智 瑩，劉 旭

(1.鞍山師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007；2.鞍山鋼鐵集團公司,遼寧 鞍山 114021)

工廠通信網(wǎng)絡(luò)主要由生產(chǎn)線和控制中心組成.工廠網(wǎng)絡(luò)可分為核心層網(wǎng)絡(luò)、匯聚層網(wǎng)絡(luò)、接入層網(wǎng)絡(luò)、無線覆蓋接入網(wǎng)和移動AGV終端網(wǎng)絡(luò).某工廠設(shè)有6條生產(chǎn)線，每條線長度300 m.控制中心靠近第一條生產(chǎn)線，距離為200 m.在有線網(wǎng)絡(luò)中，至少要在控制中心和每一條生產(chǎn)線的起點提供匯聚層交換.1輛AGV小車從生產(chǎn)線1到生產(chǎn)線6沿環(huán)形軌道行駛.車軌長度20 m，無線AP在生產(chǎn)線上每100 m設(shè)置1個[1].

控制中心完成生產(chǎn)線的總體監(jiān)控，通過AGV小車監(jiān)控生產(chǎn)線的監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù).控制中心可以監(jiān)控生產(chǎn)線狀況，同時控制中心與AGV小車設(shè)備之間可以進行實時數(shù)據(jù)交換，并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中的每個交換設(shè)備進行遠程管理[2].控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以同時訪問視頻數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù).控制中心的視頻服務(wù)器只能訪問視頻數(shù)據(jù)，不能訪問PLC的控制數(shù)據(jù)和交換機的管理數(shù)據(jù).控制中心的PLC控制器只能訪問PLC的控制數(shù)據(jù)，不能訪問視頻數(shù)據(jù)和交換機的管理數(shù)據(jù).有線網(wǎng)絡(luò)的匯聚層交換機采用3層交換機，接入層交換機采用2層交換機，匯聚層采用1 000 Mbit/s多模光纖通信.為充分考慮網(wǎng)絡(luò)的冗余性，匯聚交換機之間的冗余協(xié)議為MRP協(xié)議.采用工業(yè)無線局域網(wǎng)IEEE802.11n協(xié)議作為無線傳輸協(xié)議，AGV小車軌道要求完成無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，視頻信息和PLC控制信息要求能夠?qū)崿F(xiàn)無縫數(shù)據(jù)傳輸，IPCF協(xié)議的采用保證無縫切換AGV高速移動的數(shù)據(jù)通信.每個無線AP和無線客戶端具有1個RJ45接口，以利于將通信數(shù)據(jù)上聯(lián)到接入層交換機[3].生產(chǎn)線每100 m布置1個無線AP，采用全向天線.AGV小車中的PN控制器和控制中心的PN控制器進行實時通信，數(shù)據(jù)實時刷新時間為256 ms，其優(yōu)先級設(shè)置為最高.在AGV小車中需要將視頻信號從PLC控制網(wǎng)絡(luò)中隔離，AGV小車內(nèi)設(shè)有無線客戶端，頻率為5 GHz.在通信過程中為保證數(shù)據(jù)的安全性，同時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蛯崟r通信能力，要求對數(shù)據(jù)進行加密，設(shè)置訪問權(quán)限，以提高設(shè)備抗干擾能力[4].

1 PROFINET冗余網(wǎng)絡(luò)分析

為充分考慮網(wǎng)絡(luò)的冗余性，網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)采用MRP環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，其重構(gòu)時間為200 ms，以利于提高平均無故障時間MTBF，同時降低平均修復(fù)時間MTTR.在MRP環(huán)網(wǎng)的3層交換控制中心SCALANCE XM408-8C設(shè)置為自動冗余管理器，MRP環(huán)網(wǎng)中的其它設(shè)備設(shè)置為自動協(xié)商角色.多模光纖模塊最大傳輸距離為750 m，為滿足多模光纖的最大傳輸距離要求，并盡量減少匯聚交換機數(shù)量，在MRP環(huán)網(wǎng)中實現(xiàn)匯聚交換間的首尾相連，并形成環(huán)形結(jié)構(gòu).匯聚交換機采用SCALANCE X308，無線AP的上聯(lián)雙絞線最大傳輸距離為100 m，這樣可以保證生產(chǎn)線每100 m布置1個無線AP.整體冗余環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)物理拓撲結(jié)構(gòu)[5]如圖1所示.

