基于Profisafe 協(xié)議及漏波電纜的無線通訊架構(gòu)

吳 晗， 閆 娟， 楊慧斌， 徐春波

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院， 上海 201600）

0 引 言

在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，可編程控制器已經(jīng)成為該領(lǐng)域的核心，在傳統(tǒng)的熱處理生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)中一般采用安全繼電器來保證人身和生產(chǎn)線設(shè)備的安全，以此來保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 這種模式要采用硬接線的方式來傳輸急停信號和復(fù)位信號，復(fù)雜的線路會增加系統(tǒng)故障的幾率，且在排查時也會帶來很大的難度。 在文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］中作者采用Profinet 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行上位機和下位機間的數(shù)據(jù)傳輸，這種模式具有很好的實時性以及很強的普及性，可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的并行傳輸。 但在進(jìn)行一些急停信號的傳輸時，這種協(xié)議難以達(dá)到預(yù)期的安全級別，而且將急停信號與其他信號一同傳輸也會增大系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 本文擬采用基于Profisafe 協(xié)議的安全總線和分布式I／O 對原有的系統(tǒng)進(jìn)行改造，在保留原系統(tǒng)程序的前提下增加安全PLC，以漏波電纜（Rcoax）作為傳輸介質(zhì)來實現(xiàn)急停和復(fù)位信號的傳輸。

1 通訊系統(tǒng)架構(gòu)

原通訊架構(gòu)采用有線連接的方式，通過Profinet I／O 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 Profinet 是一種較新的，基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議，其使用的物理接口是一個標(biāo)準(zhǔn)的RJ-45 以太網(wǎng)插口，以100 Mbyte／s 速度運行，電纜長度可達(dá)100 m［3］。 由于其高速運行和小于1 ms的響應(yīng)時間，Profinet 協(xié)議是數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)睦硐脒x擇［4］。 對于一些關(guān)鍵信號的傳輸則采用硬接線的方式來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 原通訊架構(gòu)如圖1所示。

圖1 原通訊架構(gòu)Fig.1 Original communication architecture

為保證標(biāo)準(zhǔn)通訊信號及急停復(fù)位信號都能在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸，本文擬采用無線工業(yè)局域網(wǎng)（Industry Wireless LAN， IWLAN）， 該 網(wǎng) 絡(luò) 支 持Profinet 協(xié)議，同時也支持Profisafe 標(biāo)準(zhǔn)，保證原標(biāo)準(zhǔn)通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r也可以兼顧安全信號的傳輸。 為了保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，盡可能不改變原硬件電路和程序，在固定端和移動端增加安全PLC 來傳輸急停信號，以此來保證系統(tǒng)的可靠性。改造后的通訊架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 改造后的通訊架構(gòu)Fig.2 Modified communication architecture

急停通過按下急停按鈕實現(xiàn)，安全繼電器得到反饋，將急停信號傳輸至固定端安全PLC，通過交換機將該信號傳輸至無線網(wǎng)絡(luò)接入點（IWLAN AP），再由漏波電纜作為傳輸介質(zhì)將信號發(fā)送到客戶端，移動端的安全PLC 接收到急停信號，通過I／O 口通訊輸出到移動端的安全繼電器上做出急停動作。

2 傳輸介質(zhì)——漏波電纜

漏波電纜可以為接入點提供可靠的無線鏈路，適用于復(fù)雜的環(huán)境中，可對其進(jìn)行無線的信號覆蓋，在無線通訊中具有高可靠性，也降低了維護(hù)和更換的成本。

漏波電纜結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 電纜的外導(dǎo)體有一個開口，允許無線波穿透和輻射［5］。 在電纜的周圍會形成一個電磁場，包裹著內(nèi)部導(dǎo)體的外部導(dǎo)體，對內(nèi)和對外都屏蔽了電磁波的傳播，在外部導(dǎo)體上開口使得電磁波在固定的空間內(nèi)傳播。

