物流系统中PROFINET工业以太网的作用

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以多家著名自动化会员公司（例如西门子、菲尼克斯）为代表的PI国际组织推出了基于实时工业以太网的PROFINET协议标准。各个厂商以此协议标准推出了各种自动化产品和解决方案，为当前的自动化用户提供了一个简单可靠、完全透明的工业以太网平台的解决方案。同时由于PROFINET能够全面的支持IT技术，更好的融入企业生产管理系统，使得信息流、控制流一网到底成为可能。PROFINET的最主要特点如下[2]：1）数据通讯实时、稳定。以太网主要使用在对数据通讯实时性要求不高的办公系统中，由于基于CSDA/CD的通讯技术使得在网络负载很高的情况下，系统无法确定数据传递的时间。PROFINET针对自动化实时性的需求，规定了3种不同的通讯方式，确保数据通讯实时、稳定和安全，满足现场设备的不同实时通信要求。2）多元化的网络拓扑架构。利用工业网络交换机很容易组成星型、树型、环形等适合现场设备布局的系统架构。同时基于在WLAN和Bluetooth等无线技术的PROFINET给用户带来全方位的组网优势，更好地适应系统现场的要求。3）全面兼容标准的TCP/IP。PROFINET全面兼容TCP/IP标准，很容易实现各种的信息技术，并借助现有成熟的IT软件和方案，给自动化系统提供更好、更快的方案。为了满足自动化系统的实时性要求，PROFINET协议提供了3种不同等级的通信方式，主要特点如下。

标准TCP/IP通讯PROFINET协议仍然保留了TCP/IP和IT协议标准，因此同样具有SMTP，FTP和HTTP等标准的应用层协议，全面兼容IT的通讯技术。虽然该通讯方式的响应时间大概在100ms的量级，但是完全能够满足工厂级信息流控制的应用要求。

实时通讯（RT）在分布式控制系统中，主控制器与远程IO从站之间数据交换的响应时间要求十分苛刻，典型的时间为10ms量级，原有的IT通讯方式无法满足这么高的实时性要求。PROFINET协议标准提供了一个优化的，基于二层的实时通讯通道。经过交换机的时候，数据无需达到IP层就直接转出，减少了数据在交换机中的处理时间，提高了数据传递的速度。同时PROFINET中按照IEEE802.1Q将这些数据包区分优先级，让交换机优先处理PROFINET数据包，更好的满足设备层的实时性要求。

同步实时通讯（IRT）运动控制在控制系统中，对于实时性要求最高，一般对于数据传递的要求要小于10ms。PROFINET的实时同步（IRT）技术采用高速ASIC芯片处理实时数据的循环同步，在硬件上直接开辟一条完全属于IRT的通讯通道，即使在同一个网络线路上其他数据负载很大的时候，也可以确保IRT数据通道畅通。在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来确保控制信息及时的响应，完全满足各种的运动控制的通讯需求。

化纤包装物流线

纺织化纤产品已供过于求，行业竞争激烈，利润急剧下降，生产企业压力较大，同时去年人口普查表明，中国的人口红利开始慢慢消失，而近几年招工荒的出现对企业用工是一个大的挑战。企业面对用工荒的对策是让生产机械化现代化，降低用工数/单位产值这一比值。本项目就是这个背景下，由天圣控股集团投资，在滨海工业园区打造的化纤全自动包装物流生产线。每天完成大约几千吨的化纤钉的包装和输送工作。整个项目一共由两个独立的包装车间组成，每一个包装车间都有三条独立的包装线进行化纤钉的打包和输送。在三条包装线的末端的导轨上，两台小车根据不同的要求接送打包好的化纤包到制定的运输出口，并由铲车装到相应的货车上。

系统架构

该系统采用菲尼克斯的控制系统和实时以太网PROFINET架构（见图3）。ILC350PN控制器作为主站，通过PROFINET以太网交换机连接现场侧的PROFINET远程IO系统，并通过环网结构连接到主控制箱中。由于整个控制系统中有5个在轨移动小车，因此在小车附近采用支持PROFINET的WLAN无线系统，确保控制的实时性，弥补了有线系统对于移动设备的不足，使得系统控制更加安全和快捷。同时，由于基于PROFINET的WLAN网络又能够全面的兼容标准的无线网络，因此可以轻松的接入无线手持设备，在整个包装线上，实时查询和校验各个工位包装的信息是否正确。

