李永生，王志遠(yuǎn)

(北京奔馳汽車有限公司，北京 101399)

0 引言

工業(yè)通信把企業(yè)運(yùn)營(yíng)技術(shù)(operation technology,OT)的各方面連接起來，使得OT與企業(yè)通用的信息技術(shù)(information technology,IT)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施融合在一起構(gòu)成數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)镺T與IT的融合，使他們共用了部分網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)絡(luò)可分為自動(dòng)化層(automation)、分布層(distribution)、核心層(core)、通用服務(wù)層(common services)這四層結(jié)構(gòu)。這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)適用于有多個(gè)車間、每個(gè)車間有較多設(shè)備的大型工業(yè)企業(yè)。對(duì)于只有單個(gè)車間或者設(shè)備較少的小型工業(yè)企業(yè)，可以略去部分層。從分布層、核心層到通用服務(wù)層的三層，其通信的主要技術(shù)特征為IT。而自動(dòng)化層通信的主要技術(shù)特征為OT所特有的工業(yè)通信技術(shù)。因此，本文的研究對(duì)象工業(yè)通信特指自動(dòng)化層的通信技術(shù)。

在自動(dòng)化層中，應(yīng)用工業(yè)通信技術(shù)的主體為工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)線或設(shè)備，每條獨(dú)立的生產(chǎn)線或每臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備可稱為自動(dòng)化層的一個(gè)單元。使用典型的單元作為實(shí)例來進(jìn)行研究，能夠保證研究與實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合，由此總結(jié)得到的理念與措施可以推而廣之。本文選擇汽車制造企業(yè)里用于總裝生產(chǎn)的輸送線西門子電動(dòng)單軌系統(tǒng)(electric monorail system,EMS)作為實(shí)例。EMS的典型之處，在于它采用了多種工業(yè)通信技術(shù)，包括工業(yè)以太網(wǎng)Profinet、工業(yè)無線局域網(wǎng)(industry wireless local area networks,iWLAN)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus DP等。

1 工業(yè)通信系統(tǒng)的規(guī)劃

1.1 工業(yè)通信的技術(shù)特點(diǎn)

相對(duì)于辦公所用的通用IT，工業(yè)通信技術(shù)對(duì)性能有著較高的要求，一般配合可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)使用，以適應(yīng)嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境。與其性能相對(duì)應(yīng)，需要工業(yè)通信有相應(yīng)的技術(shù)措施，并在規(guī)劃時(shí)有針對(duì)性地主動(dòng)采用。工業(yè)通信系統(tǒng)需要具備以下技術(shù)特點(diǎn)。

①確定性和實(shí)時(shí)性。這是自動(dòng)控制對(duì)工業(yè)通信的基本要求。這一點(diǎn)也包括冗余環(huán)網(wǎng)故障時(shí)的切換時(shí)間及無線通信的漫游時(shí)間。

數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

②高可靠性。工業(yè)生產(chǎn)如果因?yàn)橥ㄐ旁蛟斐芍袛?，或者維修時(shí)間過長(zhǎng)，都會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。采用冗余環(huán)網(wǎng)，發(fā)生故障后自動(dòng)迅速切換到無故障的路徑；使用C-PLUG、LLDP技術(shù)，快速、免設(shè)置更換故障部件；使用快速連接電纜和接頭。

③適應(yīng)惡劣環(huán)境。工業(yè)環(huán)境經(jīng)常存在極端溫度、粉塵或腐蝕性、機(jī)械振動(dòng)和強(qiáng)電磁干擾。針對(duì)惡劣環(huán)境，使用無風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)，避免風(fēng)扇故障導(dǎo)致過熱；自動(dòng)鎖緊的接頭可免受振動(dòng)或異物的影響；使用具有抗電磁干擾的電纜和接頭。

④安全性。安全性主要指信息安全，需要防止未經(jīng)授權(quán)的訪問，并可以進(jìn)行安全的遠(yuǎn)程訪問等[1]。

⑤適應(yīng)移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景。在移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行可靠的工業(yè)通信。目前，西門子提供的技術(shù)主要為工業(yè)無線局域網(wǎng)iWLAN。

⑥故障安全。系統(tǒng)能在出現(xiàn)故障時(shí)，為操作員工和設(shè)備資產(chǎn)提供安全保障。比如，可以通過工業(yè)通信實(shí)現(xiàn)可靠的急停。

