基于Profinet的電氣設(shè)備IRT等實(shí)時(shí)控制研究

梁永新

（廣州晟啟能源設(shè)備有限公司，廣東廣州510445）

1 引言

PROFINET由PROFIBUS國(guó)際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)（IEC61158中的類型10）。PROFINET為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)勘稱完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并且，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS）技術(shù)，節(jié)省投資和時(shí)間。

2 應(yīng)用

PROFINET為能實(shí)現(xiàn)上述功能，主要定義了以下三種的通訊協(xié)定等級(jí)。第一種TCP／IP通訊協(xié)定，是針對(duì)PROFINET CBA及工廠調(diào)試用，其反應(yīng)時(shí)間約為100ms。第二種RT（實(shí)時(shí)）通訊協(xié)定，是針對(duì)PROFINET CBA及PROFINET IO的應(yīng)用，其反應(yīng)時(shí)間小于10ms，用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。第三種IRT（等實(shí)時(shí)）通訊協(xié)定，其反應(yīng)時(shí)間小于1ms，是最高等級(jí)，可用于對(duì)實(shí)時(shí)性有很高要求的場(chǎng)合，諸如重要數(shù)據(jù)的檢測(cè)，某些重要事件的及時(shí)響應(yīng)等。在順序控制系統(tǒng)中，一般的TCP／IP通訊協(xié)定，即可滿足要求，對(duì)實(shí)時(shí)性無(wú)特別要求，但是在某些重要場(chǎng)合，諸如危險(xiǎn)防爆區(qū)域，如果能將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至處理器，并在出現(xiàn)非正常狀況的時(shí)候及時(shí)給予處理，實(shí)時(shí)性就顯得很有必要。另外一種情況，就是現(xiàn)在有些自動(dòng)化設(shè)備，是許多同樣功能的設(shè)備連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)某種功能，然后有一個(gè)主的PLC去控制這些設(shè)備，這些設(shè)備如果是通過(guò)普通的工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行通信，其通信響應(yīng)時(shí)間比較慢，并且響應(yīng)時(shí)間也難以穩(wěn)定，在編程中對(duì)于需要通信來(lái)傳送的指令往往需要進(jìn)行延時(shí)設(shè)置，這增加了程序的冗長(zhǎng)度。組建等實(shí)時(shí)系統(tǒng)。用到如下硬件S7-1513 1PN PLC，ET200SP遠(yuǎn)程IO模塊，接口模塊選用IM155-6？PN？ST，交換機(jī)選用SCALANCE X204 IRT。編程軟件用博圖V15。S7-1513PLC是西門子新推出的1500系列PLC中的一款，功能較為強(qiáng)大。遠(yuǎn)程IO接口模塊選用標(biāo)準(zhǔn)型，標(biāo)準(zhǔn)型以上款才能支持IRT通信。Profinet IRT網(wǎng)絡(luò)最重要的就是保證實(shí)時(shí)性，即時(shí)鐘信號(hào)能準(zhǔn)確定時(shí)、各處時(shí)鐘能達(dá)到一致，為了保證這一特性，西門子Profinet采用了設(shè)置單獨(dú)通道，RT和IRT通道，RT可以認(rèn)為是軟設(shè)置，通訊雙方，按照step7組態(tài)的各自的時(shí)鐘周期內(nèi)，向雙方發(fā)送一次數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，時(shí)鐘周期設(shè)置越短，實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，對(duì)于IRT，可以認(rèn)為是硬設(shè)置，采用了SACI芯片，優(yōu)化堆棧數(shù)據(jù)通訊時(shí)間，并采用了帶寬預(yù)留的方式，也就是在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換期間，只有IRT的數(shù)據(jù)可以傳輸，其他如TCP或IT等數(shù)據(jù)是無(wú)法傳輸?shù)?，由于沒(méi)有數(shù)據(jù)與IRT搶帶寬，于是保證了IRT數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。為保證實(shí)現(xiàn)IRT，需選用IRT交換機(jī)。為減少等待時(shí)間，各IO設(shè)備直接連接到交換機(jī)，即采用星型拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

S7-1500PLC上的PROFINET接口設(shè)置如下

交換機(jī)X-200IRT上的PROFINET接口設(shè)置如下

1號(hào)遠(yuǎn)程IO設(shè)備上的PROFINET接口設(shè)置如下

1號(hào)遠(yuǎn)程IO設(shè)備上的以太網(wǎng)設(shè)置如下

PROFINET IO網(wǎng)絡(luò) 最終生成系統(tǒng)列表如下圖

2號(hào)、3號(hào)遠(yuǎn)程IO的同步功能和1號(hào)遠(yuǎn)程IO同，都設(shè)置為同步從站。2號(hào)、3號(hào)遠(yuǎn)程IO的以太網(wǎng)設(shè)置和1號(hào)遠(yuǎn)程IO的以太網(wǎng)設(shè)置相似，可以用系統(tǒng)自動(dòng)的生成設(shè)置，也可以自行設(shè)置。因?yàn)檫h(yuǎn)程IO在編程上可以直接看成PLC本體的IO，直接利用IO進(jìn)行編程，IRT等實(shí)時(shí)通信也是通過(guò)在軟件上設(shè)好參數(shù)即可，無(wú)需在程序上再做編程，考慮設(shè)備的數(shù)量大小，將看門狗時(shí)間設(shè)置為3ms。

3 結(jié)束語(yǔ)

在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)完成后，為檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的等實(shí)時(shí)性情況，需進(jìn)行試驗(yàn)，采用三種檢測(cè)檢驗(yàn)方法，每種方法都可以有效檢測(cè)。第1種方法。在1分鐘時(shí)間內(nèi)，遠(yuǎn)程IO中一個(gè)Q輸出點(diǎn)每間隔一個(gè)掃描周期輸出一次，用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)置脈沖接收器，通過(guò)計(jì)算1分鐘內(nèi)接收的脈沖個(gè)數(shù)，來(lái)計(jì)算遠(yuǎn)程IO中的數(shù)據(jù)刷新周期，從而確定通信速率和穩(wěn)定性。第2種方法。用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡采集Q點(diǎn)4.3輸出，用Labview軟件記錄儲(chǔ)存并顯示波形圖。通過(guò)記錄在案的方波波形圖，能計(jì)算出通信周期并顯示實(shí)際的通信情況。第3種方法，利用遠(yuǎn)程IO的Q點(diǎn)輸出，將Q點(diǎn)輸出接入PLC本地模塊的高速DI輸入點(diǎn)，通過(guò)在程序的計(jì)數(shù)器指令統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)值，測(cè)試時(shí)的同步性通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。等實(shí)時(shí)通信的等實(shí)時(shí)效果，和PLC的刷新周期密切相關(guān)，通信距離密切相關(guān)，通過(guò)一個(gè)成套設(shè)備級(jí)程序的測(cè)試，在設(shè)備最遠(yuǎn)通信距離不超30米的條件下，在3ms的周期內(nèi)實(shí)時(shí)通信，可以實(shí)現(xiàn)。