PROFINET工控网络在制丝线的应用

PROFINET工控网络在制丝线的应用马宝忠【摘要】徐州卷烟厂制丝车间新建制丝车间，利用PROFINET技术建立起制丝线工控网络，并就PROFINET的优点及其在三层交换中的应用进行了阐述。【关键词】PROFINET；工控网络；CBA；VLAN；故障诊断0．引言徐州卷烟厂新建制丝车间在新建一条生产线的基础上，又搬迁一条生产线和一个自动化立体库。其中新上生产线在器件选型上有充分的自由，而且搬迁过来的一条生产线是由西门子S7-400系列PLC控制，采用Profibus现场总线，西门子S7-400系列PLC只需增加PN网卡，即可支持PROFINET，而Profibus可通过IE/PBLink连接PROFINET。综合考虑制丝生产设备空间分布范围广和集散控制的功能要求，并充分考虑PROFINET的技术优势，决定在新厂采用PROFINET组建控制网络。1．总体构想PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUSInternational，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100ms的量级，不过对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer2）的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，PROFINET实时通讯（RT）的典型响应时间是5－10ms。徐州卷烟厂新制丝车间包括两条叶丝线、一条梗丝线、一条薄皮线、一条膨胀线和储供丝、除尘、香料厨房等设备，每一条生产线又包括几个工艺加工工序，而每个工序由一台或几台PLC控制。在空间分布上，一条生产线从入口到出口相隔较远，同时又存在部分生产线平行的现象，也就是，同一条生产线的PLC与PLC之间相隔较远，而不同生产线之间的PLC之间可能相聚较近。根据生产工艺控制要求，同一条生产线的PLC之间通讯数据较多，而不同生产线之间的PLC通讯数据较少，所以在划分VLAN时要充分考虑。就通讯的时效性来说，控制单元内部PLC到各个采集、控制原件之间的通讯实时性要求较高，一般要求在10ms级，而PLC与PLC之间的通讯以及PLC和上位机之间的通讯实时性要求相对较低，一般在1s内都可达到要求。另外，PROFINET网络对接入的网络设备有要求，所采用的PLC、分布式IO必须有PN接口，网络交换机必须支持PROFINET协议。选用SIEMENS公司S7-414-2/S7-315-2的CPU作为各工艺段电控系统的主控器或在现有的PLC上增加支持PN功能的以太网卡，开关量、模拟量信号、≤4.0KW变频器和普通小电机（≤7.5KW）的采集和控制均通过安放在现场的分布式I/O站实现，4.0KW变频器放置在现场。分布式I/O站、4.0KW变频器，电子秤或核子秤、水分仪、电磁阀阀导等通过DP网或PROFINET与CPU进行通讯。现场放置工控机，通过PROFINET网与CPU通讯。SCALANCEX系列工业交换机最佳适用于现场应用，它具有以下几个特点：低成本优化的光学和电气接口数量；无缝集成在PROFINET诊断解决方案中；通过优先级划分，优化支持实时（RT）技术；使用插塞式连接的固定夹和扣件；SIMATIC产品用于PROFINET集成分布式现场设备：IM151-3PN，作为IO设备直接连接ET200S的接口模板；IE/PBLinkPNIO，将现有PROFIBUS透明地连接到PROFINET的代理设备；CP343/443-1Advanced，用于连接S7-300/400到工业以太网、连接现场设备、并带有集成Web服务器的通讯处理器。2．搭建网络车间主干网是整个网络的核心，主要用于各控制系统间的网络通讯和控制系统与集中监控系统间的通讯，对抗干扰性、稳定性、可靠性和通讯带宽都有很高的要求，采用SIEMENS的SCALANCEX400系列交换机组建千兆光纤环网，以保证网络畅通。采用光纤作为传输介质使主干网具备较长的网络传输距离和较高的抗干扰能力以及较高的传输速率；环形结构的应用使主干网具备冗余能力，在网络中一条光纤链路发生通讯故障时作为冗余管理器的工业以太网交换机将自动启用冗余线路，保证网络的正常通讯。每个工艺段按照控制系统的控制范围和控制功能，采用工业以太网交换机为各控制系统构建星形控制子网络，以提供各控制段主控器件和IO站点间的网络通讯。各控制子网可通过交换机接入主干网。采用SIEMENS的SCALANCEX200系列交换机搭建百兆网。各控制段子网主要由多个工业以太网交换机和工业以太网双绞线组成，子网结构采用星形网络结构，各控制段网络站点按照控制区域和使用功能接入相应子网交换机或就近接入工业以太网交换机。工艺段控制器S7-400/S7-300，现场操作站通过工业双绞线接入主干网交换机，单机电控系统接入主干网交换机或子网交换机。分布I/OET200SPN通过工业双绞线接入各控制段子网交换机，ET200SPN集成了一个两口的交换机，因此，ET200PN可采用类似于总线的交换机级联方式通过工业双绞线连接。