舒秋旺

（江西銅業(yè)集團(tuán)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(shí)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(shí)代背景下，性能更優(yōu)越、技術(shù)更先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET應(yīng)運(yùn)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(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。銀陽圓盤澆鑄控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)控制，監(jiān)控較多參數(shù)，大量的數(shù)據(jù)采集和傳輸對(duì)控制系統(tǒng)的性能提出了較高的要求［1]。針對(duì)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、高效與開放式通信。

2 PROFINET簡介

PROFINET是開放的、標(biāo)準(zhǔn)的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［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(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)。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(hù)成本，而且可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理層實(shí)時(shí)、全面互聯(lián)互通。

PROFINET為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案。其功能包括8個(gè)主要模塊分別為：過程自動(dòng)化、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)安裝、分布式自動(dòng)化、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和實(shí)時(shí)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(jī)交互界面；（3）I/0設(shè)備，多指帶Profinet 接口的驅(qū)動(dòng)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(dāng)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(gè)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(jī)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(jī)械手取板。整個(gè)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(shí)間短?？刂茖印F(xiàn)場(chǎng)層數(shù)據(jù)交換量大。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和硬件選型

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǎng)層、控制層和管理層三層［4]?，F(xiàn)場(chǎng)層為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和驅(qū)動(dòng)設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)稱重、溫度、位置等數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)；控制層為 PLC可編程控制設(shè)備，主要對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理與對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制; 管理級(jí)為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，管理和監(jiān)視生產(chǎn)工藝各流程實(shí)時(shí)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(hào)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(gè)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(shí)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(jī)：SCALANCE X208管理型以太網(wǎng)交換機(jī)。PROFINET IO設(shè)備,具有8個(gè)10/100Mbps RJ45端口?？墒褂冒粹o設(shè)設(shè)置信令觸點(diǎn)，冗余電源設(shè)計(jì)。支持全 / 半雙工，LED 診斷。

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

（4）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：采用西門子SINAMICS V90PN和SIMOTICS S-1FL6伺服電機(jī)組成了高效便捷的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［5]。該系統(tǒng)可實(shí)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(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。伺服電機(jī)內(nèi)置絕對(duì)值20位+12位多圈編碼器，可測(cè)量和記憶角度的絕對(duì)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(dòng)報(bào)文采用標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文3，PZD-5/9，實(shí)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(diǎn)、提前量自動(dòng)修正、啟動(dòng)閥值檢測(cè)、自動(dòng)去皮、實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)PROFINET I/O控制器和其分配的PROFINET I/O設(shè)備組成。在TIA 中，點(diǎn)擊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)視圖窗口；在硬件目錄中拖動(dòng)控制器、HMI、網(wǎng)絡(luò)組件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等PROFINET I/O設(shè)備到視圖窗口。雙擊CPU，進(jìn)入設(shè)備視圖窗口，拖動(dòng)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(diǎn)擊“PROFINET接口”，設(shè)置設(shè)備名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、實(shí)時(shí)同步等參數(shù)，一個(gè)PROFINET總線內(nèi)的所有PROFINET設(shè)備的IP地址應(yīng)當(dāng)設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段。對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置需要組態(tài)工藝對(duì)象如圖3所示。設(shè)置驅(qū)動(dòng)器、編碼器、位置限制、回零等參數(shù)，并在拓?fù)湟晥D中組態(tài)PROFINET網(wǎng)絡(luò)［7]。

圖3 PROFINET I/O組態(tài)工藝對(duì)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(jìn)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(jìn)行在線仿真調(diào)試，實(shí)時(shí)模擬通道信號(hào)強(qiáng)制和信號(hào)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(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障設(shè)備以故障代碼的形式向控制器發(fā)送診斷報(bào)警。通過識(shí)別系統(tǒng)故障代碼可以準(zhǔn)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(duì)銀陽圓盤澆鑄工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)作為智能運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。結(jié)果表明：基于Profinet的工控網(wǎng)絡(luò)具有運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)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(diǎn)，滿足了建設(shè)智能工廠對(duì)智能設(shè)備的要求。