王愛(ài)軍

開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司錢家營(yíng)礦業(yè)分公司

基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)

王愛(ài)軍

開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司錢家營(yíng)礦業(yè)分公司

PROFINET技術(shù)是PROFIBUS國(guó)際組織在1999年開(kāi)始發(fā)展的新一代通信系統(tǒng)。本文詳細(xì)闡述了PROFINET在副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，簡(jiǎn)要地總結(jié)了應(yīng)用PROFINET所帶來(lái)的諸多優(yōu)點(diǎn)。

PROFINET；操車；優(yōu)點(diǎn)

引言

PROFINET由國(guó)際組織（PROFIBUS International-PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)為當(dāng)前用戶提供了一個(gè)完整高性能可伸縮的升級(jí)至工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)的解決方案，囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。PROFINET作為跨供應(yīng)商的戰(zhàn)略性創(chuàng)新技術(shù)，不僅能為PROFIBUS服務(wù)，而且可以為其它現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)提供以太網(wǎng)移植服務(wù)，保護(hù)現(xiàn)有投資。

本文以開(kāi)灤錢家營(yíng)礦副井操車系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了PROFINET在副井小罐操車電控及信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

一、PROFINET的硬件構(gòu)成

開(kāi)灤錢家營(yíng)礦副井現(xiàn)有兩套提升設(shè)備，服務(wù)于三個(gè)提升水平即上井口、-450、-600水平，其中小罐操車系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)上井口和-600水平的裝卸矸石、物料及提人任務(wù)，-450中間水平只用來(lái)提人。操車電控及信號(hào)系統(tǒng)分別采用兩套獨(dú)立供電的S7-300PLC系統(tǒng)控制；以車房為主站的信號(hào)部分采用雙PLC，互為主備的雙系統(tǒng)。主站與分站之間采用PROFINET總線方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸中繼設(shè)備，通過(guò)光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與傳送。主站和三個(gè)分站都有設(shè)定的專用IP地址。使用ET200M遠(yuǎn)程I∕O模塊作為從站來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過(guò)傳感器采集外部設(shè)備的到位情況，在操作臺(tái)模擬屏上顯示。同時(shí)將井上、下設(shè)備的動(dòng)作情況及報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)浇g車房，在上位機(jī)中顯示出來(lái)。通過(guò)面板上的按鈕，給PLC指令，然后經(jīng)內(nèi)部程序運(yùn)算，由PLC的輸出點(diǎn)帶動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，繼電器再帶動(dòng)相應(yīng)的液壓電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)操車部分的控制。

1.1 SIMATICS7主站

圖1 硬件系統(tǒng)圖

本系統(tǒng)選用CPU315-2DP模塊和CP343-1模塊系統(tǒng)作為IO控制器的主站控制中心和工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理中心。CPU315-2 DP是一款帶有中／大規(guī)模程序量和PROFIBUSDP主／從接口的CPU，它除了可以組成集中式I∕O結(jié)構(gòu)，還可以組成分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。CP343-1用于連接S7-300 PLC到PROFINET，作為IO控制器連接現(xiàn)場(chǎng)IO設(shè)備。CP343-1擁有一個(gè)預(yù)定的唯一以太網(wǎng)地址，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可直接使用。CPU315-2DP模塊和CP343-1模塊兩者配合使用，可處理過(guò)程信號(hào)和直接將現(xiàn)場(chǎng)IO設(shè)備連接到PROFINET上。其硬件系統(tǒng)圖如圖1。

1.2 從站（1）IM153-4、（2）IM153-4、（3）IM153-4

三個(gè)從站均采用IM153-4PN接口模板用作ET200M的主模板，通過(guò)PROFINET處理模塊化ET 200M I∕O設(shè)備和更高級(jí)的IO控制器之間的所有通信。在S7-300可編程序控制器模板范圍內(nèi)，最多12個(gè)I∕O模板可連接到該接口模板。同步實(shí)時(shí)通訊，無(wú)需編程器即可更換模板，無(wú)MMC操作，支持維護(hù)新型IO模板。

1.3 光纖交換機(jī)

光纖交換機(jī)是一種高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸中繼設(shè)備，是一種基于MAC地址識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。較普通交換機(jī)而言，采用了光纖電纜作為傳輸介質(zhì)，特點(diǎn)是速度快、抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)采用了MIE-1205工業(yè)礦用五口光纖交換機(jī)，它可以為用戶提供3個(gè)10∕100M電口和2個(gè)100M光口，非常適合應(yīng)用于以太網(wǎng)端口數(shù)量不多的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及礦井，便于通過(guò)兩個(gè)光纖接口將多個(gè)地點(diǎn)的設(shè)備級(jí)聯(lián)。MIE-1205工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，網(wǎng)口符合礦用本安標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)支持DIN-3.5導(dǎo)軌安裝方式和壁掛式安裝方式，并可支持多種電源輸入。