1.2 EMS工業(yè)通信的需求分析

EMS是用于汽車底盤裝配的主要輸送線，縱貫汽車底盤裝配流程，長(zhǎng)度可達(dá)千余米。EMS主體結(jié)構(gòu)分為兩部分，一部分是懸空固定的環(huán)形封閉的單軌，另一部分是眾多攜帶車身在單軌上自行行走的抱具。單軌和抱具分別有自己獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)。由于單軌長(zhǎng)度很長(zhǎng)，導(dǎo)致用于通信的I/O設(shè)備超過一定數(shù)量后，通常分成兩段進(jìn)行控制。這兩段I/O設(shè)備分別有自己獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，相互之間可以通信。為了協(xié)調(diào)控制眾多抱具的運(yùn)行，也是為了不影響其他控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，專門配置一個(gè)獨(dú)立的PLC與這些抱具的PLC進(jìn)行通信，可稱為專用通信PLC控制系統(tǒng)。抱具PLC控制系統(tǒng)、專用通信PLC控制系統(tǒng)、單軌PLC控制系統(tǒng)相互之間進(jìn)行通信，從而根據(jù)底盤裝配工位的工藝要求實(shí)現(xiàn)每一個(gè)抱具的行走、升降、開關(guān)與旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。汽車生產(chǎn)一般使用制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)，有與MES服務(wù)器進(jìn)行通信的需求，也有與生產(chǎn)監(jiān)控服務(wù)器和自動(dòng)化服務(wù)器進(jìn)行通信的需求，一般通過單軌PLC控制系統(tǒng)與以上服務(wù)器進(jìn)行通信。為了明確以上需求，需求方應(yīng)提供設(shè)備平面圖、終端設(shè)備分布圖等。

基于以上需求，西門子現(xiàn)有的工業(yè)通信技術(shù)Profinet、iWLAN和Profibus DP都得到了應(yīng)用。Profinet是西門子的主力通信技術(shù)，用于EMS單軌PLC控制系統(tǒng)、專用通信PLC控制系統(tǒng)；iWLAN配合Profinet用于專用通信PLC與移動(dòng)設(shè)備EMS抱具之間的通信[2-5]；Profibus DP用于抱具內(nèi)部的控制通信；單軌PLC控制系統(tǒng)與專用通信PLC控制系統(tǒng)之間的通信，采用PN/PN Coupler進(jìn)行。

1.3 PLC設(shè)備選型

PLC的CPU及終端設(shè)備的選型等不在本文研究范圍。單軌控制PLC和專用通信PLC系統(tǒng)都采用CPU319-3PN/DP和ET200S、變頻器等Profinet I/O設(shè)備。

1.4 核心交換機(jī)選型

對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化單元來說，圖1所示的自動(dòng)化應(yīng)用交換機(jī)是其通信系統(tǒng)的核心，可以稱為核心交換機(jī)。表1為西門子用于一般工業(yè)應(yīng)用的Scalance X系列交換機(jī)一覽表。

表1 西門子Scalance X系列交換機(jī)一覽表

EMS單軌PLC控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)與上層進(jìn)行通信。核心交換機(jī)選型的一個(gè)重要參數(shù)是PLC控制系統(tǒng)中的終端設(shè)備數(shù)量。EMS單軌PLC控制系統(tǒng)終端設(shè)備的數(shù)量一般超過50個(gè)。PLC作為控制系統(tǒng)的核心，需要連接到核心交換機(jī)的端口。為了實(shí)現(xiàn)與上層之間的通信，需要能夠連接光纖。根據(jù)表1所示，至少需要選擇X400型交換機(jī)。本文這里以Scalance X414-3E交換機(jī)為例。

X414-3E是一種模塊化、可擴(kuò)展的高度靈活的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，基本設(shè)備包含有編號(hào)2～11的10個(gè)插槽的機(jī)架、2號(hào)插槽上的電源模塊、3號(hào)插槽上的數(shù)字量輸入模塊、4號(hào)插槽上的CPU模塊。插槽5可以插雙絞線快速以太網(wǎng)模塊或千兆位模塊，也可以插光纖千兆位模塊。此處使用了光纖千兆位模塊，具備2個(gè)光纖端口。插槽6和7可以插光纖快速以太網(wǎng)模塊，此處空置。插槽8無定義，不起作用。插槽9～11每個(gè)包含4個(gè)RJ-45插孔，共有12個(gè)雙絞線快速以太網(wǎng)端口。插槽11右側(cè)可以插入一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，可以是包含2個(gè)4端口的雙絞線快速以太網(wǎng)模塊，也可以是包含4個(gè)2端口的光纖快速以太網(wǎng)模塊。此處使用了2個(gè)4端口的雙絞線快速以太網(wǎng)模塊，即插槽12和13。這些端口的具體用途可做標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)劃。X414-3E的配置如圖2所示。

