一種基于PROFINET協(xié)議的蒙拉機電控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

劉渭苗, 程軍周, 連斌忠，趙流韻，李嘉棟

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

某蒙皮拉形機電控系統(tǒng)的主要功能是對該種數(shù)控蒙皮拉伸機進行控制、數(shù)據(jù)采集與處理、拉形控制過程管理[1][2]。設計上采用工控機(IPC)+可編程控制器(PLC)為核心的硬件總體構成。該蒙皮拉形機擁有八個伺服軸，這些伺服軸之間都提出了很嚴格的同步和定位控制要求[3-5]，就使得在設計控制網(wǎng)絡、輸出系統(tǒng)網(wǎng)絡、采集系統(tǒng)網(wǎng)絡和計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡的時候都要考慮到網(wǎng)絡的穩(wěn)定性以及較小的網(wǎng)絡延遲。

傳統(tǒng)的蒙皮拉形機有兩種控制網(wǎng)絡，一種是采用控制板卡作為控制器，控制信號和采集信號全部使用模擬量信號形式由采集卡采集，采集卡和控制器用以太網(wǎng)通訊。另一種是采用PLC作為控制器，但僅是PLC和分布式IO之間采用網(wǎng)絡，控制信號和采集信號全部使用模擬量信號形式進入遠程IO站的模擬量采集模塊。

該兩種控制網(wǎng)絡的設計都過于簡單，控制指令都是單獨下發(fā)給執(zhí)行器件，采集信號的處理也依靠控制器或者PLC，本文設計了一種基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的電控系統(tǒng)網(wǎng)絡，分別是計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、PLC及其遠程IO站的控制網(wǎng)絡、傳感器的信號采集網(wǎng)絡、控制伺服閥的執(zhí)行層網(wǎng)絡、帶診斷功能的MCC布線系統(tǒng)和操作及其狀態(tài)的布線系統(tǒng)網(wǎng)絡[6][7]。特別是建立了一種執(zhí)行層子網(wǎng)，該子網(wǎng)利用數(shù)字閥的控制器功能，具有獨立的通訊能力，連同傳感器采集信號，組成一個現(xiàn)場級的閉環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)，能夠更好地執(zhí)行PLC下達的拉伸同步控制要求，大大提高了工藝精度要求。

1 基于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的Profinet網(wǎng)絡

以太網(wǎng)中用于解決數(shù)據(jù)碰撞的機制帶來了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，為了達到實時性能，不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用了不同的方法去避免這種碰撞[8]。PROFINET過程現(xiàn)場網(wǎng)絡按照對確定性的等級需求不同而采用不同的實現(xiàn)方法：PROFINET RT通常用于軟實時或沒有實時性要求的應用場合，而PROFINET IRT則針對硬實時應用。該技術是基于以太網(wǎng)之上的PROFINET I/O的成功應用：指定所有I/O控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸以及參數(shù)化、診斷、和網(wǎng)絡的布局[9]。

為了覆蓋不同的性能等級，PROFINET使得各協(xié)議和服務可自由采用生產(chǎn)者/消費者原則。高優(yōu)先級的有效載荷數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)協(xié)議并以以太網(wǎng)幀VLAN的優(yōu)先次序直接發(fā)送，而診斷和配置數(shù)據(jù)的發(fā)送則使用UDP/IP。這使系統(tǒng)實現(xiàn)循環(huán)周期時間約10 ms的I/O應用。對于時鐘同步周期時間要求低于毫秒級運動控制應用，則提供PROFINET IRT，它實現(xiàn)了一個分時復用的硬件同步開關-所謂的動態(tài)幀包裝(DFP)，為用戶提供一個新的PROFINET循環(huán)時間的優(yōu)化設計[10]。

應用于該蒙皮拉形機計算機控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡全部使用UDP/IP。應用于該蒙皮拉形機PLC控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡全部使用PROFINET IRT。

2 該蒙皮拉形機計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)

該蒙皮拉形機計算機系統(tǒng)是基于計算機的綜合集成監(jiān)控系統(tǒng)。主要對該蒙皮拉形機的過程數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)及工藝參數(shù)進行監(jiān)控和管理，同時完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理，參數(shù)管理，機組狀態(tài)設置，數(shù)據(jù)及通訊管理等功能，為用戶提供產(chǎn)品生產(chǎn)實績和設備工作實績數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)設置兩臺交換機，一臺位于現(xiàn)場操作室，負責連接現(xiàn)場操作站及打印設備等。另一臺位于電氣室，負責連接服務器、操作站、HMI、PDA站、工程師站、打印機等。主要完成鍍錫準備機組各分段設備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理及生產(chǎn)流程控制，完成生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)向L1系統(tǒng)的下達和L1生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)的收集存儲，同時負責與MES(L3)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

