王愛軍

開灤（集團）有限責任公司錢家營礦業(yè)分公司

基于PROFINET現(xiàn)場總線的副井操車電控及信號系統(tǒng)

王愛軍

開灤（集團）有限責任公司錢家營礦業(yè)分公司

PROFINET技術(shù)是PROFIBUS國際組織在1999年開始發(fā)展的新一代通信系統(tǒng)。本文詳細闡述了PROFINET在副井操車電控及信號系統(tǒng)中的應用情況，簡要地總結(jié)了應用PROFINET所帶來的諸多優(yōu)點。

PROFINET；操車；優(yōu)點

引言

PROFINET由國際組織（PROFIBUS International-PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準。該技術(shù)為當前用戶提供了一個完整高性能可伸縮的升級至工業(yè)以太網(wǎng)平臺的解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡安全等自動化領(lǐng)域的熱點話題。PROFINET作為跨供應商的戰(zhàn)略性創(chuàng)新技術(shù)，不僅能為PROFIBUS服務，而且可以為其它現(xiàn)場總線技術(shù)提供以太網(wǎng)移植服務，保護現(xiàn)有投資。

本文以開灤錢家營礦副井操車系統(tǒng)為例，詳細介紹了PROFINET在副井小罐操車電控及信號系統(tǒng)中的應用。

一、PROFINET的硬件構(gòu)成

開灤錢家營礦副井現(xiàn)有兩套提升設備，服務于三個提升水平即上井口、-450、-600水平，其中小罐操車系統(tǒng)主要負責上井口和-600水平的裝卸矸石、物料及提人任務，-450中間水平只用來提人。操車電控及信號系統(tǒng)分別采用兩套獨立供電的S7-300PLC系統(tǒng)控制；以車房為主站的信號部分采用雙PLC，互為主備的雙系統(tǒng)。主站與分站之間采用PROFINET總線方式的拓撲結(jié)構(gòu)，由工業(yè)以太網(wǎng)交換機作為網(wǎng)絡傳輸中繼設備，通過光纖進行數(shù)據(jù)交換與傳送。主站和三個分站都有設定的專用IP地址。使用ET200M遠程I∕O模塊作為從站來控制現(xiàn)場設備，通過傳感器采集外部設備的到位情況，在操作臺模擬屏上顯示。同時將井上、下設備的動作情況及報警信號傳輸?shù)浇g車房，在上位機中顯示出來。通過面板上的按鈕，給PLC指令，然后經(jīng)內(nèi)部程序運算，由PLC的輸出點帶動相應的繼電器動作，繼電器再帶動相應的液壓電磁閥，實現(xiàn)對整個操車部分的控制。

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IO設備。CP343-1擁有一個預定的唯一以太網(wǎng)地址，通過網(wǎng)絡可直接使用。CPU315-2DP模塊和CP343-1模塊兩者配合使用，可處理過程信號和直接將現(xiàn)場IO設備連接到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

三個從站均采用IM153-4PN接口模板用作ET200M的主模板，通過PROFINET處理模塊化ET 200M I∕O設備和更高級的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I∕O模板可連接到該接口模板。同步實時通訊，無需編程器即可更換模板，無MMC操作，支持維護新型IO模板。

1.3 光纖交換機

光纖交換機是一種高速的網(wǎng)絡傳輸中繼設備，是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡設備。較普通交換機而言，采用了光纖電纜作為傳輸介質(zhì)，特點是速度快、抗干擾能力強。本系統(tǒng)采用了MIE-1205工業(yè)礦用五口光纖交換機，它可以為用戶提供3個10∕100M電口和2個100M光口，非常適合應用于以太網(wǎng)端口數(shù)量不多的工業(yè)現(xiàn)場及礦井，便于通過兩個光纖接口將多個地點的設備級聯(lián)。MIE-1205工業(yè)以太網(wǎng)交換機性能穩(wěn)定、環(huán)境適應性強，網(wǎng)口符合礦用本安標準。同時支持DIN-3.5導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劃分成可以反復使用的小任務，由相應的程序塊來執(zhí)行。程序運行時所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲在數(shù)據(jù)塊中，通過組織塊OB（主要為串并時鐘等程序）、功能塊FC（主要為車房輸入、打點程序、信號閉鎖、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、存儲變量及信號閉鎖變量等程序）、系統(tǒng)功能塊SFC（保證PROFINET數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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，實現(xiàn)驅(qū)動操車系統(tǒng)部件的相應動作功能，滿足裝卸載任務的要求。其編譯的程序數(shù)據(jù)塊如圖2所示。

三、上位機監(jiān)控

本系統(tǒng)采用研華工控機P4 3.2G，1G內(nèi)存，160G硬盤，21寸彩顯作為上位機，通過光纖交換機使工控機與機架上的CP343-1模塊相連，這樣PLC與現(xiàn)場總線PROFINET就連接成能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。上位機監(jiān)控軟件采用WINCC 6.2版本組態(tài)軟件完成了在STEP7內(nèi)進行項目創(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。通過對WINCC利用、開發(fā)，形象、直觀、準確的顯示提升信號、裝卸載操車設備的動態(tài)控制過程，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控、報警、控制網(wǎng)絡通信等功能。通過設備狀態(tài)檢測功能對設備故障進行判斷、分析，縮小故障查找范圍。如當某一個傳感器出現(xiàn)故障時，可以在上位機上將故障點進行臨時封、甩，提高了工作效率。

四、應用PROFINET的優(yōu)點

在操車電控及信號系統(tǒng)中采用PROFINET網(wǎng)絡后，用總線相連接，實現(xiàn)礦井多個水平相互交換信息，具備了監(jiān)控和網(wǎng)絡功能，使得礦井工業(yè)化、信息化水平大幅提升。系統(tǒng)應用PROFINET主要有以下優(yōu)點：

4.1 實現(xiàn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的無縫集成

具有PROFIBUS和IT標準的開放透明通信，實現(xiàn)與其他現(xiàn)場總線的無縫集成。通過PROFINET，分布式現(xiàn)場設備（如現(xiàn)場IO設備）可直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，與PLC等設備通訊。并且可以達到與現(xiàn)場總線相同或更優(yōu)越的響應時間，其典型響應時間在10ms的數(shù)量級，完全能夠滿足現(xiàn)場級的使用。

4.2 網(wǎng)絡安裝的高度可用性、靈活性

PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)。為了減少布線費用，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現(xiàn)PROFINET的安裝，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。

4.3 系統(tǒng)的可靠性高、可維護性好

采用PROFINET總線連接方式代替一對一I∕O連線，減少了由于接線點過多所造成的不可靠因素。系統(tǒng)具有在線故障診斷、報警、記錄等功能，可以完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、監(jiān)控、修改編程等工作，大大增強了系統(tǒng)的可維護性。

4.4 大幅度降低成本投入

在整個系統(tǒng)的安裝和維護中，采用了PROFINET以后，使得設備的總成本在降低的同時，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工程等費用，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)省出大量的人工費用和維護費用。

五、結(jié)束語

PROFINET作為新一代工業(yè)自動化領(lǐng)域的開放式以太網(wǎng)標準，以其戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新、完整的網(wǎng)絡解決方案等諸多優(yōu)點，必將會在工業(yè)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應用前景。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999

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

[3]崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005

王愛軍（1972-），1993年畢業(yè)于河北煤炭建筑工程學院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)任開灤錢家營礦機電副總工程師。