圖2 X414-3E的配置圖

1.5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

在各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，星形拓?fù)涞膶?shí)時(shí)性更好，環(huán)形拓?fù)涞目煽啃愿?。但是?duì)于EMS這種長(zhǎng)達(dá)千余米的設(shè)備來說，星形拓?fù)浜铜h(huán)形拓?fù)涞倪m用性都不如樹形拓?fù)?。樹形拓?fù)渲写嬖诓糠纸K端設(shè)備通過多個(gè)交換機(jī)形成總線型拓?fù)?。由于交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能造成的延遲，總線型拓?fù)鋵?shí)時(shí)性能較差，故需合理放置核心交換機(jī)的位置，避免把實(shí)時(shí)性要求高的終端設(shè)備置于總線末端。需要盡量減少總線型連接，可以在核心交換機(jī)之外設(shè)置作為星形拓?fù)浜诵牡慕粨Q機(jī)，附近的終端設(shè)備連接到這個(gè)交換機(jī)，然后該交換機(jī)再與核心交換機(jī)相連形成樹形拓?fù)?，一般采用X200系列交換機(jī)。由于Profinet電纜長(zhǎng)度不能超過100 m，而EMS設(shè)備較長(zhǎng)難以避免，需要采用中繼手段以保證通信的可靠性。Profinet本身沒有信號(hào)中繼的概念，但是可以采用帶有等時(shí)同步功能的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)中繼功能。一般采用X200IRT系列交換機(jī)。帶有等時(shí)同步功能的交換機(jī)采用直通轉(zhuǎn)發(fā)的方式，產(chǎn)生的延遲比采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式的交換機(jī)要短很多。

以上是單軌PLC控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，專用通信PLC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c之類似。抱具PLC控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因采用了ProfiBus DP而不同，將在下面說明。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)追求層次清晰，如上述的單軌PLC控制系統(tǒng)應(yīng)與專用通信PLC控制系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.6 單元防護(hù)

自動(dòng)化層設(shè)備單元的通信主要是工業(yè)以太網(wǎng)Profinet的實(shí)時(shí)通信，與之上三層的通用網(wǎng)絡(luò)通信不同。為了防止通用網(wǎng)絡(luò)中可能產(chǎn)生的廣播風(fēng)暴影響到自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)時(shí)通信，需要把他們劃分成不同的VLAN，并且通過防火墻實(shí)現(xiàn)本地LAN和通用網(wǎng)絡(luò)層WAN這2個(gè)不同VLAN之間的通信。為了防止通過上層通用網(wǎng)絡(luò)對(duì)自動(dòng)化層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行未經(jīng)允許的訪問，需要在上層通用網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化層網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置防火墻，只允許符合預(yù)定規(guī)則的遠(yuǎn)程訪問。VLAN和防火墻的連接均要在核心交換機(jī)上進(jìn)行設(shè)置，防火墻和虛擬局域網(wǎng)的設(shè)置如圖3所示。模塊5中的端口1和端口2是光纖端口，連接之上三層的通用網(wǎng)絡(luò)，與模塊9上的端口1劃為VLAN1；模塊9的其他端口和其他模塊劃為VLAN2，通過圖示防火墻實(shí)現(xiàn)兩個(gè)VLAN之間的通信。防火墻選用了Phoenix Contact FL MGUARD RS4000。

圖3 防火墻和虛擬局域網(wǎng)的設(shè)置圖

1.7 IP和設(shè)備名設(shè)計(jì)

每個(gè)自動(dòng)化單元或者每個(gè)PLC控制系統(tǒng)的IP地址需設(shè)置在一個(gè)IP子網(wǎng)內(nèi)。IP子網(wǎng)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)終端設(shè)備的實(shí)際需求預(yù)留，不應(yīng)設(shè)計(jì)少子網(wǎng)掩碼帶來的子網(wǎng)終端數(shù)量完全超出實(shí)際設(shè)備需求，否則容易出現(xiàn)超網(wǎng)或者子網(wǎng)沖突的情況；IP子網(wǎng)需要使用私有IP子網(wǎng)范圍，不宜使用公網(wǎng)地址區(qū)間，否則當(dāng)工業(yè)通信網(wǎng)與IT網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)或者接入Internet時(shí)導(dǎo)致因子網(wǎng)沖突的路由不可達(dá)。應(yīng)建立企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為同種類型的設(shè)備分配某種特征的IP地址，便于工作中使用。舉例來說，某工廠PLC A的網(wǎng)絡(luò)地址為10.241.16.20/30，PLC B的網(wǎng)絡(luò)地址為10.241.17.20/30。因?yàn)槠浞謱俨煌腜LC控制系統(tǒng)，所以分屬不同的子網(wǎng)10.241.16.0/30和10.241.17.0/30；但因?yàn)槭峭环N設(shè)備，所以擁有相同的終端號(hào)20。

