吳傲， 孟飛， 程如朋

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的日益完善，人們對(duì)信息傳遞過(guò)程中的安全性、實(shí)時(shí)性和可靠性要求越來(lái)越高，不僅在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域而且在船舶領(lǐng)域逐步形成了以現(xiàn)場(chǎng)總線為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的信息交換方式。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)被逐漸應(yīng)用到控制領(lǐng)域，它相比于以往點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方式具有管理維護(hù)方便、資源利用率高和信息可共享的優(yōu)點(diǎn)。目前PROFIBUS作為歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，是自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的總線系統(tǒng)，PROFIBUS-DP被專門用于控制器與I/O設(shè)備間的通信，具有高速、低成本的特點(diǎn)[1]。新一代工業(yè)自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)PROFINET[2]是在原有的以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上再次開(kāi)發(fā)出來(lái)的，具有自動(dòng)化、可擴(kuò)展、開(kāi)放性等特點(diǎn)。PROFINET遵循生產(chǎn)者-消費(fèi)者通信模式，具有實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)通信功能[3]，但它還不能完全代替其他現(xiàn)場(chǎng)總線。因此，本文將PROFIBUS無(wú)縫集成到PROFINET中，實(shí)現(xiàn)PROFINET與PROFIBUS結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)通信方式，以保護(hù)現(xiàn)有的投入資產(chǎn)[4-5]和最大程度地節(jié)約資源。

以往對(duì)PROFINET的研究：一是從理論上對(duì)PROFINET的組成[6]和技術(shù)協(xié)議進(jìn)行分析[7]；二是利用單一的控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制[8-10]，同時(shí)還需要編寫控制器的通信程序。本文所設(shè)計(jì)的分布式現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)(PROFINET I/O 系統(tǒng))利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)可同時(shí)作為控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的特性，將S7-1200智能I/O設(shè)備(I-Device)配置成現(xiàn)場(chǎng)端控制器，這樣控制器與I/O設(shè)備之間就不需要調(diào)用通信函數(shù)，不僅沒(méi)有了編程需求，還不占用通信資源。同時(shí)，將PROFIBUS-DP集成到該系統(tǒng)中，成功搭建由PROFINET I/O與PROFIBUS-DP組成的混合網(wǎng)絡(luò)直流電機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。隨著自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集成化和網(wǎng)絡(luò)化程度越來(lái)越高，船舶控制系統(tǒng)向著分布式自動(dòng)化方向不斷改進(jìn)，尤其在船舶機(jī)艙分布式自動(dòng)化控制領(lǐng)域，混合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將有更重要的作用[11]。以該試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)分布式自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行深入探索。

1 分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信

1.1 PROFINET I/O系統(tǒng)的通信

PROFINET I/O系統(tǒng)是在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上為實(shí)現(xiàn)分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的快速數(shù)據(jù)交換而設(shè)計(jì)的全雙工通信系統(tǒng)[12]，它通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將過(guò)程信號(hào)傳送到中央控制器，處理后傳遞給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它的最大傳輸速率為100 Mb/s。為方便、詳細(xì)地描述分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，給出由I/O監(jiān)視器、I/O控制器和I/O設(shè)備3種類型的設(shè)備組成的PROFINET I/O系統(tǒng)[13]試驗(yàn)平臺(tái)。

I/O監(jiān)視器一般是帶有調(diào)試和診斷功能的編程設(shè)備(PC或者HMI)，它也可作為控制器用于測(cè)試與診斷控制過(guò)程和評(píng)估過(guò)程；I/O控制器的主要任務(wù)是運(yùn)行自動(dòng)化控制程序，從I/O設(shè)備收集數(shù)據(jù)，給自動(dòng)化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)、處理報(bào)警等；I/O設(shè)備是用來(lái)與I/O控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它把控制過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提供給I/O控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化過(guò)程的控制。本試驗(yàn)平臺(tái)將可視化觸摸屏作為I/O監(jiān)視器，將S7-1500 PLC和 S7-1200 PLC(PLC是最典型的I/O控制器)分別作為總控制器和現(xiàn)場(chǎng)端控制器，將ET200SP作為I/O設(shè)備。

PROFINET I/O系統(tǒng)在循環(huán)數(shù)據(jù)交換方面，要求在I/O控制器與I/O設(shè)備之間建立應(yīng)用關(guān)系 (AR)和通信關(guān)系 (CR)[12]。一個(gè)I/O控制器可以分別與多個(gè)I/O設(shè)備建立單獨(dú)的AR，一個(gè)AR可以包括多個(gè)CR。在典型的PROFINET I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，I/O控制器采用CR與分布式I/O設(shè)備循環(huán)交換數(shù)據(jù)。

