劉渭苗, 程軍周, 連斌忠，趙流韻，李嘉棟

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

某蒙皮拉形機(jī)電控系統(tǒng)的主要功能是對(duì)該種數(shù)控蒙皮拉伸機(jī)進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)采集與處理、拉形控制過(guò)程管理[1][2]。設(shè)計(jì)上采用工控機(jī)(IPC)+可編程控制器(PLC)為核心的硬件總體構(gòu)成。該蒙皮拉形機(jī)擁有八個(gè)伺服軸，這些伺服軸之間都提出了很?chē)?yán)格的同步和定位控制要求[3-5]，就使得在設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)、輸出系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候都要考慮到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性以及較小的網(wǎng)絡(luò)延遲。

傳統(tǒng)的蒙皮拉形機(jī)有兩種控制網(wǎng)絡(luò)，一種是采用控制板卡作為控制器，控制信號(hào)和采集信號(hào)全部使用模擬量信號(hào)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(luò)，控制信號(hào)和采集信號(hào)全部使用模擬量信號(hào)形式進(jìn)入遠(yuǎn)程IO站的模擬量采集模塊。

該兩種控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)都過(guò)于簡(jiǎn)單，控制指令都是單獨(dú)下發(fā)給執(zhí)行器件，采集信號(hào)的處理也依靠控制器或者PLC，本文設(shè)計(jì)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(luò)，分別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、PLC及其遠(yuǎn)程IO站的控制網(wǎng)絡(luò)、傳感器的信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)、控制伺服閥的執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)、帶診斷功能的MCC布線(xiàn)系統(tǒng)和操作及其狀態(tài)的布線(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[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(dú)立的通訊能力，連同傳感器采集信號(hào)，組成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的閉環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)，能夠更好地執(zhí)行PLC下達(dá)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(luò)

以太網(wǎng)中用于解決數(shù)據(jù)碰撞的機(jī)制帶來(lái)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，為了達(dá)到實(shí)時(shí)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(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)按照對(duì)確定性的等級(jí)需求不同而采用不同的實(shí)現(xiàn)方法：PROFINET RT通常用于軟實(shí)時(shí)或沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用場(chǎng)合，而PROFINET IRT則針對(duì)硬實(shí)時(shí)應(yīng)用。該技術(shù)是基于以太網(wǎng)之上的PROFINET I/O的成功應(yīng)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(luò)的布局[9]。

為了覆蓋不同的性能等級(jí)，PROFINET使得各協(xié)議和服務(wù)可自由采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者原則。高優(yōu)先級(jí)的有效載荷數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)現(xiàn)循環(huán)周期時(shí)間約10 ms的I/O應(yīng)用。對(duì)于時(shí)鐘同步周期時(shí)間要求低于毫秒級(jí)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，則提供PROFINET IRT，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分時(shí)復(fù)用的硬件同步開(kāi)關(guān)-所謂的動(dòng)態(tài)幀包裝(DFP)，為用戶(hù)提供一個(gè)新的PROFINET循環(huán)時(shí)間的優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。

應(yīng)用于該蒙皮拉形機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)全部使用UDP/IP。應(yīng)用于該蒙皮拉形機(jī)PLC控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)全部使用PROFINET IRT。

2 該蒙皮拉形機(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該蒙皮拉形機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)的綜合集成監(jiān)控系統(tǒng)。主要對(duì)該蒙皮拉形機(jī)的過(guò)程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)及工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和管理，同時(shí)完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理，參數(shù)管理，機(jī)組狀態(tài)設(shè)置，數(shù)據(jù)及通訊管理等功能，為用戶(hù)提供產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)績(jī)和設(shè)備工作實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)交換機(jī)，一臺(tái)位于現(xiàn)場(chǎng)操作室，負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場(chǎng)操作站及打印設(shè)備等。另一臺(tái)位于電氣室，負(fù)責(zé)連接服務(wù)器、操作站、HMI、PDA站、工程師站、打印機(jī)等。主要完成鍍錫準(zhǔn)備機(jī)組各分段設(shè)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(dá)和L1生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)的收集存儲(chǔ)，同時(shí)負(fù)責(zé)與MES(L3)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在該局域網(wǎng)絡(luò)上基于UDP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊連接,如圖1所示。

