基于PROFINET協議的發動機打刻系統設計

王立之 葉坤 楊坤明

摘要：基于工業以太網的多種通信協議已成為工業控制領域的主流協議，它們對智能工廠和工業互聯的發展有巨大的促進作用，PROFINET是其中一種被廣泛使用的基于工業以太網技術的自動化總線標準。現設計了一種基于PROFINET協議的控制系統，將它應用到發動機打刻項目中，并得出項目驗收結論：該系統穩定可靠、一致性好、精度高，可支持遠程調試和故障診斷功能。

關鍵詞：PROFINET;PLC;工業以太網;TCP/IP;通信協議;工業互聯

0? ? 引言

近些年，工業互聯和智能制造已成為全世界的熱門話題，很多工業強國和世界組織都在共同推動其向前發展。前幾年，德國提出了“工業4.0”，美國提出了“工業互聯網”，我國也提出了“工業制造2025”[1]，這些都表明工業制造和控制領域還有很多瓶頸有待突破。

伴隨著微電子、芯片、計算機、通信、智能控制、網絡、5G通信等技術的快速發展，工業控制領域取得了飛躍式發展，很多工業現場的傳感器、儀器儀表、控制器、驅動器、執行機構不但可以在車間內部實現互聯互通，還可以現場控制系統與工廠網絡中的制造企業生產過程執行管理系統（Manufacturing Execution System，MES）和企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統實現互聯和數據交換。基于工業以太網，多種通信協議被提出以實現工業互聯，其中尤以PROFINET應用最為廣泛。一些科技文獻也專注于PLC在工業中的應用研究[2]。

本文介紹了一種基于PROFINET通信協議設計的發動機打刻系統，通過PROFINET通信協議將西門子PLC與工業機器人、視覺系統、激光測距系統、打刻系統、工業控制計算機等進行互聯互通，并實現信號交互和數據交換。

1? ? PROFINET簡介

PROFINET是由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS & PROFINET International，PI）基于工業以太網技術推出的自動化總線標準。以德國西門子為代表的很多跨國大型自動化公司紛紛提出基于PROFINET自動化通信網絡核心的整體解決方案，它們包含了實時工業以太網、實時運動控制、分布式計算控制、故障警報、分層網絡控制、網絡安全以及跨通信協議等自動化領域的相關主題。PROFINET具有向前兼容性，完全兼容以太網的TCP/IP協議和PI之前提出的現場總線標準PROFIBUS。

基于實時性和不同通信機能的考慮，PROFINET給出了以下3種不同的子通信協議分類：

（1）TCP/IP協議，可以通過以太網與多個不同網絡實現信息傳輸，主要針對PROFINET CBA（Component Based Automation）、因特網及工廠網路調試應用，其網絡響應時間約為100 ms。

（2）RT（Real-Time，實時）通信協議，主要是針對PROFINET CBA和PROFINET IO的應用，如PROFINET網絡中的傳感器、執行機構、控制器等，其網絡響應時間小于10 ms。

（3）IRT（Isochronous Real-Time，等時實時）通信協議，主要是針對PROFINET網絡中的驅動系統，其網絡響應時間小于1 ms。

從開放系統互聯參考模型（Open System Internetwork/

Reference Model，OSI/RM）來看，上述PROFINET子通信協議分類差異如圖1所示。

2? ? 發動機打刻系統

在機動車輛上，車輛識別代碼和發動機代碼是最重要的兩個代碼，用于車輛的身份識別和信息追溯。很多跨國車輛企業為了提高車輛的安全保險等級和信息可追溯性，提出在發動機上打刻車輛識別代碼信息。這些代碼信息都是由ERP經MES系統下發給發動機打刻系統，該打刻系統一般都被設計在整車企業的總裝車間。發動機打刻系統通常由控制系統、人機界面HMI、打刻系統、輸入/輸出設備等組成。

3? ? 控制系統設計

3.1? ? 系統結構及硬件設計

基于某整車企業需求，本文提出一種基于PROFINET協議設計的發動機打刻系統，其主要由控制系統、人機界面HMI、工業機器人、視覺系統、測距系統、打刻系統、工業控制計算機、網絡交換機、通信模塊等組成。

控制系統使用西門子PLC 317F型號，它是安全型PLC，安全設備主要有安全門鎖、安全光柵、急停系統、與其他設備安全互鎖系統。視覺系統使用康耐視智能相機系統，用于讀取發動機條碼信息、獲取打刻位置、識別打刻字符。測距系統使用基恩士高精度激光測距系統，用于獲取到位停止后發動機相對于機器人的偏移值，它與視覺定位共同組成三維空間，分別獲取相應三維空間中三個不同維度的偏移值。工業機器人使用ABB工業機器人，將智能相機、測距傳感器、打刻設備都安裝在機器人移動手臂的末端，通過機器人移動實現讀碼、定位、測距、識別字符、測試打刻、打刻等功能動作。