PROFINET I/O通信站之間主要通過(guò)UDP/IP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)和RTP(實(shí)時(shí)通信協(xié)議)[12-13]實(shí)現(xiàn)信息交換。通常，UDP/IP可以滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)通信。鑒于目前工業(yè)通信對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)性的嚴(yán)格要求，確定了一種能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)通信服務(wù)的RTP，它是基于接收器/發(fā)送器模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備之間的信息交換見(jiàn)圖1。圖1中：實(shí)線代表的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，虛線代表的是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；在信息交換過(guò)程中，I/O控制器與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通道和實(shí)時(shí)通道進(jìn)行配置信息、過(guò)程數(shù)據(jù)和中斷數(shù)據(jù)的傳遞；中斷數(shù)據(jù)由I/O控制器處理。通信協(xié)議規(guī)定了中斷數(shù)據(jù)和周期循環(huán)數(shù)據(jù)的傳輸通過(guò)實(shí)時(shí)通道的RTP實(shí)現(xiàn)，參數(shù)分配、詳細(xì)診斷、信息讀取和非周期性數(shù)據(jù)的讀寫通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通道的UDP/IP實(shí)現(xiàn)。UDP/IP是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有開(kāi)放性的特點(diǎn)，這使得HMI站點(diǎn)和I/O監(jiān)視器也能夠訪問(wèn)I/O設(shè)備[14]。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備之間的信息交換

1.2 PROFIBUS-DP系統(tǒng)的通信

PROFIBUS-DP系統(tǒng)是一種線性的總線系統(tǒng)，是基于RS485半雙工通信(即通信雙方可以接收并發(fā)送信息，但收發(fā)信息無(wú)法同時(shí)工作)的傳輸系統(tǒng)，傳輸速率在9.6 Kb/s～12 Mb/s之間，主要應(yīng)用于控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸通信[13]。它不僅可以進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)傳輸，還提供診斷功能。PROFIBUS-DP主站與從站間采用主從通信方式，如圖2所示，由主站發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，從站收到請(qǐng)求后才能應(yīng)答，從站不能主動(dòng)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求。主站間采用令牌傳遞通信方式，持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，可以主動(dòng)對(duì)從站進(jìn)行訪問(wèn)并發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。本文中現(xiàn)場(chǎng)端控制器為DP主站，編碼器為DP從站，采用主從通信結(jié)構(gòu)。1類主站將功能參數(shù)、輸入-輸出數(shù)據(jù)、診斷信息和工作狀態(tài)傳遞給從站；2類主站主要是讀取從站的數(shù)據(jù)，還可以與1類主站進(jìn)行信息通信[15]。

圖2 PROFIBUS-DP系統(tǒng)通信過(guò)程

相比于PROFIBUS-DP，PROFINET I/O采用同時(shí)收發(fā)且雙向傳輸?shù)娜p工通信方式，無(wú)須特殊配置通信接口，且傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PROFIBUS-DP的傳輸速率，擁有更全面的網(wǎng)絡(luò)診斷功能，響應(yīng)時(shí)間不受控制器數(shù)目干擾。然而，由于PROFIBUS-DP技術(shù)出現(xiàn)早，它已經(jīng)形成自動(dòng)化領(lǐng)域的一種應(yīng)用格局，雖然PROFINET I/O優(yōu)勢(shì)更明顯，但取代PROFIBUS-DP也需要一個(gè)過(guò)渡期。本文從資源利用最大化和工業(yè)資產(chǎn)安全性的角度考慮，將PROFIBUS-DP集成到分布式系統(tǒng)中，搭建基于PROFIBUS-DP和PROFINET I/O的混合網(wǎng)絡(luò)電機(jī)控制試驗(yàn)平臺(tái)。

2 混合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)通信

本試驗(yàn)平臺(tái)的通信網(wǎng)絡(luò)示意圖見(jiàn)圖3。圖3中S7-1500 PLC與ET200SP、ET200SP與交換機(jī)、觸摸屏與交換機(jī)、交換機(jī)與S7-1200 PLC之間的通信采用PROFINET通信，而轉(zhuǎn)速傳感器與S7-1200 PLC之間采用PROFIBUS通信。采用交換機(jī)可以實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)的集成，實(shí)時(shí)調(diào)整、監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)建立了I/O控制器與I/O設(shè)備之間的PROFINET I/O通信，這就減少了通過(guò)編寫通信程序或調(diào)用通信函數(shù)來(lái)建立控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信的這類工作。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 分布式系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

