PROFINET總線技術(shù)在西門子TIA博途軟件中的應(yīng)用

王 斌，曲 杰，張國旭，張 明，王 寧，朱 煜

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

0 前言

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的集成和一體化的自動控制解決方案。它可以應(yīng)用在基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的分散式的現(xiàn)場級設(shè)備和需要苛求時間的應(yīng)用集成，以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)集成中。PROFINET是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動化通信系統(tǒng)，也是一套全面的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以在工業(yè)控制領(lǐng)域中使運(yùn)用以太網(wǎng)所有的需求得到滿足。工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了控制器各個層次的通信、其中包括I/O設(shè)備的普通自動控制領(lǐng)域和功能更加強(qiáng)大的運(yùn)動控制領(lǐng)域。所以，工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET適用于所有的工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 PROFINET技術(shù)分析

1.1 PROFINET標(biāo)準(zhǔn)模塊

工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET標(biāo)準(zhǔn)提供了模塊化概念，其功能包括8個主要的模塊，依次為實(shí)時通信、分布式現(xiàn)場設(shè)備、運(yùn)動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過程自動化。PROFINET與ISO組織的OSI七層模型之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

1.2 PROFINET實(shí)時通信

為保證通信實(shí)時性，需對信號傳輸時間做精確計算。當(dāng)然，不同現(xiàn)場應(yīng)用對通信系統(tǒng)實(shí)時性有不同要求，在衡量系統(tǒng)實(shí)時性時，使用響應(yīng)時間作為一個標(biāo)尺。根據(jù)響應(yīng)時間不同，PROFINET支持3種通信方式：

（1）TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信。PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，其響應(yīng)時間大概在100ms量級，對于工廠控制級應(yīng)用來說，這個響應(yīng)時間足夠。

（2）實(shí)時（RT）通信。對于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備間數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應(yīng)時間要求更為嚴(yán)格，需5ms～10ms。目前，可使用現(xiàn)場總線技術(shù)達(dá)到，如Profibus-DP。對于基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用標(biāo)準(zhǔn)通信棧來處理過程數(shù)據(jù)包需要很可觀的時間，因此，PROFINET提供一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層的實(shí)時通信通道，通過該通道，極大減少了數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時間。因此PROFINET獲得等同甚至超過傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實(shí)時性能。

（3）同步實(shí)時(IRT)通信。在現(xiàn)場級通信中，對通信實(shí)時性要求最高的是運(yùn)動控制。伺服運(yùn)動控制對通信網(wǎng)絡(luò)提出極高要求，在100個節(jié)點(diǎn)下，其響應(yīng)時間小于1ms，抖動誤差小于1μs，以保證及時、確定的響應(yīng)。

三種不同性能等級的PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋了自動控制領(lǐng)域的全部應(yīng)用范圍。PROFINET標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵特性有以下幾點(diǎn)：①同一網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時通信與普通以太網(wǎng)通信可以同時存在；②標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)時通信協(xié)議適用于所有應(yīng)用；③可以從普通性能到高級性能、可以實(shí)現(xiàn)時間同步的實(shí)時通信。

1.3 PROFINET運(yùn)動控制

通過PROFINET的同步實(shí)時(IRT)功能，可輕松實(shí)現(xiàn)對伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制。在PROFINET同步實(shí)時通信中，每個通信周期被分成兩個不同部分：一個是循環(huán)的、確定的部分，稱為實(shí)時通道；另一個是開放通道，標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP數(shù)據(jù)通過這個通道傳輸。實(shí)時通道中為實(shí)時數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時間窗，而實(shí)時數(shù)據(jù)總是按固定次序插入，因此實(shí)時數(shù)據(jù)就在固定間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余時間用來傳遞標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP數(shù)據(jù)。兩種不同類型數(shù)據(jù)就可同時在PROFINET上傳遞，且不會互相干擾。通過獨(dú)立實(shí)時數(shù)據(jù)通道，保證對伺服運(yùn)動系統(tǒng)的可靠控制。

1.4 PROFINET的網(wǎng)絡(luò)安裝

PROFINET支持星型、樹型、總線型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為減少布線費(fèi)用并保證高度可用性和靈活性，PROFINET提供大量工具幫助用戶方便實(shí)現(xiàn)安裝。特別設(shè)計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并在PROFINET框架內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)化，保證不同制造商設(shè)備間的兼容性。