每個(gè)自動(dòng)化單元或者每個(gè)PLC控制系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載最大的通信為Profinet實(shí)時(shí)通信。對(duì)于Profinet以及附屬于Profinet的iWLAN來說，實(shí)時(shí)通信為基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織/開放系統(tǒng)互聯(lián)(International organization for standardization/open system interconnection,ISO/OSI)模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通信，數(shù)據(jù)幀中的源地址和目的地址為MAC地址，不便于記憶，并且因?yàn)樵O(shè)備可能更換導(dǎo)致不具有唯一性。所以，在Profinet、iWLAN中，為每一個(gè)終端設(shè)定了設(shè)備名?？梢越⑵髽I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為同種類型的設(shè)備分配某種特征的設(shè)備名，并與位置、類型、IP地址等聯(lián)系起來，便于工作中使用。設(shè)備名分為設(shè)備標(biāo)志和系統(tǒng)名稱兩部分。比如上述PLC A的設(shè)備名可為h101-001sps101-kf020.m104g140schsps3。其中:h101-001sps101-kf020為設(shè)備標(biāo)專，m104g140schsps3為系統(tǒng)名稱。設(shè)備標(biāo)志中，h101為PLC的位置名稱，001sps101為功能組名稱，kf020為PN地址。其中，020為其IP地址終端號(hào)。系統(tǒng)名稱中，m104為工廠編號(hào),g140 s為車間編號(hào)，chsps3為PLC控制系統(tǒng)編號(hào)。

1.8 電纜和附件的選型

在PLC控制系統(tǒng)中，一般選用電纜作為傳輸介質(zhì)，使用電氣接口的Profinet IO設(shè)備種類豐富，光纖用于長(zhǎng)距離傳輸、電磁干擾特別強(qiáng)大或不同建筑物之間等場(chǎng)合。在電纜的標(biāo)準(zhǔn)方面，Profinet兼容IEC 11801-1標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镻LC控制系統(tǒng)內(nèi)的Profinet IO通信基于快速以太網(wǎng)，故選用CAT5e類別的工業(yè)以太網(wǎng)快速連接雙絞線(industry ethernet fast connect twisted pair,IE FC TP)，并有A、B、C三型電纜。其中，A型為硬線，B型為方便偶爾移動(dòng)的柔性電纜，C型為用于連續(xù)移動(dòng)的拖曳軟電纜。EMS不需要移動(dòng)網(wǎng)線，故選用A型電纜。

電纜附件主要是網(wǎng)線插頭。為了屏蔽電磁干擾，需要使用金屬材質(zhì)插頭。插頭有RJ45和M12兩種類型，IP20和IP67兩種保護(hù)級(jí)別。需要插接的PLC與I/O設(shè)備都在控制柜中，故使用IP20級(jí)別的RJ-45插頭即可。

1.9 iWLAN的規(guī)劃

EMS是西門子iWLAN和漏波電纜技術(shù)典型的應(yīng)用場(chǎng)景。iWLAN的規(guī)劃是專用通信PLC控制系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容。

①信道選擇。西門子的iWLAN技術(shù)基于IEEE 802.11 WLAN標(biāo)準(zhǔn)，并適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用需求作了改進(jìn)。iWLAN和IEEE 802.11 WLAN一樣有2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)頻段。其中，5 GHz又分高頻段和低頻段兩個(gè)頻段，每個(gè)頻段包含若干信道。2.4 GHz、5 GHz低頻段、5 GHz高頻段信道資源分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 2.4 GHz信道資源

圖5 5 GHz低頻段信道資源

圖6 5 GHz高頻段信道資源

2.4 GHz頻段至多有3個(gè)不產(chǎn)生同頻干擾的信道、5 GHz低頻段至多有4個(gè)不產(chǎn)生同頻干擾的信道。5 GHz高頻段至多有5個(gè)不產(chǎn)生同頻干擾的信道。由于EMS單軌較長(zhǎng)，此處采用5 GHz高頻段的149、153、157、161和165共5個(gè)信道。

②接入點(diǎn)和客戶端的選型。

西門子Scalance W客戶端和接入點(diǎn)如表2所示。

表2 西門子Scalance W客戶端和接入點(diǎn)

