摘要：在卷烟工业制丝自动控制线段中，各CPU与CPU之间存在数据交换，本文研究基于PROFINET，通过核实制丝生产线上每组CPU与之链接的伙伴CPU，存放地址，并启用新功能块、屏蔽旧功能块，利用PROFINET替换原来的通信方式，实现完成CPU间的数据交换。
关键词：工业以太网；PROFINET；实时性
1引言
当前，制丝线集控系统采用典型的三层式网络和传统的C/S（客户端/服务器）模式，而生产线控制层真正意义上还是采用FDL实现PROFIBUS主站和主站之间的通讯，CPU与CPU之间还保留着FDL通讯，数据读写使用专用功能块。这种情况带来的弊端就是数据读写速度慢，例如在隶属不同CPU主站的混丝加香MB39、MB40出柜和出柜处的FB105输送皮带启停时，启动和停止都有一定延时；原因为此设备段控制所属CPU为贮丝房电柜ZS3-1，与混丝段YT607存在数据交互。
除此此外，由于FDL数据链路使用时间较长而且速度慢[1]，难免出现故障，会导致生产无法进行，再者，不管是设备层的DP网络故障还是监控层的FMS网络故障，在实际排查中较为难以解决，因为其隐蔽性极强，排查起来非常困难，有时根本找不到明显的故障点。
针对上述情况，本文研究PROFINET以太网通讯功能块的用法，以一组CPU作为测试点，测试成功后再逐一替换各数据接口，因此大部分工作量还在软件部分，也就是建立各工艺段与伙伴CPU的以太网链接后，对各接口数据进行编程和修改。
2 方案设计与实施
2.1 设计分析
目前，制丝工艺线段各CPU与CPU之间存在数据交换，例如：叶片段要把贮叶柜的牌号、配方号、贮量等贮柜状态信息通过FMS发送给叶丝段，同时接收叶丝段的空柜等状态信息。当FSM网络使用时间较长而且速度慢，难免出现故障，导致生产无法进行，对生产效率和工艺质量产生不利的影响。为此，需要找到一个良好的解决方案替代原来的PROFIBUS类通信。
而PROFINET 是 PROFIBUS 国际组织（PI）提出的用于自动化的开放的工业以太网标准[2，3]，并提供了实时功能，还能与现有的现场总线系统有机的集成，具备以下特点：
（1）PROFINET 的一个重要特点是可以把其他现场总线如 PROFIBUS DP 无缝集成到 PROFINET 上[4]，借助于 PROFINET 接口的代理服务器，现有模板和设备仍然可以继续使用，这样就可以避免需要对当前的设备站点进行更换，可以避免对当前设备进行大的技术改造。
（2）PROFINET具有具有快速和循环地交换实时数据的功能[5]，它除了标准的TCP通信，还具有实时通信（RT）和等步实时通信（IRT），对于时间要求不是很苛刻的数据，如组态数据，可用TCP/IP协议；时间要求苛刻过程数据采用RT或者IRT，可以很好保障了信息传输的实时性。
（3）PROFINET通信具有不同的层次，但实时通信与基于TCP的IT通信使用同一通道，并且在分布式系统中组件间的通信应用和CPU与分布式现场设备（即IO设备）之间的通信具有一致的通信协议[6]，具有良好的可拓展性。
（4）PROFINET有自己专门的安全模块保障数据安全，并在出现故障后自动恢复到安全状态[7]。
基于以上分析，PROFINET具有很好的优势，可以满足当前制丝生产线的网络通信需求，使用PROFINET替换之前的PROFIBUS，将提高网络通信的可靠性和健壮性。
2.2 实施步骤
2.2.1 实施目标
本次研究工作以某卷烟工厂制丝生产线为实例。制丝的工艺中涵盖了多种典型的自动化技术，如变频控制、速度控制、PID等，其主要工艺流程有：
图 1 制丝工艺主要流程图
如上图所示，卷烟制丝生产线属于流水性作业，各个工序段各由一个西门子S7-400的主PLC进行自动化控制，在各个工序段之间有信息交互，例如叶片段和叶丝段，当叶片段完成烟叶加工后，要将烟叶加工完成的时间和重量发送给叶丝段，叶丝段在进行烟叶出柜生产时，则不允许叶片段再对该正在出柜的储柜进料。
本次研究工作将在两个主站之间实现PROFINET数据交换，并在叶片段（YT602）和叶丝段（YT603）之间进行测试，如下图所示。
图2 YT602和YT603主站PROFINET通信示意图
2.2.2 实施步骤