3.2? ? 控制網絡設計

設計的發動機打刻系統共有3個不同網絡。其中，核心網絡為發動機打刻控制系統網絡，使用PROFINET協議通過交換機相互連接通信，它的網絡拓撲如圖2所示。發動機打刻控制系統網絡與現場其他設備，如發動機輸送系統、總裝車間的數據采集與監視控制系統，通過西門子的CP343通信模塊進行通信;與ERP和MES通過PN-PN耦合器進行通信和數據交換。

在這個PROFINET網絡中，應用了3種子協議：（1）PLC與打標機使用了TCP/IP協議;（2）PLC與HMI、遠程IO模塊（圖2中的IO device 1和IO device 2）、視覺相機（圖2中的InSight）和激光測距系統（圖2中的dl-pn1）使用了RT協議;（3）PLC與機器人使用了IRT協議。

3.3? ? 控制流程及程序設計

3.3.1? ? PLC和HMI程序設計

PLC和HMI程序使用西門子博圖（TIA Portal）軟件V15版本設計，主要分為硬件組態和程序編寫。硬件組態主要有電源模塊、CPU模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊、安全輸入/輸出模塊、遠程輸入/輸出模塊等。

PLC作為主控設備，既負責整個發動機打刻系統的主流程控制，也負責與系統中其他設備動作邏輯的協調和數據的交換。PLC程序設計主要分為以下幾個部分：主程序、安全控制程序、視覺程序、測距程序、機器人邏輯控制及數據交互程序、輸送系統交互程序、MES交互程序、打刻機交互程序、報警程序、初始化程序、復位程序等。其中，安全控制程序尤為重要，主要負責處理安全門鎖、安全光柵、急停系統的程序，所有的安全輸入信號都采用雙通道信號，其安全等級比普通安全繼電器系統還高一個數量級。

與機器人交互的程序采用GRAPH編程形式，這樣的控制流程直觀明了，便于編程和調試，在查找和分析問題時也十分便捷。

3.3.2? ? 機器人程序設計

機器人程序通過ABB RobotStudio軟件進行設計，也可以通過它編輯各種數據變量和通信變量，如移動點位、工件坐標系、工具坐標系、IO變量、PROFINET通信變量等。

機器人主程序的控制流程采用多重校驗的循環形式，其控制流程圖如圖3所示。

3.3.3? ? 視覺程序設計

視覺程序根據電子表格編程形式，主要分為3個部分：讀取發動機條碼信息、打標位置視覺定位、打標字符視覺識別。針對不同的車型有相應車型的讀碼模板、定位模板、字符識別模板，通過電子表格編程形式可以對視覺光源曝光強度、曝光位置、曝光時間、曝光增益等進行設置和編程;通過電子表格可以對圖片進行濾波、黑白亮化、蝕刻等編程處理;通過電子表格可以對數據進行換算處理編程;通過電子表格可以對圖片進行FTP輸出處理編程，還可以通過電子表格對與PLC通信的數據進行編程處理。

4? ? 應用結果

本文基于PROFINET通信協議設計的發動機打刻系統應用于某進口品牌的總裝車間中，經過運行驗證，取得了令客戶十分滿意的成果。通過視覺定位機器人打刻的位置一致性好，經檢測打標位置偏差小于0.05 mm。經過3個月的設備磨合提升期后，視覺識別打刻字符通過率高于99.99%。基于PROFINET通信協議的發動機打刻系統穩定可靠，經過兩年的跟蹤觀測，設備連續運行時間能達500 h，平均停機時間小于30 min。通過PROFINET網絡，公司網絡內任意位置的工程師都可以在中央控制室的監控平臺觀測發動機打刻系統的相關數據和設備狀態信息，可以實現遠程調試和遠程故障診斷。

5? ? 結語

在這個科學技術日新月異的時代，工業互聯依舊是工業領域尤為關注的話題，很多科研工作者也將繼續致力于基于工業互聯網的各種通信協議的開發和應用研究。隨著人工智能、大數據技術、5G通信、低軌通信衛星技術的快速發展，相信在不久的將來，工業互聯的發展必將取得進一步革命性的突破。

[參考文獻]

[1] 莊存波，劉檢華，隋秀峰，等.工業互聯網推動離散制造業轉型升級的發展現狀、技術體系及應用挑戰[J].計算機集成制造系統，2019，25（12）：3061-3069.

[2] 王立之.基于PLC和伺服定位在多功能裝箱機中精確定位的應用[J].機械制造與自動化，2013，42（1）：190-194.

收稿日期：2020-12-14

作者簡介：王立之（1979—），男，江蘇阜寧人，工程師，研究方向：檢測及自動化、智能控制、工業互聯網。