADA1服務(wù)器的上位機(jī)CMD依次ping底層環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的IP地址，發(fā)現(xiàn)當(dāng)與S22交換機(jī)ping時，數(shù)據(jù)包接收時間在5ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他交換機(jī)的數(shù)據(jù)包1ms接收時間（圖4）。

3.1.4 故障解決

確定S22交換機(jī)存在通訊延遲后，更換交換機(jī)硬件，并利用Primary Setup Tool軟件設(shè)定S22交換機(jī)的IP。通過一年多的時間觀察，并未再次出現(xiàn)此故障現(xiàn)象。

3.2 PLC2中CPU的“EXTF”LED燈和DP接口的“BUSF”LED燈

3.2.1 故障現(xiàn)象

上位機(jī)DTPS泥艙艙容顯示不準(zhǔn)，PLC2中CPU模塊“EXTF”LED燈和DP接口“BUSF”LED燈紅色點亮。

3.2.2 故障解決

在PLC2中連接有一個DP從站，該DP從站的作用是采集艙容液位雷達(dá)傳感器的信號。檢查從站采集的液位雷達(dá)信號正常，檢查DP從站的總線電纜正常，將DP從站重新啟動后，PLC2的LED燈恢復(fù)正常，泥艙艙容恢復(fù)正常。

3.2.3 結(jié)論

在這個故障案例中，由于DP的故障，導(dǎo)致主站通訊故障，無法正常顯示艙容。不難發(fā)現(xiàn)，我們可以依據(jù)PLC的CPU指示燈來診斷故障，也可使用專用硬件診斷網(wǎng)絡(luò)故障。特別是使用BT200對PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，判斷故障簡單方便。

4 結(jié)束語

船舶設(shè)備維修資源相對匱乏，船舶設(shè)備運行環(huán)境也較惡劣，網(wǎng)絡(luò)冗余配置提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜上兩個故障案列，我們在解決網(wǎng)絡(luò)通訊故障問題時，可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控軟件，利用船舶F站或衛(wèi)星寬帶通信設(shè)備進(jìn)行外網(wǎng)連接，不間斷地對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)視和診斷，如發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常時可迅速將故障節(jié)點隔離并報警，同時也可通過遠(yuǎn)程故障診斷，及時通知船舶設(shè)備管理人員進(jìn)行故障處理，盡可能縮短設(shè)備故障對船舶安全運營及生產(chǎn)造成不利影響。

隨著工業(yè)全球化分布的趨勢日益增加，在控制器、系統(tǒng)，甚至整個網(wǎng)絡(luò)中，更需要提供靈活、可靠、安全和具有成本優(yōu)勢的訪問方法，使得系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程編程與調(diào)試等功能，從而實現(xiàn)在船舶這種不方便維護(hù)的現(xiàn)場可以遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)并遠(yuǎn)程傳輸可視化數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪駿程.PLC技術(shù)在電氣設(shè)備自動化控制中的應(yīng)用[J].電子制作，2019（02）：82-83.

[2]靳新芳.PLC與上位計算機(jī)通信監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].信息記錄材料，2019，20（02）：93-94.

[3]張毅.Delphi開發(fā)西門子S7-1200/1500 PLC以太網(wǎng)心跳通信組件[J].智能計算機(jī)與應(yīng)用，2019，9（01）：264-266.