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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/PB Link 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 （PROFIBUS International，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 100 ms 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（Layer 2）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。SCALANCE X 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/PB Link PN IO，将 现有 PROFIBUS 透明地连接到 PROFINET 的代理设备；CP 343/443-1Advanced，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 SCALANCE X400 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 SCALANCE X200 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/O ET200S PN 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，ET200 PN 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 SCALANCE X-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 SCALANCE X414-3E 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 PROFINET IO，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Communication Component的比例，一般选 87.5%，即把网络的 12.5%分配给 CBA 通讯；
(4)创建 PROFINET Interface；
(5) 在 PROFINET Interface 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 PROFINET Interface 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 PROFINET Component，在 Component Type 中选择Singleton Component，注意：此时 Project 必须置于全英文路径下，否则出错；Name 和 Device name 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 Maintenance Station，可以实现高效的监控和维护工作。SIMATIC Maintenance Station 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 STEP 7 选择要维护的自动化系统并直接获取。根据该硬件配置，SIMATIC Maintenance Station 可以识别属于该工厂的设备， 并建立一个 WinCC 维护视图。 SIMATIC Maintenance Station 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。