物流系統(tǒng)中基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)用研究

施 華，喬 叢，楊 斌，程 雪

（菲尼克斯（中國）投資有限公司，南京 211100）

0 引言

隨著以太網(wǎng)和信息技術(shù)(IT)的高速發(fā)展，IT技術(shù)從原有的辦公管理走向工業(yè)實(shí)時(shí)控制已成為自動化系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢。將信息技術(shù)集成到自動化技術(shù)中，信息層、控制層和設(shè)備層都采用以太網(wǎng)技術(shù)，可以使自動化系統(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)之間的通信接口、各層間的診斷和遠(yuǎn)程服務(wù)功能等變得更方便和完善。但是自動化系統(tǒng)也對網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、安全性、易用性等方面提出更高的要求[1]。

PROFINET作為一種標(biāo)準(zhǔn)的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，不僅滿足了自動化控制的實(shí)時(shí)性通訊要求，同時(shí)為自動化系統(tǒng)提供多元化的解決方案，而且也為基于IT的信息技術(shù)和控制理念在自動化控制提供了高效的技術(shù)平臺。本文以自動化物流系統(tǒng)中應(yīng)用為基礎(chǔ)，介紹了PROFINET技術(shù)在物流系統(tǒng)中的多介質(zhì)、高柔性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基于IT的控制技術(shù)理念，滿足物流系統(tǒng)靜、動不同工位之間的控制切換，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

1 工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)PROFINET

自從上個(gè)世紀(jì)菲尼克斯提出世界第一種現(xiàn)場總線INTERBUS后，現(xiàn)場總線技術(shù)使得自動化控制系統(tǒng)由單一整體的控制模式變?yōu)榉植际娇刂品绞?，更適應(yīng)現(xiàn)場需求。但是隨著大規(guī)模自動系統(tǒng)的控制要求越來越高，并不斷地受到來自于上層生產(chǎn)管理的集成需要（例如EMS， ERP），使得自動化不得不借鑒現(xiàn)有成熟的IT技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)早就廣泛的使用在辦公領(lǐng)域，并成為當(dāng)今世界最普遍的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，但是原有的通訊機(jī)制無法直接滿足自動化控制的需求，因此研究如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)通訊，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)診斷能力等技術(shù)成為當(dāng)今自動化技術(shù)發(fā)展的方向。

以多家著名自動化會員公司（例如西門子、菲尼克斯）為代表的PI國際組織推出了基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的PROFINET協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)廠商以此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)推出了各種自動化產(chǎn)品和解決方案，為當(dāng)前的自動化用戶提供了一個(gè)簡單可靠、完全透明的工業(yè)以太網(wǎng)平臺的解決方案。同時(shí)由于PROFINET能夠全面的支持IT技術(shù)，更好的融入企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，使得信息流、控制流一網(wǎng)到底成為可能。PROFINET的最主要特點(diǎn)如下[2]：

1）數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。以太網(wǎng)主要使用在對數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性要求不高的辦公系統(tǒng)中，由于基于CSDA/CD的通訊技術(shù)使得在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很高的情況下，系統(tǒng)無法確定數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間。PROFINET針對自動化實(shí)時(shí)性的需求，規(guī)定了3種不同的通訊方式，確保數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)、穩(wěn)定和安全，滿足現(xiàn)場設(shè)備的不同實(shí)時(shí)通信要求。

2）多元化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)。利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)很容易組成星型、樹型、環(huán)形等適合現(xiàn)場設(shè)備布局的系統(tǒng)架構(gòu)。同時(shí)基于在WLAN和Bluetooth等無線技術(shù)的PROFINET給用戶帶來全方位的組網(wǎng)優(yōu)勢，更好地適應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)場的要求。

3）全面兼容標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP。PROFINET全面兼容TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，很容易實(shí)現(xiàn)各種的信息技術(shù)，并借助現(xiàn)有成熟的IT軟件和方案，給自動化系統(tǒng)提供更好、更快的方案。

為了滿足自動化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，PROFINET協(xié)議提供了3種不同等級的通信方式，主要特點(diǎn)如下。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通訊

PROFINET協(xié)議仍然保留了TCP/IP和IT協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此同樣具有SMTP，F(xiàn)TP和HTTP等標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層協(xié)議，全面兼容IT的通訊技術(shù)。雖然該通訊方式的響應(yīng)時(shí)間大概在100ms的量級，但是完全能夠滿足工廠級信息流控制的應(yīng)用要求。

