PROFINET通信在高速卷煙機上的應用

鄭先波

摘要

為詳細闡述CX2030嵌入式控制器與多臺SIMOTION D伺服控制器的PROFINET實時通信方案，對方案的架構、配置、編程進行了詳細的說明，并對通信的實時性及準確性進行了監控。該方案彌補了傳統的PROFIBUS通信字節數量太少的局限性為高速卷煙機的實時控制提供了更好的通信平臺。

【關鍵詞】嵌入式控制器 PROFINET通信 伺服控制器 實時控制

1 引言

隨著科學技術的發展，各卷煙廠家不但要求卷煙機速度高，同時要求設備運行穩定、噪音小。因此國內外卷煙設備制造廠家開始大規模運用伺服系統，減少機械傳動，從而減小了整個設備的噪音。隨著卷煙機速度的提高，需采用處理速度更快的嵌入式控制器來進行控制。目前高速卷接機組采用的主流控制器是倍福公司的嵌入式控制器（本文以CX2030為例）與西門子公司的SIMOTION D伺服控制器。二者之間采用Profibus總線進行通信。但是Profibus總線通信數據量最多只能到244字節，數據傳輸的帶寬最大為12Mbps。對于一臺擁有70多臺伺服電機的高速卷煙設備來說，其局限性顯而易見。為此，倍福公司于2014年新推出了基于工業以太網的PROFINET耦合器模塊EL6631。其總線通信數據量可達1024字節，數據傳輸的帶寬為100Mbps?？梢愿玫貪M足高速卷煙機通信的要求。

2 系統網絡結構

2.1 系統組成

嵌入式控制器CX2030，系統wes7，tc3版本V3.1.4012;EL6631-0000 PROFINET主站模塊1個;SIMOTION D控制器3個，帶PN接口。

2.2 網絡結構

3個SIMOTION D同時配置成I-Device，CX2030掛在PROFINET通信網絡的首端，作為I-Controller，發起與3個SIMOTION D的實時通信。其網絡結構如圖1所示。

3 配置步驟

3.1 GSD文件生成

在siemens編程軟件Scout里生成對應三個SIMOTION D的GSD文件，并將生成的GSD文件放在筆記本電腦C：＼TwinCAT＼3.1＼Config＼Io＼Profinet目錄下。每個SIMOTIOND控制器對應不同的GSD文件。因為一個PROFINET耦合器模塊EL6631下所有SiMotion的I、Q區數據量總和分別小于1kB。因此在生成GSD文件時，確保三個SIMOTION D控制器通信字節數量不超過1KB。

3.2 設置IP地址

因耦合器EL6631默認IP地址為192.168.1.1，必須將SIA40TION D側通信網口IP地址設為192.168.1.XX，確保與主站設備IP地址在同一網段。

3.3 硬件組態

在Twincat 3編程軟件里進行硬件掃描，分別選擇對應的GSD文件手動添加。否則有可能會出現實際SIMOTION D設備與GSD文件不一致的情況。

3.4 修改IP地址

設置IODevices設備IP地址與SIMOTION D硬件實際物理側IP地址一致。添加從站設備后，不論實際SIMOTION D IP地址是多少，CX2030里會強制將IP地址按照從站添加的順序，依次變為192.168.1.5，192.168.1.6，192.168.1.7。此時必須將IP地址修改成與實際物理地址一致，然后激活配置生效。

4 程序編制

以其中一個SIMOTION D控制器為例（該SIMOTION D分配了400個Byte），CX2030在等時任務中將數組數據寫入輸出通信數據區，SIMOTION D在等時任務中讀入數組數據，并將其輸出反饋給CX2030。CX2030將接收到的數據與發送的數據比較，若一致，則將輸出數組的數值都加1后發送給SIMOTIOND。通過在SCOUT軟件的示波器監測數據數值的變換周期，可以得出CX2030發出數據并收回的時間周期，進一步計算出CX2030與SIMOTION D底層數據交換的時間。