接入點(diǎn)安裝在車間內(nèi)的EMS軌道上，為一般室內(nèi)工業(yè)環(huán)境，需有M12插頭以方便安裝漏波電纜。由于EMS軌道可長(zhǎng)達(dá)千余米以上，故需采用多個(gè)接入點(diǎn)才能形成完全覆蓋。每個(gè)EMS抱具有1個(gè)客戶端，安裝在EMS抱具的控制柜內(nèi)，故每1個(gè)接入點(diǎn)需要同時(shí)與多個(gè)客戶端通信。而每1個(gè)客戶端隨著EMS抱具移動(dòng)需要在多個(gè)接入點(diǎn)之間切換漫游。一方面，每個(gè)接入點(diǎn)需要協(xié)調(diào)其覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)客戶端；另一方面，實(shí)踐證明客戶端在2個(gè)接入點(diǎn)切換時(shí)間過長(zhǎng)不滿足實(shí)時(shí)控制要求，甚至?xí)騺G失連接而報(bào)警。為此，西門子在為其iWLAN技術(shù)研發(fā)的工業(yè)特性iFeatures中專門提供了一項(xiàng)iPCF技術(shù)，使得接入點(diǎn)能以非常短的時(shí)間間隔定期輪詢覆蓋范圍內(nèi)的客戶端，避免節(jié)點(diǎn)之間的沖突，同時(shí)還允許客戶端快速漫游。目前，西門子最新產(chǎn)品沒有像原先的產(chǎn)品在型號(hào)上強(qiáng)調(diào)并標(biāo)記快速漫游技術(shù)(rapid roaming,RR)，而是強(qiáng)調(diào)使用內(nèi)置的iPCF或用KEY-PLUG卡擴(kuò)展iPCF功能。根據(jù)以上要求，接入點(diǎn)可選用W788-1 M12,KEY-PLUG W780交換介質(zhì)卡、與漏波電纜相連接的電纜和終端電阻等；客戶端選用W748-1 RJ45，KEY-PLUG W740交換介質(zhì)卡、與天線相連接的電纜和天線等。

③漏波電纜及其附件的規(guī)劃選型。由于EMS抱具在長(zhǎng)距離移動(dòng)過程中處于環(huán)境復(fù)雜，如果僅僅采用iWLAM的接入點(diǎn)和普通天線，容易產(chǎn)生遮擋，導(dǎo)致信號(hào)盲區(qū)。為了得到穩(wěn)定、可靠的無線信號(hào)，需采用一種特殊的天線漏波電纜并沿EMS抱具移動(dòng)的單軌鋪設(shè)。5 GHz和2.4 GHz頻段使用不同的漏波電纜，這里需要選用5G頻段專用漏波電纜。接入點(diǎn)W788-1 M12雖然有三個(gè)天線接口，一般僅使用一個(gè)接口連接漏波電纜。在通常的使用條件下，5 GHz頻段接入點(diǎn)在只接1根漏波電纜時(shí)能有效傳輸信號(hào)的長(zhǎng)度可達(dá)120 m；使用功分器左右各接1根漏波電纜時(shí)，每根漏波電纜能有效傳輸信號(hào)的長(zhǎng)度可達(dá)100 m，2根總計(jì)可長(zhǎng)達(dá)200 m，故使用功分器能夠極大擴(kuò)展信號(hào)傳輸長(zhǎng)度。由于EMS軌道可長(zhǎng)達(dá)千余米以上，故選用功分器。為了保障在漏波電纜末端有較強(qiáng)的信號(hào)，一般使用單根漏波電纜不超過70 m。

上述通常的使用條件包括：5 GHz頻段客戶端天線接收器與漏波電纜之間的距離不超過10 cm；漏波電纜末端使用終端電阻；鋁軌道與漏波電纜的距離為15 cm；接入點(diǎn)與功分器之間和客戶端與天線接收器之間的饋線長(zhǎng)度為1 m。另外，規(guī)劃時(shí)需保證相同5 G頻段漏波電纜之間的距離在30 m以上，相鄰兩段漏波電纜的末端距離為1 m。

④其他方面。iWLAN實(shí)際上是對(duì)Profinet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)展，在Profinet有線技術(shù)的基礎(chǔ)上工作，不能脫離Profinet有線技術(shù)獨(dú)立工作[6]。接入點(diǎn)和客戶端都作為I/O設(shè)備通過電纜連接到專用通信PLC控制系統(tǒng)中，所以也需要對(duì)其有線部分進(jìn)行規(guī)劃。需要注意的是，接入點(diǎn)和客戶端的IP地址應(yīng)在一個(gè)網(wǎng)段。

