基于PROFINET協(xié)議的發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王立之 葉坤 楊坤明

摘要：基于工業(yè)以太網(wǎng)的多種通信協(xié)議已成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流協(xié)議，它們對(duì)智能工廠和工業(yè)互聯(lián)的發(fā)展有巨大的促進(jìn)作用，PROFINET是其中一種被廣泛使用的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種基于PROFINET協(xié)議的控制系統(tǒng)，將它應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)打刻項(xiàng)目中，并得出項(xiàng)目驗(yàn)收結(jié)論：該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、一致性好、精度高，可支持遠(yuǎn)程調(diào)試和故障診斷功能。

關(guān)鍵詞：PROFINET;PLC;工業(yè)以太網(wǎng);TCP/IP;通信協(xié)議;工業(yè)互聯(lián)

0? ? 引言

近些年，工業(yè)互聯(lián)和智能制造已成為全世界的熱門話題，很多工業(yè)強(qiáng)國(guó)和世界組織都在共同推動(dòng)其向前發(fā)展。前幾年，德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”，美國(guó)提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國(guó)也提出了“工業(yè)制造2025”[1]，這些都表明工業(yè)制造和控制領(lǐng)域還有很多瓶頸有待突破。

伴隨著微電子、芯片、計(jì)算機(jī)、通信、智能控制、網(wǎng)絡(luò)、5G通信等技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域取得了飛躍式發(fā)展，很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、儀器儀表、控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)不但可以在車間內(nèi)部實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，還可以現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與工廠網(wǎng)絡(luò)中的制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）和企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換?；诠I(yè)以太網(wǎng)，多種通信協(xié)議被提出以實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，其中尤以PROFINET應(yīng)用最為廣泛。一些科技文獻(xiàn)也專注于PLC在工業(yè)中的應(yīng)用研究[2]。

本文介紹了一種基于PROFINET通信協(xié)議設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)，通過PROFINET通信協(xié)議將西門子PLC與工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、打刻系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等進(jìn)行互聯(lián)互通，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互和數(shù)據(jù)交換。

1? ? PROFINET簡(jiǎn)介

PROFINET是由PROFIBUS國(guó)際組織（PROFIBUS & PROFINET International，PI）基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)推出的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。以德國(guó)西門子為代表的很多跨國(guó)大型自動(dòng)化公司紛紛提出基于PROFINET自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)核心的整體解決方案，它們包含了實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制、分布式計(jì)算控制、故障警報(bào)、分層網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)安全以及跨通信協(xié)議等自動(dòng)化領(lǐng)域的相關(guān)主題。PROFINET具有向前兼容性，完全兼容以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議和PI之前提出的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS。

基于實(shí)時(shí)性和不同通信機(jī)能的考慮，PROFINET給出了以下3種不同的子通信協(xié)議分類：

（1）TCP/IP協(xié)議，可以通過以太網(wǎng)與多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，主要針對(duì)PROFINET CBA（Component Based Automation）、因特網(wǎng)及工廠網(wǎng)路調(diào)試應(yīng)用，其網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間約為100 ms。

（2）RT（Real-Time，實(shí)時(shí)）通信協(xié)議，主要是針對(duì)PROFINET CBA和PROFINET IO的應(yīng)用，如PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器等，其網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間小于10 ms。

（3）IRT（Isochronous Real-Time，等時(shí)實(shí)時(shí)）通信協(xié)議，主要是針對(duì)PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間小于1 ms。

從開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（Open System Internetwork/

Reference Model，OSI/RM）來(lái)看，上述PROFINET子通信協(xié)議分類差異如圖1所示。

2? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)

在機(jī)動(dòng)車輛上，車輛識(shí)別代碼和發(fā)動(dòng)機(jī)代碼是最重要的兩個(gè)代碼，用于車輛的身份識(shí)別和信息追溯。很多跨國(guó)車輛企業(yè)為了提高車輛的安全保險(xiǎn)等級(jí)和信息可追溯性，提出在發(fā)動(dòng)機(jī)上打刻車輛識(shí)別代碼信息。這些代碼信息都是由ERP經(jīng)MES系統(tǒng)下發(fā)給發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)，該打刻系統(tǒng)一般都被設(shè)計(jì)在整車企業(yè)的總裝車間。發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)通常由控制系統(tǒng)、人機(jī)界面HMI、打刻系統(tǒng)、輸入/輸出設(shè)備等組成。

3? ? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

基于某整車企業(yè)需求，本文提出一種基于PROFINET協(xié)議設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)，其主要由控制系統(tǒng)、人機(jī)界面HMI、工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、打刻系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通信模塊等組成。

控制系統(tǒng)使用西門子PLC 317F型號(hào)，它是安全型PLC，安全設(shè)備主要有安全門鎖、安全光柵、急停系統(tǒng)、與其他設(shè)備安全互鎖系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)使用康耐視智能相機(jī)系統(tǒng)，用于讀取發(fā)動(dòng)機(jī)條碼信息、獲取打刻位置、識(shí)別打刻字符。測(cè)距系統(tǒng)使用基恩士高精度激光測(cè)距系統(tǒng)，用于獲取到位停止后發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于機(jī)器人的偏移值，它與視覺定位共同組成三維空間，分別獲取相應(yīng)三維空間中三個(gè)不同維度的偏移值。工業(yè)機(jī)器人使用ABB工業(yè)機(jī)器人，將智能相機(jī)、測(cè)距傳感器、打刻設(shè)備都安裝在機(jī)器人移動(dòng)手臂的末端，通過機(jī)器人移動(dòng)實(shí)現(xiàn)讀碼、定位、測(cè)距、識(shí)別字符、測(cè)試打刻、打刻等功能動(dòng)作。