（1）星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指每個站點(diǎn)設(shè)備都連接到一個交換機(jī)呈現(xiàn)為星形分布，它可以應(yīng)用在設(shè)備密度高、覆蓋范圍不大、空間擴(kuò)展小的領(lǐng)域中。

（2）樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由幾個星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接到一起就組成了樹形結(jié)構(gòu)。它可以將復(fù)雜設(shè)備的安裝分成幾個部分，作為自主設(shè)備來進(jìn)行通信。

（3）總線型拓?fù)洹ROFINET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似于PROFIBUS的總線型結(jié)構(gòu)，所有通信設(shè)備都是串行連接的，應(yīng)用安裝在PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)PROFINET總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是應(yīng)用靠近連接端子的轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)，它可應(yīng)用在需要擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的總線系統(tǒng)中，同樣可以優(yōu)先選用最佳傳送系統(tǒng)、裝配線等設(shè)備。

（4）環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有站點(diǎn)由一條環(huán)形電纜連接起來形成環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在當(dāng)系統(tǒng)為具有高度可用性時，為了防止發(fā)生電纜斷開或有故障的網(wǎng)絡(luò)部件時候，可以應(yīng)用環(huán)形拓?fù)洹榱嗽黾佑行裕梢赃x擇環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的好處在與可以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)組件故障，增加設(shè)備可用性和有效性。

1.5 PROFINET IT標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)安全

PROFINET一個重要特征是可同時傳遞實(shí)時數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗(yàn)證的IT技術(shù)都可使用 (如http、HTML、SNMP、DHCP 和 XML 等 )。 在 使 用PROFINET時，可使用這些IT標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)加強(qiáng)對整個網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)，可節(jié)省調(diào)試和維護(hù)成本。PROFINET實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場級到管理層的縱向通信集成，一方面方便管理層獲取現(xiàn)場級數(shù)據(jù)，另一方面原本在管理層存在的數(shù)據(jù)安全性問題也延伸到了現(xiàn)場級。為保證現(xiàn)場級控制數(shù)據(jù)安全，PROFINET提供特有安全機(jī)制，通過使用專用安全模塊，可保護(hù)自動化控制系統(tǒng)，使自動化通信網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險最小化。

2 PROFINET技術(shù)應(yīng)用

2.1 TIA博途軟件

西門子工業(yè)自動化集團(tuán)發(fā)布的“TIA博途”全集成自動化軟件，是業(yè)內(nèi)首個采用統(tǒng)一工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，適用于所有自動化任務(wù)，這是軟件開發(fā)領(lǐng)域的一個里程碑，是工業(yè)領(lǐng)域第一個帶有“組態(tài)設(shè)計環(huán)境”的自動化軟件，借助該全新的工程技術(shù)軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動化系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

2.2.1 系統(tǒng)硬件連接（圖1）

2.2.2 S7-1200的配置

打開TIA Portal軟件，新建一個項目，在添加新設(shè)備的界面中選擇相應(yīng)的設(shè)備和硬件版本，在隨后打開的網(wǎng)絡(luò)視圖中為CPU1214C建立PROFINET網(wǎng)絡(luò)，并從右側(cè)的目錄“Otherfielddevices-＞PROFINET IO-＞Drives-＞Siemens AG-＞SINAMICS”中選擇“ SINAMICS S120/S150 CBE20 V4.3”,將其拖到該網(wǎng)絡(luò)中，并分配給“PLC_1”。鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊PROFINET IO網(wǎng)絡(luò)，在中部的網(wǎng)絡(luò)視圖窗口中將顯示剛才新建的PLC站“SIMATIC 1200 station_1”和IO設(shè)備“GSD device_1”,如圖2所示。點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)視圖中的S7-1200 PLC,在下面的屬性窗口中，修改Device Name為“ plc1200”,同樣，修改 S120 的 Device Name為“s120pn”。然后在屬性窗口中，為 PLC和S120分配IP地址，如圖3所示。

圖1 S7-1200與S120的硬件連接示意圖

圖2 PROFINET IO系統(tǒng)組態(tài)