圖1 冗余環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)物理拓撲

2 網(wǎng)絡(luò)層次規(guī)劃

控制中心核心網(wǎng)絡(luò)交換機SCALANCE XM408-8C采用模塊化配置，自動冗余管理MRP環(huán)網(wǎng)，以降低網(wǎng)絡(luò)管理人員工作量，其具有3層路由功能，實現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)控，PLC控制信息網(wǎng)絡(luò)通訊，應(yīng)用ACL控制功能完成視頻信號與網(wǎng)絡(luò)管理信息的隔離，同時運用VLAN功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換機管理、PLC控制信號與視頻信號間劃分[6].千兆多模光纖模塊采用SFP 992-1，以實現(xiàn)千兆多模光纖網(wǎng)絡(luò)匯聚層的數(shù)據(jù)傳輸.為完成配置信息的快速移植，運用C-PLUG實現(xiàn)簡單和快速更換設(shè)備，從而提高平均無故障時間MTBF，并降低系統(tǒng)的平均修復(fù)時間MTTR.在每條生產(chǎn)線起點，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)交換機SCALANCE X308，啟動自動冗余管理MRP環(huán)網(wǎng)，以降低MRP環(huán)網(wǎng)匯聚層交換機數(shù)量，減少硬件開銷成本.AGV小車和控制中心之間的PLC控制信息通信通過VLAN功能實現(xiàn)，同時實現(xiàn)AGV內(nèi)視頻信息與控制中心的視頻服務(wù)器的通信互通.無線接入點AP采用SCALANCE W761-1，提供AGV小車無線客戶端SCALANCE W721-1的上行鏈路.AGV小車的無線客戶端設(shè)置為SCALANCE W721-1，為使數(shù)據(jù)從AGV小車上行傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)匯聚層，最后到達控制中心，AGV小車內(nèi)設(shè)置有SCALANCE X308-2交換機，實現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)與PLC控制信息的隔離[7].

3 基于PROFINET的環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)

使用PST工具設(shè)置交換機、無線AP和無線客戶端的代理IP地址，冗余網(wǎng)絡(luò)匯聚層采用1 000 Mbps多模光纖通信.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能劃分VLAN，綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為VLAN10，視頻網(wǎng)絡(luò)為VLAN20，PLC控制網(wǎng)絡(luò)為VLAN30，交換機管理網(wǎng)絡(luò)為VLAN1.VLAN網(wǎng)關(guān)配置在控制中心的SCALANCE XM408-8C.設(shè)置靜態(tài)路由以實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與視頻網(wǎng)絡(luò)、PLC控制網(wǎng)絡(luò)的互通.PLC控制網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)、交換機管理網(wǎng)絡(luò)之間配置ACL控制列表，從而達到隔離三者的目的[8].匯聚交換機的端口設(shè)置為TRUNCK端口，這樣每個VLAN數(shù)據(jù)都可以通過此物理端口.匯聚交換機與無線AP連接采用雙絞線連接，且連接的物理端口設(shè)置為TRUNCK端口，以使多個VLAN的數(shù)據(jù)上行傳輸[9].無線AP SCALANCE W761-1工作在5GHz下，設(shè)置WPA2-PSK加密算法，將VAP 1.1通道設(shè)置為TRUNCK口，實現(xiàn)AGV小車內(nèi)VLAN數(shù)據(jù)的上行鏈路.AGV小車內(nèi)交換機SCALANCE X308-2的1個物理端口連接視頻頭，此口設(shè)置為VLAN20，另1個物理端口連接到S7 1200，此口設(shè)置為VLAN10，為提供視頻網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)和PLC控制網(wǎng)絡(luò)三者的上行鏈路，SCALANCE X308-2和無線客戶端SCALANCE W721-1連接設(shè)置為TRUNCK[10].VLAN的具體劃分如表1所示.

