PROFINET工業無線技術在液壓移船系統中的應用

施 華， 謝 燮

(1.菲尼克斯(中國)投資有限公司， 江蘇 南京 211100； 2.上海大學 機電工程與自動化學院， 上海 200444)

0 引 言

海洋工程和船舶工業一直是各國裝備行業中的重要領域，特別是近幾年來，中國船舶行業的高速發展給該行業提出了許多快速制造的需求。大型的造船、修船企業在船體制造過程中都會采用分段制造、拼裝焊接的方法。整個船體建造完成后，須快速地將船體運送至駁船上進行下水，由此就須一套專用的設備來裝載和運輸這些超大型船體。目前裝船的方式很多，主要包括滑移裝船、浮式裝船以及小車移船[1]。其中小車移船由于其載重大、效率高、操作靈活、速度快、環境要求低等優點被廣泛應用于各種大型船舶建造中。小車移船包括整體式和分散式等兩種方式。分散式小車的控制技術難度最大，要求最高，是該領域研究和發展的方向。

目前世界上掌握小車移船技術的生產廠商主要集中在國外，包括德國的Scheuerle公司、Kamag公司、Goldhofer公司和意大利的Cometto公司[2]。國外廠家的單車載重能力、滿載速度、協調性、平穩性和模塊化分散式控制技術等優勢使其在該市場占有絕對的份額。目前國內小車移船技術的研發和生產處于初級階段，本文依托于中船第九設計研究院工程有限公司的液壓移船項目，主要介紹全新的PROFINET工業無線技術和獨立模塊化設計在液壓船臺小車控制系統中的創新應用。

1 PROFINET工業無線技術

現場總線技術發展來自于工業控制技術在不斷地變革。而今，工業4.0和智能制造技術的提出使得工業以太網技術迅速占領整個控制領域。PROFIBUS國際組織(PROFIBUS International, PI)針對發展趨勢推出基于實時工業以太網的PROFINET協議標準，為當前的自動化系統提供一個簡單可靠、完全透明的工業以太網解決方案。為滿足各種自動化現場應用的實時性要求，PROFINET協議模型提供3種不同等級的通信模型(見圖1)，用于滿足工業不同現場對通信的實時性要求[3]。

圖1 PROFINET實時通信模型

(1) 標準TCP/IP通信。PROFINET協議模型通道之一就是繼續保留TCP/IP和IT協議標準，同樣具有SMTP、FTP和HTTP等標準的應用層協議，全面兼容IT的通信技術，非常方便地移植IT行業的應用技術而不需要做任何修改[4]。該通信通道的響應時間約在100 ms的量級，適合大數據流通信層級的要求。

(2) 實時通信(Real-Time, RT)。針對現場層控制系統要求，PROFINET協議標準的RT通信通道提供1個基于二層的實時通信通道。帶有PROFINET的過程數據在數據傳輸過程中，直接在MAC層進行數據轉發處理，從而減少PROFINET數據在傳輸節點的處理時間，提高數據傳遞速度。同時，支持PROFINET RT協議的交換機會優先處理PROFINET數據包，更好地滿足設備層的實時性要求。該模型通道主要滿足主控制器與遠程從站之間周期性過程數據交換，典型的時間有10 ms的量級。

(3) 同步實時通信(Isochronous Real-Time, IRT)。PROFINET協議標準的IRT通信通道采用專用的高速芯片處理實時數據的循環同步，直接處理帶有IRT的數據，開辟了基于實時同步的高響應專用通信通道。即使在100個節點的通信負載下，其通信響應時間小于1 ms，抖動誤差小于1 μs。該通信通道主要用于具有高同步實時通信的驅動控制場合要求。

PROFINET工業實時以太網技術能夠提供多元化的網絡介質和架構，同時基于在WLAN和Bluetooth等無線技術的PROFINET給用戶帶來全方位的組網優勢，更好地適應系統現場的要求[5]。

2 移船小車系統簡介

目前在液壓船臺小車領域里，主要采用整體式和分散式兩種設計方式。整體式設計小車采用統一的動力系統，使用管路連接各個小車，由1個統一的控制系統來控制，因此這類型的船臺小車一般結構復雜、管線較多，控制要求比較簡單，能夠完成運輸和移動任務。分散式小車采用獨立式設計，結構統一，維護方便，但是控制技術難度大，協同性高，能夠同時完成運輸、駁船、對接等多項操作要求。

中船液壓移船小車就是采用分散式理念設計的用于平地移動船舶和分段對接的設備。本項目移船小車系統包括2臺控制拖車、80臺250噸級移船小車、42臺三維小車和38臺輸送小車，如圖2所示。同時，移船小車系統預留了40臺250噸級移船小車的電氣控制接口，供用戶自行擴展。

圖2 中船液壓船臺小車

整個移船小車電氣控制系統(見圖3)主要包括移船小車的可編程邏輯控制系統(Programmable Logic Controller, PLC)、液壓伺服系統、無線通信系統、上位機系統、輔助系統等。整個控制系統設計以獨立性、模塊化為基礎，單獨成為控制個體。在單機控制的時候，小車可以接受外圍指令操作；在組網的時候，可以通過無線技術實時地跟主控PLC進行PROFINET數據交互，獲取主控PLC的協調命令，以完成集群控制。

3 系統模塊化設計

整個項目系統中，小車本體分為三維和二維兩種類型，每臺小車可以根據實際需求進行自由組合，以提供更高的移動負載和動作控制。因此，整個小車從動力單元、液壓控制單元到PLC都要求以模塊化方式設計，如圖4所示。