3 該蒙皮拉形機(jī)PLC及其遠(yuǎn)程IO站的控制網(wǎng)絡(luò)

可編程序控制器選用SIEMENS-S1518-4PN型產(chǎn)品,用于機(jī)組的自動(dòng)化控制。包括機(jī)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(cè)分類(lèi)報(bào)警控制等[11-13]。

現(xiàn)場(chǎng)IO遠(yuǎn)程站用于開(kāi)關(guān)量和模擬量檢測(cè)信號(hào)的采集、開(kāi)關(guān)閥的控制等。

PLC與現(xiàn)場(chǎng)IO遠(yuǎn)程站控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)全部使用PROFINET IRT。PLC的PROFINET端口X1連接左側(cè)ET200遠(yuǎn)程站的X1端口，組成PROFINET1子網(wǎng)絡(luò)。PLC的PROFINET端口X2連接右側(cè)ET200遠(yuǎn)程站的X1端口，組成PROFINET2子網(wǎng)絡(luò)。兩臺(tái)遠(yuǎn)程IO站并行連接進(jìn)入總的PROFINET網(wǎng)絡(luò)，其中一臺(tái)掉站不會(huì)影響其他遠(yuǎn)程站工作，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)掉站狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)分級(jí)處理,如圖2所示。

圖2 PLC及其遠(yuǎn)程IO站的控制網(wǎng)絡(luò)

4 該蒙皮拉形機(jī)傳感器的信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)

該蒙皮拉形機(jī)的傳感器網(wǎng)絡(luò)元件主要由動(dòng)作油缸的位移傳感器、液壓控制回路的壓力傳感器、機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度測(cè)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(hù)傳感器組成。

PLC與現(xiàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的信號(hào)采集全部使用PROFINET網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)形式全部使用PROFINET IRT。根據(jù)設(shè)備布置的工藝需求，把左側(cè)的傳感器群和右側(cè)的傳感器群分為兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，左側(cè)子網(wǎng)絡(luò)為PROFINET3，右側(cè)子網(wǎng)絡(luò)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(luò)最后一臺(tái)設(shè)備左旋轉(zhuǎn)的X1端口，這樣就組成的PROFINET3子網(wǎng)絡(luò)。同理，右側(cè)組成PROFINET4子網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器之間采用級(jí)聯(lián)的形式，所有傳感器都帶路由功能，保證其中一臺(tái)傳感器損壞時(shí)候其他傳感器也能正常工作,如圖3所示。

圖3 傳感器信號(hào)的采集網(wǎng)絡(luò)

5 該蒙皮拉形機(jī)控制伺服閥的執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)

該蒙皮拉形機(jī)的伺服閥執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)主要由動(dòng)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(dòng)作油缸液壓控制回路的壓力傳感器、動(dòng)作油缸位置測(cè)量傳感器[17][18]組成一個(gè)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(dú)立的通訊能力，使得同步油缸之間實(shí)現(xiàn)基層的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制。

PLC與數(shù)字閥、現(xiàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的信號(hào)采集全部使用PROFINET網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)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(luò)和PLC同步PROFINET網(wǎng)絡(luò)。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(luò)最后一臺(tái)設(shè)備右升降數(shù)字閥的X1端口，這樣就組成了PROFINET5子網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)是子網(wǎng)同步的PROFINET網(wǎng)絡(luò)，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(cè)量傳感器組成一個(gè)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(dú)立的通訊能力，連同傳感器采集信號(hào)，組成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的閉環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)，能夠更好的執(zhí)行PLC下達(dá)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(gè)新的PROFINET8子網(wǎng)，來(lái)執(zhí)行升降系統(tǒng)的同步工藝。