分两个步骤实施，先核实每组CPU与之链接的伙伴CPU，存放地址；然后在二线叶丝测试并搞清楚以太网通讯功能块的用法后才启用新功能块，屏蔽旧功能块。原来采用的FMS通讯方式分别在本地CPU或伙伴CPU双边调用通讯功能块。现在采用以太网通讯后，只需在单边CPU调用通讯功能块，这样能够节省CPU资源，方便查询，这是本次研究的一个亮点。
（1）建立CPU与CPU之间的以太网链接。
S7工程的网络配置中逐一建立本地CPU与伙伴CPU的S7连接，指定通讯的机架类型、IP地址、自动分配ID号后建立连接，下载网络配置后在线测试状态在“已建立”说明通讯正常。
图3.YT607与伙伴CPU连接图
（2）弄清以太网通讯功能块SFB14、SFB15用法。
图4.S7标准系统功能的用法
（3）测试下载功能块是否正常。
以YT602和YT603为例进行测试，将YT602与YT603两边读和写的数据区域核实清楚，在YT602一边调用PUT和GET系统功能块，将伙伴读取的数据存放在本块CPU的新建数据块中，在线打开数据块观察读取的数据是否正常；然后读取的数据写入到新建的数据块中，观察写入的数据是否正常。读写正常后将用于测试的新建数据块替换成要交互的数据区域。另外要注意功能块中ID号要与网络配置中对应，系统功能块状态输出显示的十进制数为非故障代码。此种方法只用于首次功能块测试。
（4）启动新功能块、屏蔽旧功能块。
在S7工程中，以太网通讯属新建功能并在OB1中调用，在数据读写正常情况下，只需将原程序块中的FC5、FC6的调用屏蔽。
图5.屏蔽旧功能块
（5）上位监控IO服务器的配置。
在下位程序修改完成后，还有上位访问PLC的通道需要打通，在上位站点的网络配置中增加连接的PLC地址，配置IO SERVER，修改INTOUCH访问名。最终使用TCP IP让上位访问下位。
2.2.3 实施效果分析
（1）现在的PROFIBUS总线拓扑结构，采用的是环形结构，不易拓展灵活性差，“一连到底”的方式将会造成一旦一段总线或者一个子站出现故障其余子站将会全部停止工作，不利于故障的排查；而PROFINET拓扑结构灵活多变，可以是星型、树型等结构，一个节点出现故障其余节点仍可通信，提高了整个自动控制系统的健壮性；
（2）现在的PROFIBUS一旦发生故障，诊断困难，没有可靠的检测仪器，主要凭借个人经验，而PROFINET由于拓扑结构的优势，故障时可能并不会对其他节点产生影响，相比较之下更容易判断故障点；并且PROFINET的故障安全机制，可以在系统出现故障后自动恢复到安全状态，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。
（3）PROFINET通信速率高，可以有10Mb/s，100Mb/s，而像当前ROFIBUS-FMS的通信速率最快为12Mb/s；并且PROFINET有专门的实时通道，可以更好的满足实时控制要求。
结论
目前的工业以太网通讯已经是成熟稳定的技术，在工业4.0、物联网时代都离不开以太网通讯。本文从PROFINET的特点开始分析，说明了PROFINET所具有的优势，并针对卷烟工厂制丝生产线网络通信中所存在的问题，通过前期的硬件搭建和现在的软件处理，本文实现了两个主站之间的PROFINET的通信，相比较之前的PROFIBUS，不仅仅加快了实时通信的精准性，还有利于网络故障的快速排除，并且，此方法具有良好的可拓展性，对于各个工艺线段的主-主、主-从通信，是一个良好的案例，通过类似的改造，可以进一步提高制丝网络的健壮性和可靠性，提高设备保障能力，同时学习和熟悉相对于现状较新的通讯方式，为将来的使用维护打下一定基础。
参考文献：
[1]万永华，张淑华，李永杰，烟厂制丝线管控系统设计与实现自动化技术与应用[J]，2011（30）
[2]高峰，工业以太网与PROFIBUS的比较研究及其在物流系统中的应用[J]，山东大学，2005（07）
[3]张丹丹，基于以太网的工业网络技术概览[J]，制造业自动化，2013（03）
[4]李旭，陈在平，基于PROFINET的实时通信技术分析[J]，天津理工大学学报，2010（02）
论文作者:朱星宇,纳淑泉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：数据论文; 以太网论文; 功能论文; 通信论文; 通讯论文; 实时论文; 叶片论文; 《电力设备》2018年第26期论文;