ProfiNet技術(shù)在深水井網(wǎng)絡(luò)改造中的研究與應(yīng)用

黃立國

(山東鋼鐵萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104)

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ProfiNet技術(shù)在深水井網(wǎng)絡(luò)改造中的研究與應(yīng)用

黃立國

(山東鋼鐵萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104)

摘要：喀鋼公司原設(shè)計的深水井自動化控制系統(tǒng)傳輸介質(zhì)使用單模光纜通信，光纜和從站的Profibus接口使用OLM進行轉(zhuǎn)接，在實際使用過程中網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常發(fā)生從站無法與主站通信、數(shù)據(jù)交換錯誤、數(shù)據(jù)包丟失等故障。為了徹底解決上述問題，通過對通信協(xié)議、與原系統(tǒng)的兼容性、電源、通信速率、安裝方式、電口或光口的分析比較，最終確定采用工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNet對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行升級改造。ProfiNet采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址，可同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備，升級改造后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到顯著提高。

關(guān)鍵詞：ProfiNet技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自控系統(tǒng)深水井

喀鋼公司的深水井距離廠區(qū)均在3 km以外，深水井之間都相距幾公里，負(fù)責(zé)為該公司提供生產(chǎn)和生活用水。由于深水井距離廠區(qū)較遠(yuǎn)，潛水泵啟停全部采用遠(yuǎn)程集中控制和現(xiàn)場控制兩種方式。正常情況下，所有泵的啟動、停止都在遠(yuǎn)程控制室操作員站進行控制，一旦遠(yuǎn)程控制出現(xiàn)問題，人員需要到現(xiàn)場進行就地啟動和停止水泵。同時，每臺深水井都安裝有液位計、流量計，液位、流量、潛水泵運行狀態(tài)等信號都要采集到PLC系統(tǒng)，操作人員在人機界面(HMI)上可隨時查看各深水井運行情況，一旦自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，遠(yuǎn)程將無法監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不

能進行遠(yuǎn)程操作，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)及生活水的供給。

1自動化系統(tǒng)配置情況

深水井原自動化控制系統(tǒng)中，使用S7-300系列PLC。此系列PLC處理速度快，通信能力強，性能穩(wěn)定可靠。CPU與上位機通信采用CP343以太網(wǎng)通信模塊與工程師站、操作員HMI通信，系統(tǒng)構(gòu)架采用Profibus網(wǎng)絡(luò)，每口深水井配備1個ET200M從站(用于采集現(xiàn)場的I/O信號和設(shè)備狀態(tài))，傳輸介質(zhì)使用單模光纜通信，光纜和從站的Profibus接口使用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的光纖模塊(OLM)進行轉(zhuǎn)接，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2系統(tǒng)存在的問題

這種組網(wǎng)方式的本質(zhì)還是采用Profibus協(xié)議，正常情況下應(yīng)該使用Profibus專用電纜進行通信，但由于存在通信距離的限制，使用OLM進行接口轉(zhuǎn)換，通過光纜進行通信，在實際的使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題，主要表現(xiàn)在以下方面。

1) OLM故障頻率非常高，直接導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷。

2) Profibus-DP總線連接器部分出現(xiàn)故障，導(dǎo)致從站無法與主站通信。

3) OLM供電電源故障，當(dāng)某一從站的OLM電源出現(xiàn)故障，與其串聯(lián)的后續(xù)從站也無法與主站進行通信，導(dǎo)致故障面擴大。

4) ET200從站中IM153DP口出現(xiàn)問題，導(dǎo)致從站無法與主站通信。

系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時，很多時候現(xiàn)象并不明顯，各個從站之間、從站與主站之間的距離又比較遠(yuǎn)，給故障排查也帶來困難。

3網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級改造

筆者針對以上問題進行分析和總結(jié)，其主要原因是網(wǎng)絡(luò)故障。為了徹底解決上述問題，經(jīng)過對通信協(xié)議、與原系統(tǒng)的兼容性、電源、通信速率、安裝方式、電口或光口的分析比較，最終確定采用自動化控制系統(tǒng)中比較主流的工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNet對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行升級改造。

3.1ProfiNet網(wǎng)絡(luò)的特點和優(yōu)勢

ProfiNet是一種新的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，也是一種支持分布式自動化的高級通信系統(tǒng)。它將原有的Profibus與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，形成了ProfiNet的網(wǎng)絡(luò)方案，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)作為鏈接介質(zhì)，通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備。該技術(shù)在近幾年發(fā)展較快，比較成熟，越來越多地被廣大自動化工程師所采用。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。ProfiNet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)。同時能實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。ProfiNet組網(wǎng)時軟硬件成本低廉，通信速率高，千兆以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用，10 Gbit/s以太網(wǎng)也正在研究，其速率比現(xiàn)場總線快很多，技術(shù)優(yōu)勢非常明顯。

3.2具體改造措施

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級改造的原則是在保證改造后網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠的前提下最大限度地兼容以前的軟硬件設(shè)備，降低改造成本。在改造的過程中，經(jīng)過反復(fù)論證，將系統(tǒng)CPU更換為帶有PN接口的CPU315-2DP/PN作為I/O控制器的CPU模塊，用于處理過程信號和直接將現(xiàn)場設(shè)備連接到工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場分布式I/O采用具有ProfiNet接口的ET200M系列的IM153-4，可以兼容原系統(tǒng)的I/O模板，通信介質(zhì)還是采用原系統(tǒng)的光纜，通過光電收發(fā)器進行光電轉(zhuǎn)換。改造過程中，取消了Profibus-DP的OLM，同時取消了PLC與上位機通信模塊CP343模板，改造后的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　改造后系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

軟件方面重新進行硬件組態(tài)，更改原來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，I/O模塊的地址保持不變，控制程序?qū)⒃瓉淼目刂拼a完全移植過來，使系統(tǒng)在升級改造過程中改動最小，最大限度地兼容原系統(tǒng)。在使用ProfiNet技術(shù)進行硬件組態(tài)過程中需特別注意： 首先需要將各個ET200從站掛到ProfiNet網(wǎng)絡(luò)上，然后進行“編輯Ethernet節(jié)點”和“分配設(shè)備名稱”設(shè)置，在“編輯Ethernet節(jié)點”中可以對從站IM153的MAC地址、IP地址、設(shè)備名稱進行設(shè)置，使其進行關(guān)聯(lián)，最后在“分配設(shè)備名稱”中對每個設(shè)備進行具體分配。

4結(jié)束語

深水井自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級改造后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到顯著改善，故障率明顯降低，原系統(tǒng)的故障率平均每月3次，改造后系統(tǒng)平均故障每年不到2次。ProfiNet技術(shù)在喀鋼深水井網(wǎng)絡(luò)改造中的成功應(yīng)用，保證了生活及生產(chǎn)用水的供給，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，同時為ProfiNet技術(shù)在其他工業(yè)生產(chǎn)線上的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

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中圖分類號：TP29

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)01-0069-02

作者簡介：黃立國(1979—)，男，吉林德惠人，2004年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)信息與計算科學(xué)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于山東鋼鐵萊蕪分公司自動化部，主要從事儀表自動化方面的研究工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-11-12，修改稿收到日期： 2015-12-17。