表1 VLAN的劃分

IP地址規(guī)劃如表2所示.

表2 IP地址規(guī)劃表

網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)如圖2所示.

在總控服務(wù)器上，使用ping命令ping所有交換機、無線AP、無線客戶端的代理IP，ping通證明通信正常.在視頻服務(wù)器上，ping S7 1200，ping 不通證明通信正常，ping AGV小車的視頻頭，ping通證明通信正常.將控制中心S7 1200配置為IO控制器，并將每個AGV小車的S7 1200配置為IO設(shè)備，利用強制表發(fā)送數(shù)據(jù)，若發(fā)送成功，證明通訊正常.在MRP環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，斷開1個多模光纖，如果通信正常，則證明MRP環(huán)網(wǎng)絡(luò)配置正確[11].在此冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中有8個潛在的故障點，根據(jù)MRP環(huán)網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠承受的最大故障點數(shù)為1.在工廠生產(chǎn)線需要擴展時，如增加生產(chǎn)線7，首先斷開冗余環(huán)網(wǎng)，然后增加1臺SCALANCE X308匯聚交換機于環(huán)網(wǎng)中，根據(jù)MRP環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議，新SCALANCE X308匯聚交換機通過200 ms的重新組態(tài)，MRP環(huán)網(wǎng)收斂，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)的無縫升級，延時停機時間為0[12].

圖2 網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)

4 結(jié)論

根據(jù)廠區(qū)的物理布局，設(shè)計實現(xiàn)了冗余環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，針對PROFINET網(wǎng)絡(luò)組件的選型分析，實現(xiàn)了核心層交換、匯聚層交換、接入層交換、無線AP、無線客戶端的快速收斂，利用MRP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提高了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性與實時性，運用靜態(tài)路由完成PLC、視頻、網(wǎng)絡(luò)管理的總體監(jiān)控，利用ACL與VLAN技術(shù)實現(xiàn)了三者的有效隔離，應(yīng)用無線覆蓋技術(shù)與TRUNCK接口設(shè)計了AGV小車的上行鏈路.基于PROFINET的MRP自動協(xié)商，完成了網(wǎng)絡(luò)分布的故障監(jiān)測方法，從而建立環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

[1] 陳曦,張桂紅.PROFINET IO系統(tǒng)實時報文的深入解析[J].中國儀器儀表,2015(2):34-36.

[2] 楊琦慧.PROFINET網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)隨機時延補償研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[3] 劉海波,董玉杰,王玉梅.基于PROFINET的井下保護與監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭工程,2015,47(5):18-20.

[4] 馬天才,宋壘陽,林維康.基于Profinet的安全氣囊自動裝配生產(chǎn)產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2016,38(12):118-120.

[5] 周生偉,張金龍.PROFINET智能從站在硬件配置中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2016,51(4):75-76.

[6] 韓麗.基于S7-1500的PROFINET通信方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2016(11):24-25.

[7] 崔玉朋,張薇,王萬峰,等.淺談PROFINET在汽車制造的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,2016(1):6-10.

[8] 馮春山.PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)研究[J].設(shè)備管理與維修,2016(1):25-26.

[9] 李夢迪.基于以太網(wǎng)的智能工廠柔性制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].石家莊：河北工程大學(xué),2016.

[10] 許珍珍,戚振棟,范禮峰.基于Profinet協(xié)議條煙輸送線故障統(tǒng)計系統(tǒng)的設(shè)計[J].信息系統(tǒng)工程,2016(6):33-35.

[11] 沈經(jīng).PROFINET用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的標準和協(xié)議[J].儀器儀表標準化與計量,2016(2):2-3.

[12] 黃立國.ProfiNet技術(shù)在深水井網(wǎng)絡(luò)改造中的研究與應(yīng)用[J].石油化工自動化,2016,52(1):69-70+73.