1.10 Profibus DP的規(guī)劃

Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是Profinet上一代的工業(yè)通信技術(shù)，目前使用這種技術(shù)的公司僅限于西門子公司，在EMS輸送線中也僅在EMS抱具PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部使用。抱具PLC采用CPUIM151-8F PN/DP、變頻器、拉繩編碼器等DP設(shè)備。由于此CPU具備Profinet端口，故可以將抱具PLC控制系統(tǒng)融入Profinet通信系統(tǒng)。每臺(tái)抱具內(nèi)部的DP設(shè)置可以相同，抱具之間互不影響。EMS可有多達(dá)上百臺(tái)抱具，如果不采用Profibus DP而采用Profinet，那么就將涉及網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)化(net address transfer,NAT)技術(shù)。如果每臺(tái)抱具有相同的IP地址和設(shè)備名，只有采用NAT技術(shù)，才能把每一臺(tái)抱具融入EMS的Profinet系統(tǒng)而不造成地址沖突。如果采用不同的IP地址，那么會(huì)造成EMS的IP地址不夠使用，也不方便增加抱具。相對(duì)來說，采用Profibus DP是一種簡(jiǎn)便快捷的方案，設(shè)置工作量少，便于增加EMS抱具。因?yàn)楸Ь逥P設(shè)備數(shù)量很少，是一個(gè)很小的通信系統(tǒng)，所以Profibus DP通信速度低、可靠性低等缺點(diǎn)還體現(xiàn)不出來。

2 工業(yè)通信系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 線路的安裝

線路的安裝必須嚴(yán)格規(guī)范,盡量排除人為因素。在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的種種問題，很多是因工程期間沒有規(guī)范施工造成的。

①Profinet電纜的安裝。電纜必須有正確編號(hào)的標(biāo)簽并與圖紙一致。電纜必須安裝在金屬線槽中，并且不與焊接線、伺服線等有電磁輻射的電纜并行安裝，或者至少距離20 cm以上。避免出現(xiàn)閑置的電纜，如果有，需要在端部安裝以太網(wǎng)插頭。電纜進(jìn)出控制柜時(shí)，必須緊固在屏蔽接線柱上。所有電纜線頭上的屏蔽層必須剝離出來，并連接在屏蔽接線柱上。屏蔽接線柱必須與控制柜外殼緊固連接。

②漏波電纜的安裝。剝除電纜外皮需要使用專用剝線工具。用鋸子鋸開電纜而不是用鉗子夾斷。最小彎曲半徑20 cm，過小半徑應(yīng)用柔性饋線連接。使用專用的電纜夾、墊圈和墊塊固定電纜，固定點(diǎn)間距不要超過1.2 m，建議0.5 m，避免使用金屬固定件。兩段連續(xù)電纜間饋線長(zhǎng)度不要超過1 m。校準(zhǔn)電纜，不要扭曲。

③Profibus電纜的安裝。由于Profibus DP的拓?fù)鋬H有總線結(jié)構(gòu)一種，每個(gè)DP設(shè)備之間都是用DP電纜首尾連接，也需要注意屏蔽層接地。

2.2 PLC的設(shè)置

核心交換機(jī)是通信系統(tǒng)的核心，而PLC是包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的控制系統(tǒng)的核心。在PLC編程軟件的硬件配置功能中，對(duì)每一設(shè)備進(jìn)行組態(tài)與診斷，并編制包括每一設(shè)備在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。硬件配置功能還需設(shè)置所有設(shè)備的設(shè)備名、IP地址、位置名稱、地址名稱、刷新時(shí)間等參數(shù)。交換機(jī)、變頻器等自身有CPU的智能I/O設(shè)備，由于其功能較為復(fù)雜，還有專門的軟件來進(jìn)行設(shè)置。一般I/O設(shè)備的更新時(shí)間設(shè)為8 ms，看門狗時(shí)間設(shè)為24 μs。

2.3 交換機(jī)的設(shè)置

這里主要說明核心交換機(jī)X414-3E的設(shè)置。

首先要設(shè)置CPU模塊上的雙列直插式(double in-line package,DIP)開關(guān)，把冗余管理器(redundancy manager,RM)扳到OFF，不在此處把該交換機(jī)設(shè)置成環(huán)網(wǎng)管理器；把備用(Standby,SB)扳到OFF,不把此交換機(jī)作為備用；把R1和R2扳到on，激活軟件設(shè)置，包括通過WBM設(shè)置環(huán)網(wǎng)端口。

