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        物流系統(tǒng)中基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)用研究

        2013-08-22 07:35:00華,喬叢,楊斌,程
        制造業(yè)自動(dòng)化 2013年11期
        關(guān)鍵詞:物流系統(tǒng)

        施 華,喬 叢,楊 斌,程 雪

        (菲尼克斯(中國(guó))投資有限公司,南京 211100)

        0 引言

        隨著以太網(wǎng)和信息技術(shù)(IT)的高速發(fā)展,IT技術(shù)從原有的辦公管理走向工業(yè)實(shí)時(shí)控制已成為自動(dòng)化系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。將信息技術(shù)集成到自動(dòng)化技術(shù)中,信息層、控制層和設(shè)備層都采用以太網(wǎng)技術(shù),可以使自動(dòng)化系統(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)之間的通信接口、各層間的診斷和遠(yuǎn)程服務(wù)功能等變得更方便和完善。但是自動(dòng)化系統(tǒng)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、安全性、易用性等方面提出更高的要求[1]。

        PROFINET作為一種標(biāo)準(zhǔn)的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,不僅滿足了自動(dòng)化控制的實(shí)時(shí)性通訊要求,同時(shí)為自動(dòng)化系統(tǒng)提供多元化的解決方案,而且也為基于IT的信息技術(shù)和控制理念在自動(dòng)化控制提供了高效的技術(shù)平臺(tái)。本文以自動(dòng)化物流系統(tǒng)中應(yīng)用為基礎(chǔ),介紹了PROFINET技術(shù)在物流系統(tǒng)中的多介質(zhì)、高柔性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基于IT的控制技術(shù)理念,滿足物流系統(tǒng)靜、動(dòng)不同工位之間的控制切換,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

        1 工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)PROFINET

        自從上個(gè)世紀(jì)菲尼克斯提出世界第一種現(xiàn)場(chǎng)總線INTERBUS后,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使得自動(dòng)化控制系統(tǒng)由單一整體的控制模式變?yōu)榉植际娇刂品绞?,更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求。但是隨著大規(guī)模自動(dòng)系統(tǒng)的控制要求越來(lái)越高,并不斷地受到來(lái)自于上層生產(chǎn)管理的集成需要(例如EMS, ERP),使得自動(dòng)化不得不借鑒現(xiàn)有成熟的IT技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)早就廣泛的使用在辦公領(lǐng)域,并成為當(dāng)今世界最普遍的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),但是原有的通訊機(jī)制無(wú)法直接滿足自動(dòng)化控制的需求,因此研究如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)通訊,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)診斷能力等技術(shù)成為當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的方向。

        以多家著名自動(dòng)化會(huì)員公司(例如西門子、菲尼克斯)為代表的PI國(guó)際組織推出了基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的PROFINET協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)廠商以此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)推出了各種自動(dòng)化產(chǎn)品和解決方案,為當(dāng)前的自動(dòng)化用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠、完全透明的工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)的解決方案。同時(shí)由于PROFINET能夠全面的支持IT技術(shù),更好的融入企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng),使得信息流、控制流一網(wǎng)到底成為可能。PROFINET的最主要特點(diǎn)如下[2]:

        1)數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。以太網(wǎng)主要使用在對(duì)數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性要求不高的辦公系統(tǒng)中,由于基于CSDA/CD的通訊技術(shù)使得在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很高的情況下,系統(tǒng)無(wú)法確定數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間。PROFINET針對(duì)自動(dòng)化實(shí)時(shí)性的需求,規(guī)定了3種不同的通訊方式,確保數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)、穩(wěn)定和安全,滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的不同實(shí)時(shí)通信要求。

        2)多元化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)。利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)很容易組成星型、樹(shù)型、環(huán)形等適合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局的系統(tǒng)架構(gòu)。同時(shí)基于在WLAN和Bluetooth等無(wú)線技術(shù)的PROFINET給用戶帶來(lái)全方位的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì),更好地適應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的要求。

        3)全面兼容標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP。PROFINET全面兼容TCP/IP標(biāo)準(zhǔn),很容易實(shí)現(xiàn)各種的信息技術(shù),并借助現(xiàn)有成熟的IT軟件和方案,給自動(dòng)化系統(tǒng)提供更好、更快的方案。

        為了滿足自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,PROFINET協(xié)議提供了3種不同等級(jí)的通信方式,主要特點(diǎn)如下。

        1.1 標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通訊

        PROFINET協(xié)議仍然保留了TCP/IP和IT協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),因此同樣具有SMTP,F(xiàn)TP和HTTP等標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層協(xié)議,全面兼容IT的通訊技術(shù)。雖然該通訊方式的響應(yīng)時(shí)間大概在100ms的量級(jí),但是完全能夠滿足工廠級(jí)信息流控制的應(yīng)用要求。

        1.2 實(shí)時(shí)通訊(RT)