計算機系統(tǒng)在該局域網(wǎng)絡上基于UDP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡通訊連接,如圖1所示。

3 該蒙皮拉形機PLC及其遠程IO站的控制網(wǎng)絡

可編程序控制器選用SIEMENS-S1518-4PN型產(chǎn)品,用于機組的自動化控制。包括機組中的邏輯控制、順序控制、位置控制以及工藝操作和工藝聯(lián)鎖控制，故障檢測分類報警控制等[11-13]。

現(xiàn)場IO遠程站用于開關量和模擬量檢測信號的采集、開關閥的控制等。

PLC與現(xiàn)場IO遠程站控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡全部使用PROFINET IRT。PLC的PROFINET端口X1連接左側ET200遠程站的X1端口，組成PROFINET1子網(wǎng)絡。PLC的PROFINET端口X2連接右側ET200遠程站的X1端口，組成PROFINET2子網(wǎng)絡。兩臺遠程IO站并行連接進入總的PROFINET網(wǎng)絡，其中一臺掉站不會影響其他遠程站工作，系統(tǒng)會根據(jù)掉站狀態(tài)進行相應分級處理,如圖2所示。

圖2 PLC及其遠程IO站的控制網(wǎng)絡

4 該蒙皮拉形機傳感器的信號采集網(wǎng)絡

該蒙皮拉形機的傳感器網(wǎng)絡元件主要由動作油缸的位移傳感器、液壓控制回路的壓力傳感器、機械旋轉機構的角度測量傳感器、工藝控制用工藝傳感器、以及安全系統(tǒng)用安全保護傳感器組成。

PLC與現(xiàn)場傳感器系統(tǒng)的信號采集全部使用PROFINET網(wǎng)絡，網(wǎng)絡形式全部使用PROFINET IRT。根據(jù)設備布置的工藝需求，把左側的傳感器群和右側的傳感器群分為兩個子網(wǎng)絡，左側子網(wǎng)絡為PROFINET3，右側子網(wǎng)絡為PROFINET4。PLC的PROFINET端口X3連接左拉伸位移的X1端口，左拉伸位移的X2端口連接左托架的X1端口，一直連接到該網(wǎng)絡最后一臺設備左旋轉的X1端口，這樣就組成的PROFINET3子網(wǎng)絡。同理，右側組成PROFINET4子網(wǎng)絡。由于傳感器之間采用級聯(lián)的形式，所有傳感器都帶路由功能，保證其中一臺傳感器損壞時候其他傳感器也能正常工作,如圖3所示。

圖3 傳感器信號的采集網(wǎng)絡

5 該蒙皮拉形機控制伺服閥的執(zhí)行層網(wǎng)絡

該蒙皮拉形機的伺服閥執(zhí)行層網(wǎng)絡主要由動作油缸的數(shù)字伺服閥組成[14-16]，具有同步功能的數(shù)字閥、動作油缸液壓控制回路的壓力傳感器、動作油缸位置測量傳感器[17][18]組成一個新的PROFINET子網(wǎng)，該子網(wǎng)利用數(shù)字閥的控制器功能，具有獨立的通訊能力，使得同步油缸之間實現(xiàn)基層的現(xiàn)場級控制。

PLC與數(shù)字閥、現(xiàn)場傳感器系統(tǒng)的信號采集全部使用PROFINET網(wǎng)絡，網(wǎng)絡形式全部使用PROFINET IRT。根據(jù)控制精度的工藝要求不同，分為子網(wǎng)同步PROFINET網(wǎng)絡和PLC同步PROFINET網(wǎng)絡。PLC的PROFINET端口X5連接左拉伸數(shù)字閥的X1端口，左拉伸數(shù)字閥的X2端口連接右拉伸數(shù)字閥的X1端口，右拉伸數(shù)字閥的X2端口連接左升降數(shù)字閥的X1端口，一直連接到該網(wǎng)絡最后一臺設備右升降數(shù)字閥的X1端口，這樣就組成了PROFINET5子網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡是子網(wǎng)同步的PROFINET網(wǎng)絡，把具有同步功能的拉伸數(shù)字閥、拉伸油缸液壓控制回路的壓力傳感器、拉伸油缸位置測量傳感器組成一個新的PROFINET7子網(wǎng)，該子網(wǎng)利用左右拉伸數(shù)字閥的控制器功能，具有獨立的通訊能力，連同傳感器采集信號，組成一個現(xiàn)場級的閉環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)，能夠更好的執(zhí)行PLC下達的拉伸同步控制要求，大大提高工藝精度要求。同理，左升降系統(tǒng)和右升降系統(tǒng)也需要組成一個新的PROFINET8子網(wǎng)，來執(zhí)行升降系統(tǒng)的同步工藝。