然后在交換機(jī)的基于Web的管理(web-based management，WBM)瀏覽器設(shè)置頁面進(jìn)行設(shè)置。這里僅僅說明與工業(yè)通信關(guān)系較為密切的幾點(diǎn)，其他許多通用IT功能不提。本例使用樹形網(wǎng)絡(luò)，不使用環(huán)網(wǎng)，故取消環(huán)網(wǎng)使能。按圖3所示設(shè)置兩個(gè)VLAN。使能發(fā)現(xiàn)和基本配置協(xié)議[7](discovery and basic configuration protocol,DCP)，并且把光纖模塊與IT網(wǎng)絡(luò)相連的兩個(gè)端口取消使能DCP。DCP是Profinet的特有協(xié)議，相當(dāng)于TCP/IP協(xié)議中的動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(dynamic host configuration protocol,DHCP),不同之處在于DCP能自動(dòng)標(biāo)志與查詢未指定IP地址的節(jié)點(diǎn)，然后配置其IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。通過光纖模塊相連的IT網(wǎng)絡(luò)不支持DCP,故需設(shè)成取消使能。設(shè)置鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(link layer discovery protocol,LLDP)和簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simple network management protocol,SNMP)，這是兩個(gè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理診斷的重要協(xié)議。

2.4 防火墻的設(shè)置

通過瀏覽器頁面設(shè)置MGUARD RS4000。防火墻需要防止從辦公網(wǎng)絡(luò)甚至互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)起的對(duì)自動(dòng)化單元的非允許的訪問，自動(dòng)化單元發(fā)起的對(duì)辦公網(wǎng)絡(luò)的訪問是不受限制的。防火墻需要制定規(guī)則，允許符合規(guī)則的訪問。這些主要涉及IT，不作詳細(xì)說明。

2.5 iWLAN接入點(diǎn)和客戶端的設(shè)置

使用WBM瀏覽器頁面對(duì)接入點(diǎn)和客戶端進(jìn)行設(shè)置。常規(guī)設(shè)定(如IP地址、設(shè)備名、SSID、國(guó)家等)在此不作說明。

類似于EMS這種一個(gè)接入點(diǎn)下有多個(gè)客戶端并且一個(gè)客戶端在多個(gè)接入點(diǎn)間漫游的設(shè)備，建議首先使能接入點(diǎn)和客戶端的iPCF。在使能iPCF之前，需要首先把認(rèn)證類型(authentication type,AT)改為Open system，然后自動(dòng)把加密方式設(shè)為WEP。需要注意的是，應(yīng)用iPCF功能，需要所有接入點(diǎn)和客戶端都要應(yīng)用iPCF功能。

西門子最新產(chǎn)品中，使能了iPCF功能之后，將會(huì)自動(dòng)把一系列關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)選項(xiàng)，并且自動(dòng)變灰色，不能選擇其他選項(xiàng)。這些參數(shù)的選項(xiàng)，是適應(yīng)iPCF的最佳設(shè)置。以前的產(chǎn)品雖然沒有這一功能，但是顯然可以參考這一功能進(jìn)行設(shè)置。無論新老產(chǎn)品，在規(guī)劃時(shí)就要考慮到將來必然要選用的參數(shù)，比如通信速度對(duì)漏波電纜長(zhǎng)度的設(shè)定是有影響的。iPCF的默認(rèn)設(shè)置如表3所示。

表3 iPCF的默認(rèn)設(shè)置

西門子建議在工業(yè)控制應(yīng)用中無線模式應(yīng)選擇IEEE 802.11 a，雖然通信速度慢，但是可靠性高；在視頻監(jiān)控應(yīng)用中可選擇通信速度高的無線模式。

在PLC硬件配置功能中設(shè)置接入點(diǎn)的刷新時(shí)間，一般自動(dòng)設(shè)置為最短128 ms，這個(gè)刷新時(shí)間為一般有線設(shè)備刷新時(shí)間8 ms的16倍，說明iWLAN的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及有線設(shè)備。因此，iWLAN不適用于高速運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。而EMS抱具運(yùn)動(dòng)緩慢，故適用。

2.6 Profibus DP的設(shè)置

Profibus DP的設(shè)置較為簡(jiǎn)單，都在PLC編程軟件的硬件配置功能中進(jìn)行，不作詳細(xì)說明。

3 工業(yè)通信系統(tǒng)的維護(hù)

工業(yè)通信系統(tǒng)的維護(hù)涉及面比較廣[8]，需要對(duì)PLC和通信技術(shù)都有一定的了解和掌握。這里僅說明工業(yè)通信系統(tǒng)自身提供的維護(hù)工具。

3.1 存儲(chǔ)介質(zhì)