利用絕對(duì)值編碼器的PROFIBUS-DP通信接口，通過(guò)CM1243-5和S7-1200 PLC進(jìn)行通信連接。S7-1200 PLC不僅作為S7-1500 PLC的I/O設(shè)備，還作為絕對(duì)值編碼器的PROFIBUS-DP主站，接收來(lái)自絕對(duì)值編碼器的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在TIA博途軟件中，按照實(shí)際選擇的硬件的訂貨號(hào)進(jìn)行配置，并導(dǎo)入所需要的GSD文件；將S7-1200 PLC配置成I-Device，將S7-1500 PLC、ET200SP、S7-1200 PLC和觸摸屏通過(guò)西門子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接到同一個(gè)PROFINET網(wǎng)絡(luò)上；將網(wǎng)絡(luò)的首尾連接起來(lái)，利用PROFINET I/O MRP實(shí)現(xiàn)介質(zhì)冗余，組成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在網(wǎng)絡(luò)視圖界面下利用配置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)診斷端口的連接狀態(tài)，保證網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。完成各硬件通信連接后，進(jìn)行硬件參數(shù)配置，將計(jì)算機(jī)和配置的硬件的以太網(wǎng)接口IP地址設(shè)定在同一個(gè)子網(wǎng)里，然后選擇在線連接，將以上配置的信息分別下載到兩個(gè)CPU中，從而成功建立PROFINET I/O系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信。

3 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)原理

電機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖4所示(GND為電線接地端，VCC為電源電壓，INA和INB為輸入口，A和B連接電機(jī)正、負(fù)接口)，它是基于現(xiàn)場(chǎng)端控制器的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。直流電機(jī)作為控制對(duì)象，其額定電壓為12 V，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。利用現(xiàn)場(chǎng)端控制器集成的脈寬調(diào)制(PWM)輸出口，配置現(xiàn)場(chǎng)端控制器的輸出口Q0.0(輸出脈沖)、Q0.1和Q0.2(控制電機(jī)正反轉(zhuǎn))。直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與直流電機(jī)相連，轉(zhuǎn)速傳感器與電機(jī)軸相連，利用現(xiàn)場(chǎng)端控制器集成的PWM控制器調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。

圖4 電機(jī)控制系統(tǒng)原理

3.2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖5。它選用型號(hào)為CPU 1511-1 PN的S7-1500 PLC作為總控制器，其處理速度更快、聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)?？偪刂破魍ㄟ^(guò)集成一個(gè)PROFINET通信接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信(RT)和等時(shí)通信(IRT)功能。該接口還集成了運(yùn)動(dòng)控制功能和系統(tǒng)診斷功能，與以往控制器相比還增加了LED顯示屏以方便查看CPU狀態(tài)和故障信息?，F(xiàn)場(chǎng)端控制器選用型號(hào)為CPU 1215C DC/DC/DC(高性能緊湊型)的S7-1200 PLC，并配有CM 1243-5通信模塊，使得S7-1200 PLC可以通過(guò)PROFIBUS通信。本試驗(yàn)平臺(tái)選擇SIMATIC ET200SP(它是一個(gè)靈活度高、可靠性強(qiáng)和尺寸小的可擴(kuò)展的分布式I/O系統(tǒng))，并配有單獨(dú)的CPU，可以實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)處理，減輕上一級(jí)控制器的負(fù)荷。西門子工業(yè)交換機(jī)提供了PROFINET自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)方式，是一種可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)圖

直流電機(jī)測(cè)速傳感器采用多圈絕對(duì)值編碼器。該編碼器具有12位單圈分辨率，測(cè)量精度可靠且不受停電干擾，同時(shí)具有PROFIBUS-DP接口，可實(shí)現(xiàn)DP主站與從站之間的數(shù)據(jù)循環(huán)交換，還可以讀取編碼器的故障診斷狀態(tài)。可視界面為TP900 Comfort，它帶有PROFINET接口和USB接口，以實(shí)現(xiàn)PROFINET通信及過(guò)程數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

連接實(shí)物如圖5所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要由24 V電源供電，選擇光纖連接試驗(yàn)平臺(tái)的所有網(wǎng)絡(luò)硬件，使整個(gè)系統(tǒng)的通信路徑具有靈活性和可靠性。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括總控制器與現(xiàn)場(chǎng)端控制器的組態(tài)通信、編碼器與現(xiàn)場(chǎng)端控制器的通信程序、直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)、PWM轉(zhuǎn)速控制程序、編碼器速度與位移測(cè)量程序以及觸摸屏界面設(shè)計(jì)，所有系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)均是在TIA博途軟件環(huán)境下完成的。