编程模块化

“面对对象”的编程方式已经在IT领域十分普遍，利用逻辑思维方法把日常生活汇中的问题进行抽象、归纳，然后分类、聚合，再进行继承和封装，最后建立能够解决相同类型问题的软件模型。然而在自动化控制领域，原有软件的架构和特点仍然是注重逻辑和顺序运算。菲尼克斯ILC350PN可编程逻辑控制器作为控制核心，是一款高性价比的新型PLC，满足复杂设备制造商和中小型项目的要求，提供各种自动化功能的最佳技术和高效、灵活、经济性的解决方案。ILC350PN是基于高性能的开发软件PCWORX，因此使得对象模块化编程成为可能。PCWORX中文版的编程软件[3]，提供了标准的5种IEC编程语言（IEC61131-3）。包括功能块图FBD、梯形图(LD)语言、指令列表IL、结构化文本ST和序列控制SFC。这些所有的语言可以在同一个应用程序中混合使用。其中ST、FDB和LD的混合编程，能够使程序更加灵活，大大缩短开发时间。在该打包物流系统中，最主要的就是物流输送过程。每一个工位的基本功能之一就是对于化纤包进行输送，现在对最基本的三工位物流输送实现模块化处理。任取系统中的三个环节工位。在这三个工位上都有马达控制，对马达进行对象化处理，提取马达控制的共同属性，建立马达FB块。而物流传递过程中，三工位的传递方式都一样，可以分解为接货过程和送货过程。对于没有实体对象，但是具有相同功能的自动传递控制逻辑，也利用对象进行实例化，完成自动控制的FB块。针对这三个工位建立三个不同的程序实例来对应不同的工位，每一个程序实例可视为具体一一对应的现场工位。在该程序实例中，利用马达对象FB生成现场具体的马达实例对象，利用自动控制FB块事先前后两个工位的控制信息传递，这就完成了整个工位的程序化操作。然后使用全局变量进行各个工位之间接口信号的传递，达到“可见即可得”的控制方式。

现场调试

基于profinet实时以太网技术的控制架构，不仅能够满足现场实时性的要求，同时菲尼克斯的控制系统提供全面的网络诊断信息功能，使得现场几十个网络节点和远程IO系统的通讯状态一目了然。由于采用分布式控制和环网结构，最大程度的提高的网络的可靠性和硬件的稳定性。对于软件方面，利用对象模块编程，不仅整个系统描述十分清晰，程序工作人员能以最快的方式找到系统中任何一个环节，同时也给程序调试带来极大方便。一旦某一工位出错，在程序中打开相应的对象工位，寻找功能模块。在监控画面中能读出整个工位对象状态，找到出错的地方或不满足的条件，大大缩短了程序员调试查错的时间。由于整个控制系统中外加了基于PROFINET无线AP的功能，实现了对移动小车的无线化控制，不仅减少了硬接线的工作量，同时也为编程调试和现场维护提供了无线接入功能，调试人员可以拿着具有无限网卡功能的PC在现场随意走动调试，为调试带来了极大的方便。同时PROFINET工业以太网全面兼容标准的无线网络设备，因此可以快速、方便的接入手持信息采集设备，随时读取物流线上的产品，跟控制系统信息流数据进行对比和校验，确保产品信息的准确性。

结束语

PROFINE系统的开发和发展为自动化系统提供了完善的技术平台，利用特有的通讯方式，不仅具有现场总线的实时性控制要求，同时多元化的网络架构和传输介质，使得系统的扩展和维护更易实现。基于PROFINET网络架构的物流自动化系统，不仅确保控制系统的稳定、可靠，而且通过无线和有线传输方式地转换，能够完美得满足物流系统中各种工况的柔性控制需求。同时PROFINET兼容标准的TCP/IP，利用IT技术弥补企业管理系统无法直接采集和跟踪现场制造数据的瓶颈，能够为上层管理系统提供全透明的数据信息，提高企业生产效率。

作者：施华乔丛杨斌程雪晖单位：菲尼克斯（中国）投资有限公司