圖3 漏波電纜結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of leaky wave cable

2.1 衰減及增益計算

天線增益是指在一定輸入功率下向固定距離發(fā)射信號的能力，該參數(shù)與天線方向有密切聯(lián)系。

在無線通訊領(lǐng)域，通常以分貝（dB）為單位來簡化一系列傳輸元件在傳輸信號時的計算。 分貝和比率成對數(shù)關(guān)系，可用式（1）表示。

其中，ratio為比率。

當(dāng)一個值減半時，其分貝值也會降低3dB。 在理想情況下，天線從一個中心點向四周均勻地輻射能量，這時的參考變量為各向同性或單極天線發(fā)射的功率，在實際的環(huán)境中獲取到的分貝值即為天線增益，用dBi表示。

漏波電纜內(nèi)的能量傳輸也會有一定程度的損耗，將該能量損耗定義為縱向衰減，引入一個衰減系數(shù)，衰減值arc可由式（2）計算得出。

其中，αrc為衰減系數(shù)（單位為dB／m），l為電纜總長度（單位為m）。

一般情況下，衰減系數(shù)取決于以下條件：

（1） 電纜的結(jié)構(gòu)；

（2） 電纜中電磁波的頻率，當(dāng)頻率越高時衰減程度越大；

（3） 電纜周圍的環(huán)境。

分析了縱向衰減后還要考慮其他耦合損耗，也就是將環(huán)境引起的能量損耗通過計算得到一個近似的結(jié)果。 在電纜的周圍會存在各種物理效應(yīng)，影響電磁波的傳播，難以準(zhǔn)確計算的，因此對于周圍環(huán)境以距離為參考因素做出區(qū)分，預(yù)設(shè)在0.5 m 的半徑范圍內(nèi)為近場，這是一般情況下天線能夠接收信號的范圍。

由于實測點處的信號強度沿連接的饋線電纜波動，在設(shè)計時一般 以實測 值的50% （C50） 或 者95% （C95） 為基礎(chǔ)，而且在近場范圍內(nèi)C50與C95沒有特別差異。 只有在涉及安全通信時才采用C95進(jìn)行耦合計算，對于一般通信則采取C50為標(biāo)準(zhǔn)［6］。

Cd為漏波電纜和天線之間在規(guī)定距離（＞0.5 m）內(nèi)的電纜耦合損耗，單位為dB，可用式（3）和式（4）表示：

其中，C50為距離為2 m 時耦合損耗的C50值；C95為距離為2 m 時耦合損耗的C95值；d為電纜和天線間的距離，單位為m。

涉及到安全信號的傳輸，因此選取C95來計算耦合損耗。 排除這些衰減后，天線增益可用式（5）表示：

其中，P0為總發(fā)射功率（單位為dBm）；arc為電纜的縱向衰減值；afe為饋線的縱向衰減（由IWLAN的技術(shù)規(guī)范決定）；Cd為耦合損耗；aps為功率分配器損耗；GANT為天線的增益（2.4 GHz 為4 dB，5 GHz為6 dB）；ΔSys為系統(tǒng)損耗（根據(jù)環(huán)境波動，一般在10～20 dB 之間）；Pemin為接收器所需的最小功率。

一般情況下，為保證通訊的質(zhì)量以及穩(wěn)定性，接收器端所需的最小功率要大于65 dBm，環(huán)境干擾引起的信號損耗以10 dB 計算［7］。

由此可推算在2.4 GHz 及5 GHz 頻段下段長，見表1 和表2。

表1 2.4 GHz（IEEE 802.11g）頻段下的段長Tab.1 Band length in 2.4 GHz （IEEE 802.11g） band

表2 5 GHz（IEEE 802.11a）頻段下的段長Tab.2 Band length in 5 GHz （IEEE 802.11a） band

由表1 和表2 可以看出，在較低的傳輸速率下可以實現(xiàn)更大的段長度，在5 GHz 頻段下最大的傳輸距離幾乎降為2.4 GHz 頻段的一半，因此，在對于傳輸距離要求較低且需要較高的傳輸速率時采用5 GHz頻段。 本文涉及到的熱處理生產(chǎn)線長度為50 m，屬于中距離范圍，選擇傳輸效率更高的5 GHz 頻段來保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。 天線在水平方向及垂直方向的輻射特性如圖4 所示，可以得到天線在水平方向時，0°可達(dá)到最大的輻射值；在垂直方向，30°～90°時可達(dá)到最大輻射值。