在网络节点集中或超出网线长度限制的区域，增设远端交换机SCALANCEX-200以减少网络电缆的敷设。单机设备如切丝机、电子秤、分拣机等，也通过工业双绞线接入就近的区域交换机。3．组态网络通讯由于制丝车间设备数量多，网络庞大，为了预防网络广播风暴，便于管理，需要多网络进行VLAN划分，根据网络连接及设备分布情况，我们以环网交换机为基础，将整个网络划分为13个VLAN，其中VLAN1用于管理，VLAN150用于环网交换机之间的通讯，VLAN100用于集控计算机、服务器等网络设备，其它VLAN则用于现场网络设备。为了VLAN间通讯，还需要配置VLAN间路由功能。环网交换机主要采用SCALANCEX414-3E交换机，支持三层交换和VLAN划分。登录交换机后，首先建立VLAN，并为每个VLAN划分端口，然后启用OSPF路由协议，最后为每个VLAN建立一个子网，并发布子网。至此，环网交换机配置完成，重启交换机后，可查看每台交换机上的路由表，以检查网络连接状态是否正常。在配置交换机时需要主要：交换机与IP设备的连接端口设为“U”，交换机与交换机连接端口设为“M”，而“F”为禁用。子网交换机不需要路由功能，所以不需设置VLAN，只需设置一个管理IP，以便远程管理使用。配置完网络后，接下来就需要组态PLC以实现PROFINET通讯，PLC与控制单元之间的通讯，对实时性要求较高，采用PROFINET实时通讯（RT），利用STEP7组态软件配置PROFINETIO，其组态方法与Profibus-DP类似。PLC和PLC之间的通讯采用CBA的通讯模式，配置步骤如下：(1)在硬件组态中，设置CP443-1的属性，勾上CBA-Communication选项；(2)在硬件组态中，设置PROFINET-IO-System的属性，修改Name，注意：Name的名字必须设为不同，否则出错；(3)在硬件组态中，设置PROFINET-IO-System的属性，选择CommunicationComponent的比例，一般选87.5%，即把网络的12.5%分配给CBA通讯；(4)创建PROFINETInterface；(5)在PROFINETInterface中，创建CBA通信的数据块，修改Function的名字，注意：Function的名字必须设为不同，否则出错；(6)在PROFINETInterface中，设置通信数据块的PN_Input和PN_Output的接口；(7)建议数据类型设为Struct，以便连接清晰；(8)创建PROFINETComponent，在ComponentType中选择SingletonComponent，注意：此时Project必须置于全英文路径下，否则出错；Name和Devicename的名字必须设为不同，否则出错；(9)调用FB88，并建其背景数据块；(10)打开imap软件，导入Component，连接通讯关系，保存并创建CBA的Project；(11)下载通讯部分，在线监视，如通讯正常，则CBA通讯大功告成！PLC和上位机之间的通讯数据主要是设备运行状态监控、生产工单的下发、生产数据的采集等，其特点是数据量大，但实时性要求不高，所以采用TCP/IP通讯协议。因集控系统采用的是WonderWare公司的Intouch软件，其数据接口采用Dassidirect，所以只需在IO服务器上配置Dassidirect连接到PLC即可。另外，制丝车间还为移动设备建立无线网络，覆盖车间整个区域，为编程器和移动查询台提供网络连接。4．故障诊断PROFINET工控网络虽具有较高的稳定性，但故障是不可避免的，为了尽量减少故障或缩短故障时间，故障诊断功能必不可少。借助SIMATIC的Wincc和MaintenanceStation，可以实现高效的监控和维护工作。SIMATICMaintenanceStation的组态首先需要创建自动化系统的硬件配置，这个硬件配置可以从STEP7选择要维护的自动化系统并直接获取。根据该硬件配置，SIMATICMaintenanceStation可以识别属于该工厂的设备，并建立一个WinCC维护视图。SIMATICMaintenanceStation的项目能自动生成系统层次结构、并将其连接到WinCC画面中显示，并且能自动地将项目传送给维护工作站。5．结束语基于PROFINET的工控网络具有布线成本低、网络接入灵活、硬件组态方便等优点，并且因其运行稳定、维护方便使其大受欢迎。制丝线PROFINET工控网络自投入使用以来，已历经两年多的时间，其运行稳定可靠，维护简单方便，为提高工艺加工水平奠定基础。【参考文献】［1］陈海东，PROFINET——面向自动化未来的以太网现场总线解决方案，《现代制造》2004年第12期．［2］张永德；李鑫，PROFINET的组成及其应用，《工业仪表与自动化装置》2006年第1期．［3］储春华；李志俊，工业以太网技术的发展现状与前景，《仪表技术》2005年第6期．作者简介：马宝忠，男，汉族。专科，高级维修电工。