3.2? ? 控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)共有3個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)。其中，核心網(wǎng)絡(luò)為發(fā)動(dòng)機(jī)打刻控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使用PROFINET協(xié)議通過交換機(jī)相互連接通信，它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)打刻控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備，如發(fā)動(dòng)機(jī)輸送系統(tǒng)、總裝車間的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過西門子的CP343通信模塊進(jìn)行通信;與ERP和MES通過PN-PN耦合器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。

在這個(gè)PROFINET網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用了3種子協(xié)議：（1）PLC與打標(biāo)機(jī)使用了TCP/IP協(xié)議;（2）PLC與HMI、遠(yuǎn)程IO模塊（圖2中的IO device 1和IO device 2）、視覺相機(jī)（圖2中的InSight）和激光測(cè)距系統(tǒng)（圖2中的dl-pn1）使用了RT協(xié)議;（3）PLC與機(jī)器人使用了IRT協(xié)議。

3.3? ? 控制流程及程序設(shè)計(jì)

3.3.1? ? PLC和HMI程序設(shè)計(jì)

PLC和HMI程序使用西門子博圖（TIA Portal）軟件V15版本設(shè)計(jì)，主要分為硬件組態(tài)和程序編寫。硬件組態(tài)主要有電源模塊、CPU模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊、安全輸入/輸出模塊、遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊等。

PLC作為主控設(shè)備，既負(fù)責(zé)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)的主流程控制，也負(fù)責(zé)與系統(tǒng)中其他設(shè)備動(dòng)作邏輯的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)的交換。PLC程序設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：主程序、安全控制程序、視覺程序、測(cè)距程序、機(jī)器人邏輯控制及數(shù)據(jù)交互程序、輸送系統(tǒng)交互程序、MES交互程序、打刻機(jī)交互程序、報(bào)警程序、初始化程序、復(fù)位程序等。其中，安全控制程序尤為重要，主要負(fù)責(zé)處理安全門鎖、安全光柵、急停系統(tǒng)的程序，所有的安全輸入信號(hào)都采用雙通道信號(hào)，其安全等級(jí)比普通安全繼電器系統(tǒng)還高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

與機(jī)器人交互的程序采用GRAPH編程形式，這樣的控制流程直觀明了，便于編程和調(diào)試，在查找和分析問題時(shí)也十分便捷。

3.3.2? ? 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人程序通過ABB RobotStudio軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以通過它編輯各種數(shù)據(jù)變量和通信變量，如移動(dòng)點(diǎn)位、工件坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、IO變量、PROFINET通信變量等。

機(jī)器人主程序的控制流程采用多重校驗(yàn)的循環(huán)形式，其控制流程圖如圖3所示。

3.3.3? ? 視覺程序設(shè)計(jì)

視覺程序根據(jù)電子表格編程形式，主要分為3個(gè)部分：讀取發(fā)動(dòng)機(jī)條碼信息、打標(biāo)位置視覺定位、打標(biāo)字符視覺識(shí)別。針對(duì)不同的車型有相應(yīng)車型的讀碼模板、定位模板、字符識(shí)別模板，通過電子表格編程形式可以對(duì)視覺光源曝光強(qiáng)度、曝光位置、曝光時(shí)間、曝光增益等進(jìn)行設(shè)置和編程;通過電子表格可以對(duì)圖片進(jìn)行濾波、黑白亮化、蝕刻等編程處理;通過電子表格可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理編程;通過電子表格可以對(duì)圖片進(jìn)行FTP輸出處理編程，還可以通過電子表格對(duì)與PLC通信的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理。

4? ? 應(yīng)用結(jié)果

本文基于PROFINET通信協(xié)議設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)應(yīng)用于某進(jìn)口品牌的總裝車間中，經(jīng)過運(yùn)行驗(yàn)證，取得了令客戶十分滿意的成果。通過視覺定位機(jī)器人打刻的位置一致性好，經(jīng)檢測(cè)打標(biāo)位置偏差小于0.05 mm。經(jīng)過3個(gè)月的設(shè)備磨合提升期后，視覺識(shí)別打刻字符通過率高于99.99%。基于PROFINET通信協(xié)議的發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)過兩年的跟蹤觀測(cè)，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)間能達(dá)500 h，平均停機(jī)時(shí)間小于30 min。通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)，公司網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意位置的工程師都可以在中央控制室的監(jiān)控平臺(tái)觀測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)打刻系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試和遠(yuǎn)程故障診斷。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

在這個(gè)科學(xué)技術(shù)日新月異的時(shí)代，工業(yè)互聯(lián)依舊是工業(yè)領(lǐng)域尤為關(guān)注的話題，很多科研工作者也將繼續(xù)致力于基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各種通信協(xié)議的開發(fā)和應(yīng)用研究。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)、5G通信、低軌通信衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，工業(yè)互聯(lián)的發(fā)展必將取得進(jìn)一步革命性的突破。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 莊存波，劉檢華，隋秀峰，等.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)體系及應(yīng)用挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（12）：3061-3069.

[2] 王立之.基于PLC和伺服定位在多功能裝箱機(jī)中精確定位的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（1）：190-194.

收稿日期：2020-12-14

作者簡(jiǎn)介：王立之（1979—），男，江蘇阜寧人，工程師，研究方向：檢測(cè)及自動(dòng)化、智能控制、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。