圖3 分配IP地址

完成上述設(shè)置后，將項目下載至S7-1200,這樣，S7-1200的IP地址和Devices Name就已經(jīng)分配好了。現(xiàn)在組態(tài)S120的報文，在上圖所示的網(wǎng)絡(luò)視圖中打開S120的設(shè)備視圖，從右側(cè)目錄中選擇“Standard telegram 1”拖到左側(cè)的地址列表中，如圖4所示。

2.2.3 SINAMICS S120的配置

圖4 為驅(qū)動裝置組態(tài)報文

打開STARTER軟件，新建一個項目，在“Project”菜單中選擇“ Accessible Nodes”選項，搜索在線的節(jié)點(diǎn)，在搜索到的S120站點(diǎn)上點(diǎn)擊右鍵，選擇“Edit Ethernet Node”,在彈出的對話框中設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼以及Device Name,并點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕完成設(shè)置。完成上述設(shè)置之后，可以重新在“Project”菜單中選擇“Accessible Nodes”選項，將在線的 S120上載到PG/PC中，可以使用“Automatic configuration”對驅(qū)動裝置在線進(jìn)行自動配置，并完成靜態(tài)識別和控制器優(yōu)化。然后為驅(qū)動器配置報文，配置結(jié)束后執(zhí)行“Copy RAM to ROM”將參數(shù)存貯至CF卡中。本例中的電機(jī)模塊為雙軸模塊，第一個軸SERVO_02選擇報文“Standard telegram 1”,第二軸SERVO_03和控制單元均沒有配置報文。如圖5所示。

圖5 S120報文配置

2.2.4 通過PROFINET總線控制電機(jī)起停和速度

S7-1200通過PROFINET周期性通訊方式將控制字 1（ STW1）和主設(shè)定值（ NSOLL_A）發(fā)送至驅(qū)動器。①控制字中的Bit0做電機(jī)的起、停控制。②主設(shè)定值為速度設(shè)定值，頻率設(shè)定值和實(shí)際值要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化，使得4000H（十六進(jìn)制）對應(yīng)于100%，發(fā)送的最高頻率（最大值）為7FFFH(200%)。可以在驅(qū)動參數(shù)P2000中修改參考頻率（缺省值為50HZ或者電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速）。③在S7-1200中需要調(diào)用“ DPRD_DAT”和“ DPWR_DAT”系統(tǒng)功能塊，其中，“DPRD_DAT”功能塊用于讀取驅(qū)動裝置的過程參數(shù)，“DPWR_DAT”功能塊用于寫入驅(qū)動裝置的過程參數(shù)。如圖6所示。

圖6 S7-1200周期性通訊編程

圖7 控制S120的啟停和速度

在調(diào)用“ DPRD_DAT”和“ DPWR_DAT”系統(tǒng)功能塊時需要注意：“LADDR”應(yīng)該采用“默認(rèn)變量表”中的系統(tǒng)變量“Standard_telegram_1_PZD-2_2[AI/AD]”。 這里列舉一個控制示例，包括“ SERVO_2”控制字、主設(shè)定值的發(fā)送及狀態(tài)字和實(shí)際頻率的讀取程序。

（1）控制驅(qū)動器運(yùn)行。通過先發(fā)送控制字（STW1）16#047E然后發(fā)送16#047F來啟動驅(qū)動器，該數(shù)據(jù)控制字在MW20（見圖7）中指定，主設(shè)定值在MW22中設(shè)定。

（2）停止驅(qū)動器。發(fā)送控制字16#047E至驅(qū)動器。

（3）讀取驅(qū)動器狀態(tài)字及頻率實(shí)際值。PLC 接收狀態(tài)字 1（ ZSW1）,存放在 MW10中；接收驅(qū)動器傳來的頻率實(shí)際值，存放在MW12中。

3 總結(jié)

在TIA博途軟件平臺中，PROFINET已成為所有西門子新產(chǎn)品的通信標(biāo)準(zhǔn)。TIA博途作為一個工程組態(tài)平臺，完美集成了所有工程工具和PROFINET，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理的高度一致性和完整性。

[1]崔 堅，張 春，趙 欣，編.TIA博途——STEP7 V11編程指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 劉國海，編.現(xiàn)場總線 PROFINET[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 西門子（中國）有限公司，組編.PROFINET總線技術(shù)應(yīng)用手冊.