圖4 天線各方向輻射特性Fig.4 Radiation characteristics of antenna in all directions

2.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

在建立通訊之前，需進(jìn)行IP 地址的分配，各網(wǎng)絡(luò)組件的IP 地址應(yīng)在同一網(wǎng)段下才可建立連接，具體的IP 地址見表3。

表3 各網(wǎng)絡(luò)組件IP 地址Tab.3 IP address of each network component

在軟件TIA PORTAL 中配置IP 地址，默認(rèn)子網(wǎng)為PN／IE_1，將下位機按相同模式進(jìn)行配置，在操作模式選項中勾選為IO 設(shè)備，將IO 控制器分配到main.PROFINET 接口_1。 設(shè)備的具體配置參數(shù)見表4。

表4 設(shè)備的配置參數(shù)Tab.4 Configuration parameters of the device

為數(shù)據(jù)的收發(fā)，需在智能IO 設(shè)備中設(shè)置傳輸區(qū)域，參數(shù)見表5。

表5 傳輸區(qū)參數(shù)Tab.5 Transmission area parameters

在網(wǎng)絡(luò)視圖中將兩臺CPU 連接完成設(shè)備組態(tài)。本文中使用的CPU 為F 系列的安全CPU，需要在程序塊中的Main_Safety_RTG1［FB1］進(jìn)行程序編寫，才能夠在特定的安全通道進(jìn)行信號傳輸，在Main［OB］中的數(shù)據(jù)不會被安全模塊讀取。

按照傳輸區(qū)IO 控制器和智能設(shè)備地址間的映射關(guān)系編寫程序，即IO 控制器作為指令的發(fā)送端，智能設(shè)備作為指令的接收端。 急停信號的傳輸可以應(yīng)用指令功能中Safety functions 下的ESTOP1，該指令各管腳所對應(yīng)的指令見表6。 將ACK_NEC 置0 即自動確認(rèn)，當(dāng)E_STOP 從0 置1 后，Q點會自動確認(rèn)輸出不需人為確認(rèn)，以此來增加系統(tǒng)的自動化程度。

表6 各輸入輸出點對應(yīng)指令Tab.6 Command corresponding to each input and output point

3 實驗驗證

在TIA PORTAL 中將程序轉(zhuǎn)為在線監(jiān)控，測試通訊是否正常。

在第一次測試時，CPU 指示燈報錯，在上位機的診斷緩沖區(qū)得到反饋的代碼，提示錯誤信息為指定的IO 設(shè)備發(fā)生故障或不存在，需要檢查是否存在更多設(shè)備故障，并在IO 系統(tǒng)中確定故障設(shè)備的位置。 根據(jù)上位機中的提示信息，檢查故障是偶發(fā)現(xiàn)象還是會反復(fù)發(fā)生。 在多次試驗后，可以復(fù)現(xiàn)該故障，確認(rèn)為非偶發(fā)現(xiàn)象。 使用PC 與兩臺CPU 進(jìn)行通訊測試，可以得到回應(yīng)，因此排除是由網(wǎng)絡(luò)引起的故障。 再次排查上位機中的組態(tài)情況，發(fā)現(xiàn)是由于轉(zhuǎn)至在線前沒有將CPU 調(diào)至運行的狀態(tài)，導(dǎo)致無法正常通訊。

排除故障后進(jìn)行動態(tài)測試，將設(shè)備沿著漏波電纜鋪設(shè)方向運行，觀測網(wǎng)絡(luò)組件在運行過程中的工作狀態(tài)。 經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)在整個電纜鋪設(shè)的范圍內(nèi)，設(shè)備均可接收和發(fā)送信號，在使用上位機發(fā)送急停的指令時，另一端也會做出停止運行的反應(yīng)，測試過程中未出現(xiàn)斷網(wǎng)或其他故障。

4 結(jié)束語

本文采用基于Profisafe 通訊協(xié)議的無線通訊架構(gòu)，將漏波電纜作為通訊的介質(zhì)，實現(xiàn)了急停信號的安全無接觸傳輸。 經(jīng)實驗組態(tài)測試，該系統(tǒng)信號傳輸穩(wěn)定，自動化程度高，安裝調(diào)試方便，降低了后期的維護(hù)成本。 與傳統(tǒng)的有線通訊相比，該系統(tǒng)的控制方式在工業(yè)控制及無線通訊領(lǐng)域都擁有廣泛的應(yīng)用前景。