沒(méi)有同步要求的其余數(shù)字閥組成PROFINET6網(wǎng)絡(luò)，PLC的PROFINET端口X6連接左旋轉(zhuǎn)數(shù)字閥的X1端口，左旋轉(zhuǎn)的X2端口連接右旋轉(zhuǎn)的X1端口，直到最后一臺(tái)沒(méi)有同步要求的數(shù)字閥設(shè)備。他們直接單獨(dú)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(jí)聯(lián)的形式，所有數(shù)字閥都帶路由功能，保證其中一臺(tái)伺服閥故障時(shí)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(luò)

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

該蒙皮拉形機(jī)的布線(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由MCC執(zhí)行布線(xiàn)系統(tǒng)和操作及其狀態(tài)布線(xiàn)系統(tǒng)組成,如圖5所示。MCC執(zhí)行系統(tǒng)的布線(xiàn)控制柜與傳統(tǒng)控制柜比較，開(kāi)關(guān)設(shè)備部件全部由智能布線(xiàn)設(shè)備連接；開(kāi)關(guān)設(shè)備和PLC之間的傳統(tǒng)控制接線(xiàn)被智能布線(xiàn)系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的接線(xiàn)技術(shù)所替代；集中和分散的I/O層直接集成到了開(kāi)關(guān)設(shè)備層。

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

常規(guī)操作及其狀態(tài)的設(shè)備，按鈕指示燈都是單獨(dú)接線(xiàn)，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(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。操作及其狀態(tài)的智能布線(xiàn)技術(shù)只需要一根扁平電纜，節(jié)省時(shí)間，減少出錯(cuò)。更關(guān)鍵的是，每個(gè)按鈕通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)了自診斷。

PLC的PROFINET端口X7連接布線(xiàn)系統(tǒng)的接口模塊X1端口，PLC硬件組態(tài)中通過(guò)布線(xiàn)系統(tǒng)GSD文件約定的報(bào)文格式和報(bào)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(kāi)關(guān)狀態(tài)和按鈕系統(tǒng)的操作狀態(tài)。

7 實(shí)際測(cè)試論證

使用IBA公司的PDA軟件，通過(guò)信號(hào)采集辦卡，對(duì)蒙皮拉形機(jī)拉伸油缸的同步控制進(jìn)行監(jiān)控。

使用PLC程序通過(guò)單獨(dú)主PROFINET網(wǎng)絡(luò)對(duì)拉伸油缸位移傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，在PLC中利用PID調(diào)節(jié)器對(duì)拉伸缸伺服閥進(jìn)行控制[19-20]，測(cè)試得到拉伸油缸位移傳感器反饋進(jìn)PLC的位置控制曲線(xiàn),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(cè)量傳感器組成一個(gè)新的PROFINET子網(wǎng)，在伺服閥控制器中利用PID調(diào)節(jié)器對(duì)拉伸缸伺服閥進(jìn)行控制，測(cè)試得到PROFINET主網(wǎng)絡(luò)反饋的拉伸位置控制曲線(xiàn)。

圖6 兩種不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)比

通過(guò)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，可以看到相同控制參數(shù)下不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下拉伸油缸到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間差異，本文論述的子網(wǎng)絡(luò)通訊延遲比單獨(dú)PLC主網(wǎng)絡(luò)的10 ms減小至1 ms。同時(shí)，明顯看出子網(wǎng)PROFINET網(wǎng)絡(luò)下信號(hào)采集曲線(xiàn)點(diǎn)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(jié)束語(yǔ)

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(luò)，文中詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)PLC及其遠(yuǎn)程I0站的控制網(wǎng)絡(luò)、傳感器的信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)、控制伺服閥的執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)、帶診斷功能的MCC布線(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，這五部分網(wǎng)絡(luò)在同一網(wǎng)段，針對(duì)執(zhí)行不同工藝任務(wù)需求，又能靈活的建立新的執(zhí)行子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)一網(wǎng)通，同時(shí)縮短了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，使得整個(gè)電控控制系統(tǒng)更加可靠和高效。