二、軟件實(shí)現(xiàn)

圖2 程序數(shù)據(jù)塊

該系統(tǒng)的編程軟件采用SIMATIC公司的STEP7 V5.4版本，應(yīng)用結(jié)構(gòu)法編制控制程序，將繁雜的操車控制流程和裝卸載任務(wù)劃分成可以反復(fù)使用的小任務(wù)，由相應(yīng)的程序塊來(lái)執(zhí)行。程序運(yùn)行時(shí)所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊中，通過(guò)組織塊OB（主要為串并時(shí)鐘等程序）、功能塊FC（主要為車房輸入、打點(diǎn)程序、信號(hào)閉鎖、顯示程序、油泵控制程序及操車完成等程序）、數(shù)字塊DB（主要為輸入變量、輸出變量、存儲(chǔ)變量及信號(hào)閉鎖變量等程序）、系統(tǒng)功能塊SFC（保證PROFINET數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性）等之間的調(diào)用，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集輸入、程序執(zhí)行、輸出控制等，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)操車系統(tǒng)部件的相應(yīng)動(dòng)作功能，滿足裝卸載任務(wù)的要求。其編譯的程序數(shù)據(jù)塊如圖2所示。

三、上位機(jī)監(jiān)控

本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)P4 3.2G，1G內(nèi)存，160G硬盤，21寸彩顯作為上位機(jī)，通過(guò)光纖交換機(jī)使工控機(jī)與機(jī)架上的CP343-1模塊相連，這樣PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線PROFINET就連接成能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用WINCC 6.2版本組態(tài)軟件完成了在STEP7內(nèi)進(jìn)行項(xiàng)目創(chuàng)建和管理。采用TCP∕IP協(xié)議，在STEP7中定義的變量和通信參數(shù)可以直接傳輸?shù)絎INCC中。通過(guò)對(duì)WINCC利用、開(kāi)發(fā)，形象、直觀、準(zhǔn)確的顯示提升信號(hào)、裝卸載操車設(shè)備的動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、報(bào)警、控制網(wǎng)絡(luò)通信等功能。通過(guò)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)功能對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行判斷、分析，縮小故障查找范圍。如當(dāng)某一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，可以在上位機(jī)上將故障點(diǎn)進(jìn)行臨時(shí)封、甩，提高了工作效率。

四、應(yīng)用PROFINET的優(yōu)點(diǎn)

在操車電控及信號(hào)系統(tǒng)中采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)后，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)礦井多個(gè)水平相互交換信息，具備了監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)功能，使得礦井工業(yè)化、信息化水平大幅提升。系統(tǒng)應(yīng)用PROFINET主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

4.1 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的無(wú)縫集成

具有PROFIBUS和IT標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放透明通信，實(shí)現(xiàn)與其他現(xiàn)場(chǎng)總線的無(wú)縫集成。通過(guò)PROFINET，分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如現(xiàn)場(chǎng)IO設(shè)備）可直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，與PLC等設(shè)備通訊。并且可以達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)總線相同或更優(yōu)越的響應(yīng)時(shí)間，其典型響應(yīng)時(shí)間在10ms的數(shù)量級(jí)，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的使用。

4.2 網(wǎng)絡(luò)安裝的高度可用性、靈活性

PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了減少布線費(fèi)用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具以幫助用戶方便的實(shí)現(xiàn)PROFINET的安裝，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)化，保證了不同制造商設(shè)備之間的兼容性。

4.3 系統(tǒng)的可靠性高、可維護(hù)性好

采用PROFINET總線連接方式代替一對(duì)一I∕O連線，減少了由于接線點(diǎn)過(guò)多所造成的不可靠因素。系統(tǒng)具有在線故障診斷、報(bào)警、記錄等功能，可以完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控、修改編程等工作，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

4.4 大幅度降低成本投入

在整個(gè)系統(tǒng)的安裝和維護(hù)中，采用了PROFINET以后，使得設(shè)備的總成本在降低的同時(shí)，又省去了大量的電纜、觸發(fā)模塊、繼電器、接觸器以及電纜敷設(shè)工程等費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本。此外，由于系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性得以提高，還可以節(jié)省出大量的人工費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。

五、結(jié)束語(yǔ)

PROFINET作為新一代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放式以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以其戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新、完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案等諸多優(yōu)點(diǎn)，必將會(huì)在工業(yè)領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景。

[1]陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999

[2]王樹東，等.基于PROFINET和PROFIBUS集成網(wǎng)絡(luò)的熔煉集散控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2009，（3）：26-30

[3]崔堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

王愛(ài)軍（1972-），1993年畢業(yè)于河北煤炭建筑工程學(xué)院電氣自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任開(kāi)灤錢家營(yíng)礦機(jī)電副總工程師。