Profinet通訊在銀陽圓盤澆鑄中的應用

舒秋旺

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著“工業4.0”時代的到來，普通的PLC集中式控制模式已經不能滿足現代工業的控制需求。在這種時代背景下，性能更優越、技術更先進的工業以太網PROFINET應運而生,它可以滿足圓盤澆鑄控制的所有要求，使控制系統更加的自動化、網絡化和信息化。銀陽圓盤澆鑄控制系統需要實現復雜的自動控制，監控較多參數，大量的數據采集和傳輸對控制系統的性能提出了較高的要求［1]。針對此問題，本文利用工業以太網總線的特性，選定PROFINET作為通訊總線。PROFINET總線通信技術能夠與現有的現場總線系統集成，連接設備控制層、集中監控層、生產管理層，從而實現整個系統的實時、高效與開放式通信。

2 PROFINET簡介

PROFINET是開放的、標準的、實時的工業以太網標準［2]。它具有通訊速度快、安全性能高、網絡兼容性好、使用便捷、抗干擾能力強等多方面優點。借助于Profinet協議樞紐，可以幫助企業提高生產效率、節約管理維護成本，而且可以實現生產和管理層實時、全面互聯互通。

PROFINET為自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案。其功能包括8個主要模塊分別為：過程自動化、分布式現場設備、運動控制、網絡安裝、分布式自動化、IT標準和信息安全、故障安全和實時通訊。

PROFINET I/0設備可以分為3類：（1） I/0控制器，類似于PLC可編程控制器；（2） I/0監視器，類似于HMI人機交互界面；（3）I/0設備，多指帶Profinet 接口的驅動或者傳感設備［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中，冷卻凝結后生成銀錠。在此生產過程中主要有熔煉、澆鑄、取板三個過程。使用的設備包括中頻爐、行走中間包、電子秤、圓盤、取板機械手等。

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→預熱模板→澆鑄銀錠→噴火槍吹平→機械手取板。整個工藝流程如圖1所示。該流程生產工藝復雜，稱量控制精度要求比較高，邏輯控制復雜，再加之銀水凝固速度快，所以澆鑄過程要求時間短。控制層、現場層數據交換量大。

4 系統設計方案和硬件選型

4.1 系統設計方案

圖1 銀陽圓盤澆鑄工藝流程圖

圖2 圓盤澆鑄控制系統網絡視圖

根據圓盤澆鑄工藝流程，該系統主要分為兩組澆鑄設備、一組圓盤和一套取板設備。其網絡構架為：現場層、控制層和管理層三層［4]。現場層為現場信號采集和驅動設備，主要實現稱重、溫度、位置等數據采集與現場設備驅動；控制層為 PLC可編程控制設備，主要對采集數據分析處理與對驅動設備的控制; 管理級為上位機監控系統，管理和監視生產工藝各流程實時狀況。銀陽圓盤澆鑄控制系統網絡視圖如圖 2 所示。

4.2 系統硬件選型

（1）PLC 控 制 器 ： 以 SIMATIC S7-1500系列PLC為主控制器，型號為：6ES7 515-2AM01-0AB0。該CPU 集成 Web 服務器以及Motion Control工藝功能，第一個接口：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協議。

（2）工業以太網交換機：SCALANCE X208管理型以太網交換機。PROFINET IO設備,具有8個10/100Mbps RJ45端口。可使用按鈕設設置信令觸點，冗余電源設計。支持全 / 半雙工，LED 診斷。

（3）人機交互界面：采用SIMATIC精簡系列面板，型號為KTP1200 Basic PN。12.1"TFT顯示屏，1280*800像素，64K色；10個功能鍵；通訊接口：1個PROFINET接口和一個USB接口。可實現與PROFINET總線高效便捷通訊。

（4）伺服驅動系統：采用西門子SINAMICS V90PN和SIMOTICS S-1FL6伺服電機組成了高效便捷的伺服驅動系統［5]。該系統可實現位置控制、速度控制和扭矩控制，具有性能優越、低成本、運行可靠等優點。伺服電機內置絕對值20位+12位多圈編碼器，可測量和記憶角度的絕對位置，在量程范圍內旋轉角度和旋轉圈數信息具有唯一性。Profidrive驅動報文采用標準報文3，PZD-5/9，實現速度控制模式。

（5）稱重系統：選用眾加利Lark500電子秤重系統。雙速控制預置點、提前量自動修正、啟動閥值檢測、自動去皮、實時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 通訊數據更新速度。

5 PROFINET網絡的構建與調試

基于PROFINET通訊協議的系統方案，實現S7-1500PLC與各Profinet I/O設備的通訊［6]。在系統硬件組態中采用Siemens TIA V14s軟件，該軟件集西門子控制軟件和監控軟件于一體，大大提高了工作效率。

PROFINET I/O 系統組態步驟如下：

（1）使用 GSD 文件將新的PROFINET I/O設備導入硬件目錄中。

（2）配置PROFINET I/O設備。PROFINET I/O系統由一個PROFINET I/O控制器和其分配的PROFINET I/O設備組成。在TIA 中，點擊設備和網絡進入網絡視圖窗口；在硬件目錄中拖動控制器、HMI、網絡組件、現場設備等PROFINET I/O設備到視圖窗口。雙擊CPU，進入設備視圖窗口，拖動電源模塊、通訊模塊、DI、DQ、AI、AQ等模塊到導軌上。

（3）分配網絡設備參數。在PROFINET設備的屬性窗口中點擊“PROFINET接口”，設置設備名稱、IP地址、子網掩碼、實時同步等參數，一個PROFINET總線內的所有PROFINET設備的IP地址應當設置在同一個網段。對于伺服驅動設備的參數設置需要組態工藝對象如圖3所示。設置驅動器、編碼器、位置限制、回零等參數，并在拓撲視圖中組態PROFINET網絡［7]。

圖3 PROFINET I/O組態工藝對象

（4）保存參數配置。系統組態完成后，將組態信息保存，并下載到 PLC控制器中，進入循環數據交換。

（5）在 PROFINET 網絡的調試中，使用S7-PLCSM進行在線仿真調試，實時模擬通道信號強制和信號監控如圖4所示。TIA軟件提供了系統診斷功能。該功能支持多層次的系統診斷。當故障發生時，故障設備以故障代碼的形式向控制器發送診斷報警。通過識別系統故障代碼可以準確高效的診斷和排查故障。

圖4 圓盤澆鑄在線模擬仿真

6 結束語

針對銀陽圓盤澆鑄工藝特點，設計了 PROFINET工業以太網總線結構，選擇了西門子S7-1500PLC作為控制系統和SINAMIC V90系列伺服驅動系統作為智能運動驅動設備。結果表明：基于Profinet的工控網絡具有運行穩定、維護簡單、布線成本低、網絡接入靈活、硬件組態方便等優點，滿足了建設智能工廠對智能設備的要求。