存儲(chǔ)介質(zhì)插在設(shè)備上，用來保存設(shè)備的程序或設(shè)置數(shù)據(jù)，一般禁止熱插拔。在出現(xiàn)硬件故障需要更換為新的設(shè)備時(shí)，可以在新設(shè)備上直接插入原設(shè)備上的存儲(chǔ)介質(zhì)，無需重新設(shè)置即可使用。這方便了設(shè)備維護(hù)。Phoenix Contact FL MGUARD RS4000使用了SD卡。西門子的PLC CPU和IO設(shè)備用了MMC卡，而交換機(jī)、iWLAN接入點(diǎn)和客戶端都可以使用C-PLUG卡。KEY-PLUG卡用在西門子iWLAN接入點(diǎn)和客戶端新產(chǎn)品上，不僅用作存儲(chǔ)介質(zhì)，還內(nèi)置了iPCF等工業(yè)特性。故使用iWLAN接入點(diǎn)和客戶端新產(chǎn)品，并使用iPCF功能時(shí)，必須使用KEY-PLUG卡。

3.2 無介質(zhì)更換設(shè)備

西門子所稱的“無介質(zhì)更換設(shè)備”技術(shù)，有的廠家稱之為“無需組態(tài)工具更換設(shè)備”技術(shù)。當(dāng)PLC存有與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，只要Profinet系統(tǒng)中使用的設(shè)備都支持LLDP[9]，那么在出現(xiàn)硬件故障更換為新的設(shè)備時(shí)，無需設(shè)置工具，也無需存儲(chǔ)介質(zhì)，設(shè)備可以自動(dòng)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)正常工作。

3.3 交換機(jī)的維護(hù)工具

在交換機(jī)的WBM設(shè)置界面上，可以通過事件日志(event log)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包(packet error)統(tǒng)計(jì)來查看交換機(jī)故障。另外，交換機(jī)可提供端口鏡像功能，能使用抓包工具Wireshark進(jìn)行故障診斷。Wireshark是一種用于網(wǎng)絡(luò)故障診斷的開源軟件工具，支持Profinet協(xié)議。

3.4 iWLAN接入點(diǎn)的維護(hù)工具

在接入點(diǎn)的WBM設(shè)置界面上，可以通過查看日志列表(log table)、故障列表(faults)、以太網(wǎng)統(tǒng)計(jì)(ethernet statistics)、WLAN統(tǒng)計(jì)(wlan statistics)等工具查看接入點(diǎn)的狀態(tài)，了解其運(yùn)行情況。西門子較新的接入點(diǎn)產(chǎn)品提供了頻譜分析的功能，方便檢測(cè)接入點(diǎn)所處環(huán)境中的WLAN信道使用情況，排除同頻干擾。由于檢測(cè)的恰是接入點(diǎn)的周邊環(huán)境，比使用計(jì)算機(jī)或手機(jī)等在地面上進(jìn)行的頻譜分析更能貼近實(shí)際情況。由于工廠中使用WLAN的設(shè)備越來越多，而信道數(shù)量有限，造成同頻干擾影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況的可能性很大。

3.5 iWLAN客戶端維護(hù)工具

在客戶端的WBM設(shè)置界面上，可以通過查看日志列表(log table)、以太網(wǎng)統(tǒng)計(jì)(ethernet)、WLAN統(tǒng)計(jì)(WLAN)、ICMP、SNMP等工具查看客戶端的狀態(tài)，了解其運(yùn)行情況。與接入點(diǎn)能進(jìn)行頻譜分析相對(duì)應(yīng)，客戶端可檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。由于檢測(cè)的是客戶端所經(jīng)過環(huán)境中的信號(hào)強(qiáng)度，比使用計(jì)算機(jī)或手機(jī)等在地面上進(jìn)行的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)更能貼近實(shí)際情況?？稍谠O(shè)備驗(yàn)收時(shí)進(jìn)行一次全面的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)并保留記錄，并在故障檢查時(shí)再進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)進(jìn)行對(duì)比，輔助故障排查。

4 結(jié)論

本文首先明確了工業(yè)通信在數(shù)字化工廠網(wǎng)絡(luò)這一全局工作中所處的位置，然后以EMS這一采用了多種工業(yè)通信技術(shù)的典型設(shè)備為例，說明了工業(yè)通信系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)所采用的工作流程、技術(shù)要點(diǎn)和系統(tǒng)工具。對(duì)工業(yè)通信系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)，首先要全面深刻理解工業(yè)通信的技術(shù)特點(diǎn)，從滿足具體需求出發(fā)進(jìn)行頂層的規(guī)劃，然后再從設(shè)置細(xì)節(jié)方面進(jìn)行實(shí)施，充分利用系統(tǒng)工具進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。