        在分布式控制系統(tǒng)中,主控制器與遠(yuǎn)程IO從站之間數(shù)據(jù)交換的響應(yīng)時(shí)間要求十分苛刻,典型的時(shí)間為10ms量級(jí),原有的IT通訊方式無(wú)法滿足這么高的實(shí)時(shí)性要求。PROFINET協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)優(yōu)化的,基于二層的實(shí)時(shí)通訊通道。經(jīng)過(guò)交換機(jī)的時(shí)候,數(shù)據(jù)無(wú)需達(dá)到IP層就直接轉(zhuǎn)出,減少了數(shù)據(jù)在交換機(jī)中的處理時(shí)間,提高了數(shù)據(jù)傳遞的速度。同時(shí)PROFINET中按照IEEE 802.1Q將這些數(shù)據(jù)包區(qū)分優(yōu)先級(jí),讓交換機(jī)優(yōu)先處理PROFINET數(shù)據(jù)包,更好的滿足設(shè)備層的實(shí)時(shí)性要求。

        1.3 同步實(shí)時(shí)通訊(IRT)

        運(yùn)動(dòng)控制在控制系統(tǒng)中,對(duì)于實(shí)時(shí)性要求最高,一般對(duì)于數(shù)據(jù)傳遞的要求要小于10ms。PROFINET的實(shí)時(shí)同步(IRT)技術(shù)采用高速ASIC芯片處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的循環(huán)同步,在硬件上直接開(kāi)辟一條完全屬于IRT的通訊通道,即使在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)線路上其他數(shù)據(jù)負(fù)載很大的時(shí)候,也可以確保IRT數(shù)據(jù)通道暢通。在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下,其響應(yīng)時(shí)間要小于1ms,抖動(dòng)誤差要小于1μs,以此來(lái)確??刂菩畔⒓皶r(shí)的響應(yīng),完全滿足各種的運(yùn)動(dòng)控制的通訊需求。

        圖1 PROFINET實(shí)時(shí)通訊

        2 化纖包裝物流線

        紡織化纖產(chǎn)品已供過(guò)于求,行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈,利潤(rùn)急劇下降,生產(chǎn)企業(yè)壓力較大,同時(shí)去年人口普查表明,中國(guó)的人口紅利開(kāi)始慢慢消失,而近幾年招工荒的出現(xiàn)對(duì)企業(yè)用工是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。企業(yè)面對(duì)用工荒的對(duì)策是讓生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)代化,降低用工數(shù)/單位產(chǎn)值這一比值。本項(xiàng)目就是這個(gè)背景下,由天圣控股集團(tuán)投資,在濱海工業(yè)園區(qū)打造的化纖全自動(dòng)包裝物流生產(chǎn)線。

        每天完成大約幾千噸的化纖釘?shù)陌b和輸送工作。整個(gè)項(xiàng)目一共由兩個(gè)獨(dú)立的包裝車間組成,每一個(gè)包裝車間都有三條獨(dú)立的包裝線進(jìn)行化纖釘?shù)拇虬洼斔?。在三條包裝線的末端的導(dǎo)軌上,兩臺(tái)小車根據(jù)不同的要求接送打包好的化纖包到制定的運(yùn)輸出口,并由鏟車裝到相應(yīng)的貨車上。

        圖2 化纖包裝線工位分布

        3 系統(tǒng)架構(gòu)

        該系統(tǒng)采用菲尼克斯的控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)PROFINET架構(gòu)(見(jiàn)圖3)。ILC350PN控制器作為主站,通過(guò)PROFINET以太網(wǎng)交換機(jī)連接現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的PROFINET遠(yuǎn)程IO系統(tǒng),并通過(guò)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)連接到主控制箱中。由于整個(gè)控制系統(tǒng)中有5個(gè)在軌移動(dòng)小車,因此在小車附近采用支持PROFINET的WLAN無(wú)線系統(tǒng),確保控制的實(shí)時(shí)性,彌補(bǔ)了有線系統(tǒng)對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的不足,使得系統(tǒng)控制更加安全和快捷。同時(shí),由于基于PROFINET的WLAN網(wǎng)絡(luò)又能夠全面的兼容標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),因此可以輕松的接入無(wú)線手持設(shè)備,在整個(gè)包裝線上,實(shí)時(shí)查詢和校驗(yàn)各個(gè)工位包裝的信息是否正確。

        圖3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

        4 編程模塊化

        “面對(duì)對(duì)象”的編程方式已經(jīng)在IT領(lǐng)域十分普遍,利用邏輯思維方法把日常生活匯中的問(wèn)題進(jìn)行抽象、歸納,然后分類、聚合,再進(jìn)行繼承和封裝,最后建立能夠解決相同類型問(wèn)題的軟件模型。然而在自動(dòng)化控制領(lǐng)域,原有軟件的架構(gòu)和特點(diǎn)仍然是注重邏輯和順序運(yùn)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(jià)比的新型PLC,滿足復(fù)雜設(shè)備制造商和中小型項(xiàng)目的要求,提供各種自動(dòng)化功能的最佳技術(shù)和高效、靈活、經(jīng)濟(jì)性的解決方案。ILC350PN是基于高性能的開(kāi)發(fā)軟件PCWORX,因此使得對(duì)象模塊化編程成為可能。

