物流系統中PROFINET工業以太網的作用

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以多家著名自動化會員公司（例如西門子、菲尼克斯）為代表的PI國際組織推出了基于實時工業以太網的PROFINET協議標準。各個廠商以此協議標準推出了各種自動化產品和解決方案，為當前的自動化用戶提供了一個簡單可靠、完全透明的工業以太網平臺的解決方案。同時由于PROFINET能夠全面的支持IT技術，更好的融入企業生產管理系統，使得信息流、控制流一網到底成為可能。PROFINET的最主要特點如下[2]：1）數據通訊實時、穩定。以太網主要使用在對數據通訊實時性要求不高的辦公系統中，由于基于CSDA/CD的通訊技術使得在網絡負載很高的情況下，系統無法確定數據傳遞的時間。PROFINET針對自動化實時性的需求，規定了3種不同的通訊方式，確保數據通訊實時、穩定和安全，滿足現場設備的不同實時通信要求。2）多元化的網絡拓撲架構。利用工業網絡交換機很容易組成星型、樹型、環形等適合現場設備布局的系統架構。同時基于在WLAN和Bluetooth等無線技術的PROFINET給用戶帶來全方位的組網優勢，更好地適應系統現場的要求。3）全面兼容標準的TCP/IP。PROFINET全面兼容TCP/IP標準，很容易實現各種的信息技術，并借助現有成熟的IT軟件和方案，給自動化系統提供更好、更快的方案。為了滿足自動化系統的實時性要求，PROFINET協議提供了3種不同等級的通信方式，主要特點如下。

標準TCP/IP通訊PROFINET協議仍然保留了TCP/IP和IT協議標準，因此同樣具有SMTP，FTP和HTTP等標準的應用層協議，全面兼容IT的通訊技術。雖然該通訊方式的響應時間大概在100ms的量級，但是完全能夠滿足工廠級信息流控制的應用要求。

實時通訊（RT）在分布式控制系統中，主控制器與遠程IO從站之間數據交換的響應時間要求十分苛刻，典型的時間為10ms量級，原有的IT通訊方式無法滿足這么高的實時性要求。PROFINET協議標準提供了一個優化的，基于二層的實時通訊通道。經過交換機的時候，數據無需達到IP層就直接轉出，減少了數據在交換機中的處理時間，提高了數據傳遞的速度。同時PROFINET中按照IEEE802.1Q將這些數據包區分優先級，讓交換機優先處理PROFINET數據包，更好的滿足設備層的實時性要求。

同步實時通訊（IRT）運動控制在控制系統中，對于實時性要求最高，一般對于數據傳遞的要求要小于10ms。PROFINET的實時同步（IRT）技術采用高速ASIC芯片處理實時數據的循環同步，在硬件上直接開辟一條完全屬于IRT的通訊通道，即使在同一個網絡線路上其他數據負載很大的時候，也可以確保IRT數據通道暢通。在100個節點下，其響應時間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs，以此來確保控制信息及時的響應，完全滿足各種的運動控制的通訊需求。

化纖包裝物流線

紡織化纖產品已供過于求，行業競爭激烈，利潤急劇下降，生產企業壓力較大，同時去年人口普查表明，中國的人口紅利開始慢慢消失，而近幾年招工荒的出現對企業用工是一個大的挑戰。企業面對用工荒的對策是讓生產機械化現代化，降低用工數/單位產值這一比值。本項目就是這個背景下，由天圣控股集團投資，在濱海工業園區打造的化纖全自動包裝物流生產線。每天完成大約幾千噸的化纖釘的包裝和輸送工作。整個項目一共由兩個獨立的包裝車間組成，每一個包裝車間都有三條獨立的包裝線進行化纖釘的打包和輸送。在三條包裝線的末端的導軌上，兩臺小車根據不同的要求接送打包好的化纖包到制定的運輸出口，并由鏟車裝到相應的貨車上。

系統架構

該系統采用菲尼克斯的控制系統和實時以太網PROFINET架構（見圖3）。ILC350PN控制器作為主站，通過PROFINET以太網交換機連接現場側的PROFINET遠程IO系統，并通過環網結構連接到主控制箱中。由于整個控制系統中有5個在軌移動小車，因此在小車附近采用支持PROFINET的WLAN無線系統，確保控制的實時性，彌補了有線系統對于移動設備的不足，使得系統控制更加安全和快捷。同時，由于基于PROFINET的WLAN網絡又能夠全面的兼容標準的無線網絡，因此可以輕松的接入無線手持設備，在整個包裝線上，實時查詢和校驗各個工位包裝的信息是否正確。

