舒秋旺

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著“工業(yè)4.0”時代的到來，普通的PLC集中式控制模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的控制需求。在這種時代背景下，性能更優(yōu)越、技術(shù)更先進的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET應(yīng)運而生,它可以滿足圓盤澆鑄控制的所有要求，使控制系統(tǒng)更加的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。銀陽圓盤澆鑄控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)復(fù)雜的自動控制，監(jiān)控較多參數(shù)，大量的數(shù)據(jù)采集和傳輸對控制系統(tǒng)的性能提出了較高的要求［1]。針對此問題，本文利用工業(yè)以太網(wǎng)總線的特性，選定PROFINET作為通訊總線。PROFINET總線通信技術(shù)能夠與現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成，連接設(shè)備控制層、集中監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實時、高效與開放式通信。

2 PROFINET簡介

PROFINET是開放的、標準的、實時的工業(yè)以太網(wǎng)標準［2]。它具有通訊速度快、安全性能高、網(wǎng)絡(luò)兼容性好、使用便捷、抗干擾能力強等多方面優(yōu)點。借助于Profinet協(xié)議樞紐，可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約管理維護成本，而且可以實現(xiàn)生產(chǎn)和管理層實時、全面互聯(lián)互通。

PROFINET為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案。其功能包括8個主要模塊分別為：過程自動化、分布式現(xiàn)場設(shè)備、運動控制、網(wǎng)絡(luò)安裝、分布式自動化、IT標準和信息安全、故障安全和實時通訊。

PROFINET I/0設(shè)備可以分為3類：（1） I/0控制器，類似于PLC可編程控制器；（2） I/0監(jiān)視器，類似于HMI人機交互界面；（3）I/0設(shè)備，多指帶Profinet 接口的驅(qū)動或者傳感設(shè)備［3]。

3 銀陽圓盤澆鑄工藝

銀錠澆鑄是通過熔爐將銀粉煉制銀水，銀水通過澆鑄中間包澆鑄至圓盤當中，冷卻凝結(jié)后生成銀錠。在此生產(chǎn)過程中主要有熔煉、澆鑄、取板三個過程。使用的設(shè)備包括中頻爐、行走中間包、電子秤、圓盤、取板機械手等。

銀錠澆鑄工藝流程：銀粉加料→中頻升溫→銀水扒渣→倒至中間包→預(yù)熱模板→澆鑄銀錠→噴火槍吹平→機械手取板。整個工藝流程如圖1所示。該流程生產(chǎn)工藝復(fù)雜，稱量控制精度要求比較高，邏輯控制復(fù)雜，再加之銀水凝固速度快，所以澆鑄過程要求時間短?？刂茖印F(xiàn)場層數(shù)據(jù)交換量大。

4 系統(tǒng)設(shè)計方案和硬件選型

4.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

圖1 銀陽圓盤澆鑄工藝流程圖

圖2 圓盤澆鑄控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖

根據(jù)圓盤澆鑄工藝流程，該系統(tǒng)主要分為兩組澆鑄設(shè)備、一組圓盤和一套取板設(shè)備。其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架為：現(xiàn)場層、控制層和管理層三層［4]?，F(xiàn)場層為現(xiàn)場信號采集和驅(qū)動設(shè)備，主要實現(xiàn)稱重、溫度、位置等數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動；控制層為 PLC可編程控制設(shè)備，主要對采集數(shù)據(jù)分析處理與對驅(qū)動設(shè)備的控制; 管理級為上位機監(jiān)控系統(tǒng)，管理和監(jiān)視生產(chǎn)工藝各流程實時狀況。銀陽圓盤澆鑄控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖如圖 2 所示。

4.2 系統(tǒng)硬件選型

（1）PLC 控 制 器 ： 以 SIMATIC S7-1500系列PLC為主控制器，型號為：6ES7 515-2AM01-0AB0。該CPU 集成 Web 服務(wù)器以及Motion Control工藝功能，第一個接口：PROFINET I/O 控制器支持RT/IRT。

電源模塊：PM190W,輸入電壓 220 VAC，輸出電壓 24 VDC。

輸入模塊：DI16*24VDC HF集成等時同步模式。

輸入輸出模塊：DI16/DQ16*24VDC。

通訊模塊：CM PtP RS422/485HF通信模塊，支持moddus、Freeport、USS協(xié)議。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)交換機：SCALANCE X208管理型以太網(wǎng)交換機。PROFINET IO設(shè)備,具有8個10/100Mbps RJ45端口?？墒褂冒粹o設(shè)設(shè)置信令觸點，冗余電源設(shè)計。支持全 / 半雙工，LED 診斷。