1.2 實(shí)時(shí)通訊（RT）

在分布式控制系統(tǒng)中，主控制器與遠(yuǎn)程IO從站之間數(shù)據(jù)交換的響應(yīng)時(shí)間要求十分苛刻，典型的時(shí)間為10ms量級，原有的IT通訊方式無法滿足這么高的實(shí)時(shí)性要求。PROFINET協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)優(yōu)化的，基于二層的實(shí)時(shí)通訊通道。經(jīng)過交換機(jī)的時(shí)候，數(shù)據(jù)無需達(dá)到IP層就直接轉(zhuǎn)出，減少了數(shù)據(jù)在交換機(jī)中的處理時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)傳遞的速度。同時(shí)PROFINET中按照IEEE 802.1Q將這些數(shù)據(jù)包區(qū)分優(yōu)先級，讓交換機(jī)優(yōu)先處理PROFINET數(shù)據(jù)包，更好的滿足設(shè)備層的實(shí)時(shí)性要求。

1.3 同步實(shí)時(shí)通訊（IRT）

運(yùn)動控制在控制系統(tǒng)中，對于實(shí)時(shí)性要求最高，一般對于數(shù)據(jù)傳遞的要求要小于10ms。PROFINET的實(shí)時(shí)同步（IRT）技術(shù)采用高速ASIC芯片處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的循環(huán)同步，在硬件上直接開辟一條完全屬于IRT的通訊通道，即使在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)線路上其他數(shù)據(jù)負(fù)載很大的時(shí)候，也可以確保IRT數(shù)據(jù)通道暢通。在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，其響應(yīng)時(shí)間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs，以此來確保控制信息及時(shí)的響應(yīng)，完全滿足各種的運(yùn)動控制的通訊需求。

圖1 PROFINET實(shí)時(shí)通訊

2 化纖包裝物流線

紡織化纖產(chǎn)品已供過于求，行業(yè)競爭激烈，利潤急劇下降，生產(chǎn)企業(yè)壓力較大，同時(shí)去年人口普查表明，中國的人口紅利開始慢慢消失，而近幾年招工荒的出現(xiàn)對企業(yè)用工是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。企業(yè)面對用工荒的對策是讓生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)代化，降低用工數(shù)/單位產(chǎn)值這一比值。本項(xiàng)目就是這個(gè)背景下，由天圣控股集團(tuán)投資，在濱海工業(yè)園區(qū)打造的化纖全自動包裝物流生產(chǎn)線。

每天完成大約幾千噸的化纖釘?shù)陌b和輸送工作。整個(gè)項(xiàng)目一共由兩個(gè)獨(dú)立的包裝車間組成，每一個(gè)包裝車間都有三條獨(dú)立的包裝線進(jìn)行化纖釘?shù)拇虬洼斔汀Ｔ谌龡l包裝線的末端的導(dǎo)軌上，兩臺小車根據(jù)不同的要求接送打包好的化纖包到制定的運(yùn)輸出口，并由鏟車裝到相應(yīng)的貨車上。

圖2 化纖包裝線工位分布

3 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)采用菲尼克斯的控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)PROFINET架構(gòu)（見圖3）。ILC350PN控制器作為主站，通過PROFINET以太網(wǎng)交換機(jī)連接現(xiàn)場側(cè)的PROFINET遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)，并通過環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)連接到主控制箱中。由于整個(gè)控制系統(tǒng)中有5個(gè)在軌移動小車，因此在小車附近采用支持PROFINET的WLAN無線系統(tǒng)，確?？刂频膶?shí)時(shí)性，彌補(bǔ)了有線系統(tǒng)對于移動設(shè)備的不足，使得系統(tǒng)控制更加安全和快捷。同時(shí)，由于基于PROFINET的WLAN網(wǎng)絡(luò)又能夠全面的兼容標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)，因此可以輕松的接入無線手持設(shè)備，在整個(gè)包裝線上，實(shí)時(shí)查詢和校驗(yàn)各個(gè)工位包裝的信息是否正確。

圖3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

4 編程模塊化

“面對對象”的編程方式已經(jīng)在IT領(lǐng)域十分普遍，利用邏輯思維方法把日常生活匯中的問題進(jìn)行抽象、歸納，然后分類、聚合，再進(jìn)行繼承和封裝，最后建立能夠解決相同類型問題的軟件模型。然而在自動化控制領(lǐng)域，原有軟件的架構(gòu)和特點(diǎn)仍然是注重邏輯和順序運(yùn)算。菲尼克斯ILC350PN可編程邏輯控制器作為控制核心，是一款高性價(jià)比的新型PLC，滿足復(fù)雜設(shè)備制造商和中小型項(xiàng)目的要求，提供各種自動化功能的最佳技術(shù)和高效、靈活、經(jīng)濟(jì)性的解決方案。ILC350PN是基于高性能的開發(fā)軟件PCWORX，因此使得對象模塊化編程成為可能。