圖3 移船小車集控系統框圖

圖4 移船單車模塊化控制系統框圖

每臺小車的控制系統采用獨立的PLC，配備無線接入和CAN通信。每1臺PLC都可以作為PROFINET IO設備與主控制器進行PN通信，同時提供的CAN通信通道可以隨時在線動態配置和控制與液壓伺服閥之間的通信，用于控制移船、三維和擴展等多種小車類型。液壓系統控制的壓力和位移模式由液壓伺服閥來完成，PLC通過CAN進行模式切換和命令的下發，同時實時接收各個伺服閥門的位置反饋和壓力反饋。機械、液壓和控制都是模塊化獨立設計，因此整個小車可以自行操作，不受限于主站的位置和線路約束，同時根據運載的負載不同，小車上的PLC可以實時調節發動機的轉速，以增加系統壓力，提供更大的運載能力。

4 實時工業無線通信

獨立模塊化設計小車讓系統更加簡潔可靠，但是船臺小車是一個協同控制的集控系統，單個小車的運行必須協同其他小車一起，才能夠確保整個船舶移動成功。因此，主站與從站之間的通信實時性和同步性是整個系統的關鍵。傳統的現場總線方案是利用有線把主站指揮車與負載小車的PLC連接起來，雖然能夠確保通信的實時性和同步性，但是由于線纜的存在，小車之間的移動往往會造成總線通信電纜的不穩定，后期的維護成本也較高。傳統的無線通信方式能夠免去小車之間的物理連接，但是通信的穩定性、實時性和可靠性等問題一直無法用于船臺集控系統上。

實時通信和以太網技術一直是工業控制領域的熱門話題，PROFINET的多通道通信技術和多介質通信特點，能夠確保即使在基于WLAN和Bluetooth等無線技術的情況下，也能夠確保數據通信的實時和穩定[6]。

為了能夠使得船臺小車更靈活，該項目首次采用了當今最先進的基于PROFINET的工業無線通信方案，主站指揮車通過支持PROFINET協議的無線訪問接入點(Wireless Access Point)AP發射基站，與同樣支持PROFINET的無線Client進行通信。如圖5所示，所有的小車和主站之間的數據通信都在PROFINET RT通信通道傳輸，能夠確保數據通信響應時間在幾十毫秒內。主從通信采用128個字節，分別傳送實時指令、小車狀態、無線狀態和報警信息等參數。

考慮到現場工況、無線頻段干擾和信號遮擋等問題，系統采用工業級無線設備，并可在2.4G和5G等2個頻段工作，避免現場同頻段信號干擾。主站指揮車AP使用MIMO技術，采用2根20 dB的定向天線和1根9 dB的全向天線，從站小車采用2根9 dB的全向天線，安裝在小車的左右兩側。整個系統小車分布在4條直線軌道上，為確保運行時信號穩定可靠，在軌道之間的相道內確保無遮擋，所有無線天線安裝也基本滿足菲涅爾區的要求。同時，根據現場實際船體的大小，可采用中繼模式確保后續站點的信號強度。

圖5 無線與總線控制對比

5 現場駁船

駁船作為船臺小車最主要的運載功能，實際現場檢驗尤為重要。

某例船船長183.2 m，寬32.26 m，深18.2 m，整船凈重12 054 t。在下水作業過程中，采用74臺舉力為250 t的船臺小車將整船抬起，沿著平臺生產線上的4條軌道將船舶縱向平移至半潛駁上完成坐墩，最后將半潛駁下潛，船舶起浮后由拖船拖帶至碼頭系泊，如圖6所示。

圖6 現場駁船圖

由于采用獨立模塊化設計，各個小車移動到指定抬升位置，通過主控車的操作畫面進行編組。各個小車接收來自主控車的數據和命令，歷時5.5 h，完成整個船體的過駁作業。

6 結 語

隨著經濟的高速發展，船舶和海洋工程裝備的需求越來越大。液壓船臺小車采用分布式模塊化設計的理念與實時工業以太網無線技術的結合更好地滿足柔性控制的要求。此項目控制系統采用獨立模塊化設計理念，并創新使用工業無線通信和PROFINET技術，提高船臺小車系統的靈活度和可靠性，并成功應用于國內首艘船舶自主平地下水中，證明該系統的可行性。

如今工業4.0和智能制造如火如荼，信息技術、智能技術開始慢慢地融入于傳統大型制造裝備領域，不斷地改善著傳統行業的制造生態。因此，液壓傳動技術、集群協同技術、無線通信技術、人工智能等技術是未來船臺小車系統技術的發展方向。

[1] 魏雄標，王凱峰，姜先鋼，等. 淺談海洋石油工程大型結構物的裝船方式[C]//2009全國鋼結構學術年會論文集，成都：中國鋼結構協會，2009:607-610.

[2] 雷俊杰. 大型結構物小車裝船棧橋分析與調載研究[D].天津：天津大學，2010.

[3] 李旭,陳在平. 基于PROFINET的實時通信技術分析[J]. 天津理工大學學報，2010, 26(2)：56-58.

[4] 施華,喬叢，楊斌，等. 物流系統中基于PROFINET工業以太網的運用研究[J]. 制造業自動化，2013(11)：126-128.

[5] 張丹丹. 基于以太網的工業網絡PROFINET技術概覽[J]. 制造業自動化，2011(3)：198-200.

[6] 姚春雷. PROFINET網絡中的無線數據傳輸[J]. 中國儀器儀表， 2011(S1):87-89.