        PCWORX中文版的編程軟件[3],提供了標(biāo)準(zhǔn)的5種IEC編程語(yǔ)言(IEC 61131-3)。包括功能塊圖FBD、梯形圖 (LD) 語(yǔ)言、指令列表 IL、結(jié)構(gòu)化文本ST和序列控制 SFC。這些所有的語(yǔ)言可以在同一個(gè)應(yīng)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(kāi)發(fā)時(shí)間。

        在該打包物流系統(tǒng)中,最主要的就是物流輸送過(guò)程。每一個(gè)工位的基本功能之一就是對(duì)于化纖包進(jìn)行輸送,現(xiàn)在對(duì)最基本的三工位物流輸送實(shí)現(xiàn)模塊化處理。任取系統(tǒng)中的三個(gè)環(huán)節(jié)工位。示意圖如圖4所示。

        圖4 三工位物流輸送示意圖

        在這三個(gè)工位上都有馬達(dá)控制,對(duì)馬達(dá)進(jìn)行對(duì)象化處理,提取馬達(dá)控制的共同屬性,建立馬達(dá)FB塊。而物流傳遞過(guò)程中,三工位的傳遞方式都一樣,可以分解為接貨過(guò)程和送貨過(guò)程。對(duì)于沒(méi)有實(shí)體對(duì)象,但是具有相同功能的自動(dòng)傳遞控制邏輯,也利用對(duì)象進(jìn)行實(shí)例化,完成自動(dòng)控制的FB塊。針對(duì)這三個(gè)工位建立三個(gè)不同的程序?qū)嵗齺?lái)對(duì)應(yīng)不同的工位,每一個(gè)程序?qū)嵗梢暈榫唧w一一對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)工位。在該程序?qū)嵗校民R達(dá)對(duì)象FB生成現(xiàn)場(chǎng)具體的馬達(dá)實(shí)例對(duì)象,利用自動(dòng)控制FB塊事先前后兩個(gè)工位的控制信息傳遞,這就完成了整個(gè)工位的程序化操作。然后使用全局變量進(jìn)行各個(gè)工位之間接口信號(hào)的傳遞,達(dá)到“可見(jiàn)即可得”的控制方式。

        5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

        基于PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的控制架構(gòu),不僅能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性的要求,同時(shí)菲尼克斯的控制系統(tǒng)提供全面的網(wǎng)絡(luò)診斷信息功能,使得現(xiàn)場(chǎng)幾十個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)的通訊狀態(tài)一目了然。由于采用分布式控制和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),最大程度的提高的網(wǎng)絡(luò)的可靠性和硬件的穩(wěn)定性。

        圖5 軟件控制架構(gòu)

        對(duì)于軟件方面,利用對(duì)象模塊編程,不僅整個(gè)系統(tǒng)描述十分清晰,程序工作人員能以最快的方式找到系統(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié),同時(shí)也給程序調(diào)試帶來(lái)極大方便。一旦某一工位出錯(cuò),在程序中打開(kāi)相應(yīng)的對(duì)象工位,尋找功能模塊。在監(jiān)控畫面中能讀出整個(gè)工位對(duì)象狀態(tài),找到出錯(cuò)的地方或不滿足的條件,大大縮短了程序員調(diào)試查錯(cuò)的時(shí)間。

        由于整個(gè)控制系統(tǒng)中外加了基于PROFINET無(wú)線AP的功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)小車的無(wú)線化控制,不僅減少了硬接線的工作量,同時(shí)也為編程調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)提供了無(wú)線接入功能,調(diào)試人員可以拿著具有無(wú)限網(wǎng)卡功能的PC在現(xiàn)場(chǎng)隨意走動(dòng)調(diào)試,為調(diào)試帶來(lái)了極大的方便。同時(shí)PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)全面兼容標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,因此可以快速、方便的接入手持信息采集設(shè)備,隨時(shí)讀取物流線上的產(chǎn)品,跟控制系統(tǒng)信息流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和校驗(yàn),確保產(chǎn)品信息的準(zhǔn)確性。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        PROFINE系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和發(fā)展為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了完善的技術(shù)平臺(tái),利用特有的通訊方式,不僅具有現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性控制要求,同時(shí)多元化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳輸介質(zhì),使得系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)更易實(shí)現(xiàn)。基于PROFINET網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物流自動(dòng)化系統(tǒng),不僅確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠,而且通過(guò)無(wú)線和有線傳輸方式地轉(zhuǎn)換,能夠完美得滿足物流系統(tǒng)中各種工況的柔性控制需求。同時(shí)PROFINET兼容標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP,利用IT技術(shù)彌補(bǔ)企業(yè)管理系統(tǒng)無(wú)法直接采集和跟蹤現(xiàn)場(chǎng)制造數(shù)據(jù)的瓶頸,能夠?yàn)樯蠈庸芾硐到y(tǒng)提供全透明的數(shù)據(jù)信息,提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

        [1] 劉丹.基于以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展歷史.2012.

        [2] 陳海東.PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介.工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線.2004.32-34

        [3] PCWORX快速入門手冊(cè)(英文版).

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