（3）人機交互界面：采用SIMATIC精簡系列面板，型號為KTP1200 Basic PN。12.1"TFT顯示屏，1280*800像素，64K色；10個功能鍵；通訊接口：1個PROFINET接口和一個USB接口?？蓪崿F(xiàn)與PROFINET總線高效便捷通訊。

（4）伺服驅(qū)動系統(tǒng)：采用西門子SINAMICS V90PN和SIMOTICS S-1FL6伺服電機組成了高效便捷的伺服驅(qū)動系統(tǒng)［5]。該系統(tǒng)可實現(xiàn)位置控制、速度控制和扭矩控制，具有性能優(yōu)越、低成本、運行可靠等優(yōu)點。伺服電機內(nèi)置絕對值20位+12位多圈編碼器，可測量和記憶角度的絕對位置，在量程范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)信息具有唯一性。Profidrive驅(qū)動報文采用標準報文3，PZD-5/9，實現(xiàn)速度控制模式。

（5）稱重系統(tǒng)：選用眾加利Lark500電子秤重系統(tǒng)。雙速控制預(yù)置點、提前量自動修正、啟動閥值檢測、自動去皮、實時RTC等功能。150,000顯示分度精度；1路RS232串口，1路RS485通訊，1路 4～20mA 模擬量輸出； 100HZ PROFIBUS-DP PLC以及50HZ MODBUS-RTU 通訊數(shù)據(jù)更新速度。

5 PROFINET網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與調(diào)試

基于PROFINET通訊協(xié)議的系統(tǒng)方案，實現(xiàn)S7-1500PLC與各Profinet I/O設(shè)備的通訊［6]。在系統(tǒng)硬件組態(tài)中采用Siemens TIA V14s軟件，該軟件集西門子控制軟件和監(jiān)控軟件于一體，大大提高了工作效率。

PROFINET I/O 系統(tǒng)組態(tài)步驟如下：

（1）使用 GSD 文件將新的PROFINET I/O設(shè)備導(dǎo)入硬件目錄中。

（2）配置PROFINET I/O設(shè)備。PROFINET I/O系統(tǒng)由一個PROFINET I/O控制器和其分配的PROFINET I/O設(shè)備組成。在TIA 中，點擊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進入網(wǎng)絡(luò)視圖窗口；在硬件目錄中拖動控制器、HMI、網(wǎng)絡(luò)組件、現(xiàn)場設(shè)備等PROFINET I/O設(shè)備到視圖窗口。雙擊CPU，進入設(shè)備視圖窗口，拖動電源模塊、通訊模塊、DI、DQ、AI、AQ等模塊到導(dǎo)軌上。

（3）分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參數(shù)。在PROFINET設(shè)備的屬性窗口中點擊“PROFINET接口”，設(shè)置設(shè)備名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、實時同步等參數(shù)，一個PROFINET總線內(nèi)的所有PROFINET設(shè)備的IP地址應(yīng)當設(shè)置在同一個網(wǎng)段。對于伺服驅(qū)動設(shè)備的參數(shù)設(shè)置需要組態(tài)工藝對象如圖3所示。設(shè)置驅(qū)動器、編碼器、位置限制、回零等參數(shù)，并在拓撲視圖中組態(tài)PROFINET網(wǎng)絡(luò)［7]。

圖3 PROFINET I/O組態(tài)工藝對象

（4）保存參數(shù)配置。系統(tǒng)組態(tài)完成后，將組態(tài)信息保存，并下載到 PLC控制器中，進入循環(huán)數(shù)據(jù)交換。

（5）在 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試中，使用S7-PLCSM進行在線仿真調(diào)試，實時模擬通道信號強制和信號監(jiān)控如圖4所示。TIA軟件提供了系統(tǒng)診斷功能。該功能支持多層次的系統(tǒng)診斷。當故障發(fā)生時，故障設(shè)備以故障代碼的形式向控制器發(fā)送診斷報警。通過識別系統(tǒng)故障代碼可以準確高效的診斷和排查故障。

圖4 圓盤澆鑄在線模擬仿真

6 結(jié)束語

針對銀陽圓盤澆鑄工藝特點，設(shè)計了 PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)總線結(jié)構(gòu)，選擇了西門子S7-1500PLC作為控制系統(tǒng)和SINAMIC V90系列伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為智能運動驅(qū)動設(shè)備。結(jié)果表明：基于Profinet的工控網(wǎng)絡(luò)具有運行穩(wěn)定、維護簡單、布線成本低、網(wǎng)絡(luò)接入靈活、硬件組態(tài)方便等優(yōu)點，滿足了建設(shè)智能工廠對智能設(shè)備的要求。