編程模塊化

“面對對象”的編程方式已經在IT領域十分普遍，利用邏輯思維方法把日常生活匯中的問題進行抽象、歸納，然后分類、聚合，再進行繼承和封裝，最后建立能夠解決相同類型問題的軟件模型。然而在自動化控制領域，原有軟件的架構和特點仍然是注重邏輯和順序運算。菲尼克斯ILC350PN可編程邏輯控制器作為控制核心，是一款高性價比的新型PLC，滿足復雜設備制造商和中小型項目的要求，提供各種自動化功能的最佳技術和高效、靈活、經濟性的解決方案。ILC350PN是基于高性能的開發軟件PCWORX，因此使得對象模塊化編程成為可能。PCWORX中文版的編程軟件[3]，提供了標準的5種IEC編程語言（IEC61131-3）。包括功能塊圖FBD、梯形圖(LD)語言、指令列表IL、結構化文本ST和序列控制SFC。這些所有的語言可以在同一個應用程序中混合使用。其中ST、FDB和LD的混合編程，能夠使程序更加靈活，大大縮短開發時間。在該打包物流系統中，最主要的就是物流輸送過程。每一個工位的基本功能之一就是對于化纖包進行輸送，現在對最基本的三工位物流輸送實現模塊化處理。任取系統中的三個環節工位。在這三個工位上都有馬達控制，對馬達進行對象化處理，提取馬達控制的共同屬性，建立馬達FB塊。而物流傳遞過程中，三工位的傳遞方式都一樣，可以分解為接貨過程和送貨過程。對于沒有實體對象，但是具有相同功能的自動傳遞控制邏輯，也利用對象進行實例化，完成自動控制的FB塊。針對這三個工位建立三個不同的程序實例來對應不同的工位，每一個程序實例可視為具體一一對應的現場工位。在該程序實例中，利用馬達對象FB生成現場具體的馬達實例對象，利用自動控制FB塊事先前后兩個工位的控制信息傳遞，這就完成了整個工位的程序化操作。然后使用全局變量進行各個工位之間接口信號的傳遞，達到“可見即可得”的控制方式。

現場調試

基于profinet實時以太網技術的控制架構，不僅能夠滿足現場實時性的要求，同時菲尼克斯的控制系統提供全面的網絡診斷信息功能，使得現場幾十個網絡節點和遠程IO系統的通訊狀態一目了然。由于采用分布式控制和環網結構，最大程度的提高的網絡的可靠性和硬件的穩定性。對于軟件方面，利用對象模塊編程，不僅整個系統描述十分清晰，程序工作人員能以最快的方式找到系統中任何一個環節，同時也給程序調試帶來極大方便。一旦某一工位出錯，在程序中打開相應的對象工位，尋找功能模塊。在監控畫面中能讀出整個工位對象狀態，找到出錯的地方或不滿足的條件，大大縮短了程序員調試查錯的時間。由于整個控制系統中外加了基于PROFINET無線AP的功能，實現了對移動小車的無線化控制，不僅減少了硬接線的工作量，同時也為編程調試和現場維護提供了無線接入功能，調試人員可以拿著具有無限網卡功能的PC在現場隨意走動調試，為調試帶來了極大的方便。同時PROFINET工業以太網全面兼容標準的無線網絡設備，因此可以快速、方便的接入手持信息采集設備，隨時讀取物流線上的產品，跟控制系統信息流數據進行對比和校驗，確保產品信息的準確性。

結束語

PROFINE系統的開發和發展為自動化系統提供了完善的技術平臺，利用特有的通訊方式，不僅具有現場總線的實時性控制要求，同時多元化的網絡架構和傳輸介質，使得系統的擴展和維護更易實現。基于PROFINET網絡架構的物流自動化系統，不僅確保控制系統的穩定、可靠，而且通過無線和有線傳輸方式地轉換，能夠完美得滿足物流系統中各種工況的柔性控制需求。同時PROFINET兼容標準的TCP/IP，利用IT技術彌補企業管理系統無法直接采集和跟蹤現場制造數據的瓶頸，能夠為上層管理系統提供全透明的數據信息，提高企業生產效率。

作者：施華喬叢楊斌程雪暉單位：菲尼克斯（中國）投資有限公司