PCWORX中文版的編程軟件[3]，提供了標(biāo)準(zhǔn)的5種IEC編程語言（IEC 61131-3）。包括功能塊圖FBD、梯形圖 (LD) 語言、指令列表 IL、結(jié)構(gòu)化文本ST和序列控制 SFC。這些所有的語言可以在同一個(gè)應(yīng)用程序中混合使用。其中ST、FDB和LD的混合編程，能夠使程序更加靈活，大大縮短開發(fā)時(shí)間。

在該打包物流系統(tǒng)中，最主要的就是物流輸送過程。每一個(gè)工位的基本功能之一就是對于化纖包進(jìn)行輸送，現(xiàn)在對最基本的三工位物流輸送實(shí)現(xiàn)模塊化處理。任取系統(tǒng)中的三個(gè)環(huán)節(jié)工位。示意圖如圖4所示。

圖4 三工位物流輸送示意圖

在這三個(gè)工位上都有馬達(dá)控制，對馬達(dá)進(jìn)行對象化處理，提取馬達(dá)控制的共同屬性，建立馬達(dá)FB塊。而物流傳遞過程中，三工位的傳遞方式都一樣，可以分解為接貨過程和送貨過程。對于沒有實(shí)體對象，但是具有相同功能的自動傳遞控制邏輯，也利用對象進(jìn)行實(shí)例化，完成自動控制的FB塊。針對這三個(gè)工位建立三個(gè)不同的程序?qū)嵗齺韺?yīng)不同的工位，每一個(gè)程序?qū)嵗梢暈榫唧w一一對應(yīng)的現(xiàn)場工位。在該程序?qū)嵗校民R達(dá)對象FB生成現(xiàn)場具體的馬達(dá)實(shí)例對象，利用自動控制FB塊事先前后兩個(gè)工位的控制信息傳遞，這就完成了整個(gè)工位的程序化操作。然后使用全局變量進(jìn)行各個(gè)工位之間接口信號的傳遞，達(dá)到“可見即可得”的控制方式。

5 現(xiàn)場調(diào)試

基于PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的控制架構(gòu)，不僅能夠滿足現(xiàn)場實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)菲尼克斯的控制系統(tǒng)提供全面的網(wǎng)絡(luò)診斷信息功能，使得現(xiàn)場幾十個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)的通訊狀態(tài)一目了然。由于采用分布式控制和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最大程度的提高的網(wǎng)絡(luò)的可靠性和硬件的穩(wěn)定性。

圖5 軟件控制架構(gòu)

對于軟件方面，利用對象模塊編程，不僅整個(gè)系統(tǒng)描述十分清晰，程序工作人員能以最快的方式找到系統(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也給程序調(diào)試帶來極大方便。一旦某一工位出錯(cuò)，在程序中打開相應(yīng)的對象工位，尋找功能模塊。在監(jiān)控畫面中能讀出整個(gè)工位對象狀態(tài)，找到出錯(cuò)的地方或不滿足的條件，大大縮短了程序員調(diào)試查錯(cuò)的時(shí)間。

由于整個(gè)控制系統(tǒng)中外加了基于PROFINET無線AP的功能，實(shí)現(xiàn)了對移動小車的無線化控制，不僅減少了硬接線的工作量，同時(shí)也為編程調(diào)試和現(xiàn)場維護(hù)提供了無線接入功能，調(diào)試人員可以拿著具有無限網(wǎng)卡功能的PC在現(xiàn)場隨意走動調(diào)試，為調(diào)試帶來了極大的方便。同時(shí)PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)全面兼容標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此可以快速、方便的接入手持信息采集設(shè)備，隨時(shí)讀取物流線上的產(chǎn)品，跟控制系統(tǒng)信息流數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和校驗(yàn)，確保產(chǎn)品信息的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

PROFINE系統(tǒng)的開發(fā)和發(fā)展為自動化系統(tǒng)提供了完善的技術(shù)平臺，利用特有的通訊方式，不僅具有現(xiàn)場總線的實(shí)時(shí)性控制要求，同時(shí)多元化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳輸介質(zhì)，使得系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)更易實(shí)現(xiàn)。基于PROFINET網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物流自動化系統(tǒng)，不僅確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠，而且通過無線和有線傳輸方式地轉(zhuǎn)換，能夠完美得滿足物流系統(tǒng)中各種工況的柔性控制需求。同時(shí)PROFINET兼容標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP，利用IT技術(shù)彌補(bǔ)企業(yè)管理系統(tǒng)無法直接采集和跟蹤現(xiàn)場制造數(shù)據(jù)的瓶頸，能夠?yàn)樯蠈庸芾硐到y(tǒng)提供全透明的數(shù)據(jù)信息，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

[1] 劉丹.基于以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展歷史.2012.

[2] 陳海東.PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)簡介.工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線.2004.32-34

[3] PCWORX快速入門手冊(英文版).