沒有同步要求的其余數(shù)字閥組成PROFINET6網(wǎng)絡，PLC的PROFINET端口X6連接左旋轉數(shù)字閥的X1端口，左旋轉的X2端口連接右旋轉的X1端口，直到最后一臺沒有同步要求的數(shù)字閥設備。他們直接單獨執(zhí)行PLC下發(fā)的控制工藝要求。由于數(shù)字閥子網(wǎng)之間采用級聯(lián)的形式，所有數(shù)字閥都帶路由功能，保證其中一臺伺服閥故障時候其他伺服閥也能正常工作,如圖4所示。

圖4 伺服閥的執(zhí)行層網(wǎng)絡

6 該蒙皮拉形機帶診斷功能的MCC布線系統(tǒng)及操作狀態(tài)的布線系統(tǒng)網(wǎng)絡

該蒙皮拉形機的布線系統(tǒng)網(wǎng)絡主要由MCC執(zhí)行布線系統(tǒng)和操作及其狀態(tài)布線系統(tǒng)組成,如圖5所示。MCC執(zhí)行系統(tǒng)的布線控制柜與傳統(tǒng)控制柜比較，開關設備部件全部由智能布線設備連接；開關設備和PLC之間的傳統(tǒng)控制接線被智能布線系統(tǒng)中簡單的接線技術所替代；集中和分散的I/O層直接集成到了開關設備層。

圖5 帶診斷功能的MCC系統(tǒng)及操作狀態(tài)的布線系統(tǒng)網(wǎng)絡

常規(guī)操作及其狀態(tài)的設備，按鈕指示燈都是單獨接線，分別接到控制的輸入輸出模塊，需要大量的施工工作，并存在接線錯誤的風險。操作及其狀態(tài)的智能布線技術只需要一根扁平電纜，節(jié)省時間，減少出錯。更關鍵的是，每個按鈕通過PROFINET網(wǎng)絡通訊實現(xiàn)了自診斷。

PLC的PROFINET端口X7連接布線系統(tǒng)的接口模塊X1端口，PLC硬件組態(tài)中通過布線系統(tǒng)GSD文件約定的報文格式和報文數(shù)量執(zhí)行MCC接觸器和按鈕指示燈的輸出，同樣的方式也能采集MCC開關狀態(tài)和按鈕系統(tǒng)的操作狀態(tài)。

7 實際測試論證

使用IBA公司的PDA軟件，通過信號采集辦卡，對蒙皮拉形機拉伸油缸的同步控制進行監(jiān)控。

使用PLC程序通過單獨主PROFINET網(wǎng)絡對拉伸油缸位移傳感器信號進行采集，在PLC中利用PID調節(jié)器對拉伸缸伺服閥進行控制[19-20]，測試得到拉伸油缸位移傳感器反饋進PLC的位置控制曲線,如圖6所示。然后，使用拉伸油缸數(shù)字閥、拉伸油缸液壓控制回路的壓力傳感器、拉伸油缸位置測量傳感器組成一個新的PROFINET子網(wǎng)，在伺服閥控制器中利用PID調節(jié)器對拉伸缸伺服閥進行控制，測試得到PROFINET主網(wǎng)絡反饋的拉伸位置控制曲線。

圖6 兩種不同網(wǎng)絡結構下網(wǎng)絡延遲對比

通過實際測試的數(shù)據(jù)曲線，可以看到相同控制參數(shù)下不同網(wǎng)絡結構下拉伸油缸到達穩(wěn)態(tài)的時間差異，本文論述的子網(wǎng)絡通訊延遲比單獨PLC主網(wǎng)絡的10 ms減小至1 ms。同時，明顯看出子網(wǎng)PROFINET網(wǎng)絡下信號采集曲線點的變化率更多，也使得自己所在的閉環(huán)系統(tǒng)可控性更好。

8 結束語

本文提出了一種基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的電控系統(tǒng)網(wǎng)絡，文中詳細介紹了計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)PLC及其遠程I0站的控制網(wǎng)絡、傳感器的信號采集網(wǎng)絡、控制伺服閥的執(zhí)行層網(wǎng)絡、帶診斷功能的MCC布線系統(tǒng)網(wǎng)絡，這五部分網(wǎng)絡在同一網(wǎng)段，針對執(zhí)行不同工藝任務需求，又能靈活的建立新的執(zhí)行子網(wǎng)，實現(xiàn)了控制網(wǎng)絡一網(wǎng)通，同時縮短了網(wǎng)絡延時，使得整個電控控制系統(tǒng)更加可靠和高效。