4.1 CX2030程序

//變量定義

cbe455_2_input AT%I*：ARRA）[1..200]OF WORD;//接收數據

cbc455_2_output AT%Q*：ARRAY[1..200]OF WORD;//發送數據

LINT;H發送數據循環計數器

J：INT;//數組成員動態變化計數器

K：INT;//接收數據循環計數器

cbe455_2_tempinl：ARRA）[L.200] OFWORD;//臨時存儲接收的數據;

//Send

FOR I：=1 TO 200 DOcbe455_2_output[E]：INT_TO_WOR]）（I+J）;

END_FOR

IF cbe455_2_output[1]=cbe455_2_tempinl[1]THENJ：=J+1：

END_IF

IF J>=100 THEN J：=0;

END_IF

//Reccive

FOR K：=1 TO 200 DO cbe455_2_tempinl[K]：=cbe455_2_input[K];

END_FOR

4.2 SIMOTION D程序

程序中不停地監控收到數組的相鄰成員數值差，若差值不為1，報錯計數器加1，則說明數據出錯，或者通信區數組不是在一個交換周期內刷新的。

FOR i：=1 TO 199DO

IF gsb_data_in[i+1]-gsb_data_in[i）<>1THEN

error_counter：=error_counter+1;

END_IF;

END_FOR;

//將收到的數據回傳給CX2030

FOR j：=1 TO 200DO

gsb_data_output[j]：=gsb_data_input[j]

END_FOR;

5 通信結果監控

（1）CX2030和SIMOTION D采用2MS任務刷新映象區數據和處理數據時，結果如圖2所示（16ms）。

（2） CX2030和SIMOTION D采用4MS任務刷新映象區數據和處理數據時，結果如圖3所示（28ms）。

6 實時性分析

6.1 PROFINET實時通信原理

提高通信的實時性主要應該從優化通信堆棧來實現，PROFINET是通過軟件的方法完成實時通信的功能的。采取的主要措施是：去除一些協議層，減小文本長度;提高通信雙方傳輸數據的確定性，把數據傳輸準備就緒的時間減至最小;采用IEEE802.1q標準，增加對數據流傳輸優先處理環節。PROFINET把實現RT功能的標志嵌入到以太網的幀結構中。

RE幀中有兩個重要的協議元素，一個是以太網類型，PROFINET使用以太網類型的Ox8892表示該幀是RT幀，該類型是由IEEE指定的區別于其它協議的唯一標準;另一個是幀ID碼，它用來編址兩個設備間特殊的通信通道。僅使用幀ID碼就可以快速選擇和識別RT幀而不需要任何多余的幀頭標志。

6.2 實時通信時間計算

方案中PROFINETN通信采用了1MS的SEND_CLOCK時鐘，數據交換時間是一定的。在I-Device通信中，假設單向數據發送時間為A，CX2030和SIMOITON D在2MS等時任務讀寫通信區和數據處理時間總和為B，則4MS等時任務讀寫通信區和數據處理時間總和為2B.根據監控得到的數據，可得到下列方程式：

2A+B=16

2A+2B=28

計算得出：A=2（ms）B=12（ms）

即CX2030和SIMOITON D通信緩存區之間的數據傳送時間為2ms，在2ms等時任務時讀寫通信區和數據處理時間為12ms。因此根據需要交換數據的實時性要求，可使用不同周期任務來處理通信數據，達到實時通信的目的。

7 結束語

本文以CX2030和SIMOTION D為對象，介紹了PROFINET通信的實時性，其大數據量的通信彌補了傳統的Profibus通信字節數量太少的局限性;充分論述了CX2030和SIMOTION D的PROFINET通信在高速卷煙機上運用的可行性及優越性。通過該方案的運用，將大大提高高速卷煙機的可靠性。更好地滿足卷煙廠家生產的要求。

參考文獻

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