圖6 系統(tǒng)控制程序流程

根據(jù)控制原理繪制系統(tǒng)控制程序流程圖，見(jiàn)圖6。通電后利用S7-1500 PLC自帶的顯示屏顯示工作狀態(tài)，直流電機(jī)的PWM轉(zhuǎn)速控制通過(guò)調(diào)用S7-1200 PLC指令塊CTRL_PWM16]實(shí)現(xiàn)從0到全脈沖的脈寬輸出。利用在觸摸屏上設(shè)計(jì)的PWM占空比輸入框改變占空比(脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值)從而改變電機(jī)速度。當(dāng)EN(使能)端接通時(shí)，指令塊CTRL_PWM利用使能端起動(dòng)或停止脈沖發(fā)生器。絕對(duì)值編碼器單圈的分辨率是12位的，每圈有4 096步，最大圈數(shù)是4 096圈，達(dá)到最大圈數(shù)后重新計(jì)圈?，F(xiàn)場(chǎng)端控制器利用S7-1200 PLC的指令塊DPRD_DAT[16]讀取DP從站編碼器的位置和速度，利用指令塊DPWR_DAT將數(shù)據(jù)寫入到DP從站編碼器。然后利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令和數(shù)學(xué)計(jì)算指令對(duì)位置和速度進(jìn)行處理，最后讀出編碼器的速度值和圈數(shù)值。

在觸摸屏上設(shè)計(jì)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)按鈕、PWM脈沖輸出狀態(tài)按鈕和PWM占空比按鈕，利用PWM不同的占空比控制電機(jī)速度并且在觸摸屏上顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和圈數(shù)值，最后將觸摸屏界面按照簡(jiǎn)潔、美觀的原則進(jìn)行調(diào)整。監(jiān)控系統(tǒng)利用HMI實(shí)現(xiàn)了清楚、直觀地看到電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的目的，并且不需要現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)操作，只需要直接在觸摸屏上傳達(dá)指令，進(jìn)而掌握電機(jī)系統(tǒng)的整個(gè)工作狀態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7 S7-1500 PLC的通斷信號(hào)

總控制器向現(xiàn)場(chǎng)端控制器發(fā)送直流電機(jī)的PWM使能端通斷信號(hào)。通斷信號(hào)如圖7所示：0 s時(shí)總控制器給現(xiàn)場(chǎng)端控制器發(fā)出“通”的信號(hào)，PWM使能端接通，PWM程序在現(xiàn)場(chǎng)端控制器中運(yùn)行；以5 s為間隔，1 h后總控制器向現(xiàn)場(chǎng)端控制器發(fā)出“斷”的信號(hào)，斷開(kāi)使能端。

圖8為不同的占空比對(duì)應(yīng)的直流電機(jī)速度曲線。它是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)端控制器在圖7所示的工作循環(huán)模式下控制得到的速度曲線，圖9的速度曲線是通過(guò)S7-1200 PLC(單一網(wǎng)絡(luò))控制得到的直流電機(jī)速度曲線，同樣基于圖7所示的工作循環(huán)模式，通過(guò)觸摸屏控制PWM使能端。圖10和11是在控制條件相同的情況(100%的占空比)下混合網(wǎng)絡(luò)控制下和單一網(wǎng)絡(luò)控制下電機(jī)由停止到起動(dòng)這一過(guò)程的速度誤差曲線。由圖10和11可知：混合網(wǎng)絡(luò)控制下電機(jī)速度在0.432 s(初始時(shí)間為56.515 199 1 s，電機(jī)速度在56.947 200 6 s處穩(wěn)定)后穩(wěn)定，單一網(wǎng)絡(luò)控制下電機(jī)速度在0.475 s(初始時(shí)間為38.016 000 17 s，電機(jī)速度在38.491 199 71 s處穩(wěn)定)后穩(wěn)定，混合網(wǎng)絡(luò)控制優(yōu)于單一網(wǎng)絡(luò)控制；兩種控制方式下電機(jī)速度誤差百分比都在2.0%～2.3%。采用混合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了總控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)端控制器的成功控制，體現(xiàn)了S7-1200 PLC(I-Device)作為現(xiàn)場(chǎng)端控制器的優(yōu)勢(shì)：現(xiàn)場(chǎng)端控制器既為上一級(jí)總控制器的I/O設(shè)備，又為下一級(jí)編碼器的主站。

圖8 混合網(wǎng)絡(luò)控制下直流電機(jī)速度曲線圖9 單一網(wǎng)絡(luò)控制下的直流電機(jī)速度曲線

圖10 混合網(wǎng)絡(luò)控制下直流電機(jī)速度誤差曲線圖11 單一網(wǎng)絡(luò)控制下直流電機(jī)速度誤差曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了基于混合網(wǎng)絡(luò)的直流電機(jī)控制技術(shù)。選用兩種PLC作為總控制器和現(xiàn)場(chǎng)端控制器，把PROFINET I/O與PROFIBUS-DP相結(jié)合，成功地搭建了基于PROFINET I/O的直流電機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。利用試驗(yàn)驗(yàn)證了在混合網(wǎng)絡(luò)控制下PLC對(duì)電機(jī)控制的可行性?？梢钥紤]將該試驗(yàn)平臺(tái)的分布式混合網(wǎng)絡(luò)通信原理應(yīng)用到船舶自動(dòng)化分布式系統(tǒng)中。

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