基于Profinet的電氣設備IRT等實時控制研究

梁永新

（廣州晟啟能源設備有限公司，廣東廣州510445）

1 引言

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業以太網的開放的現場總線標準（IEC61158中的類型10）。PROFINET為自動化通信領域提供了一個勘稱完整的網絡解決方案，囊括了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并且，作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線（如PROFIBUS）技術，節省投資和時間。

2 應用

PROFINET為能實現上述功能，主要定義了以下三種的通訊協定等級。第一種TCP／IP通訊協定，是針對PROFINET CBA及工廠調試用，其反應時間約為100ms。第二種RT（實時）通訊協定，是針對PROFINET CBA及PROFINET IO的應用，其反應時間小于10ms，用于對實時性要求高的場合。第三種IRT（等實時）通訊協定，其反應時間小于1ms，是最高等級，可用于對實時性有很高要求的場合，諸如重要數據的檢測，某些重要事件的及時響應等。在順序控制系統中，一般的TCP／IP通訊協定，即可滿足要求，對實時性無特別要求，但是在某些重要場合，諸如危險防爆區域，如果能將檢測到的數據及時上傳至處理器，并在出現非正常狀況的時候及時給予處理，實時性就顯得很有必要。另外一種情況，就是現在有些自動化設備，是許多同樣功能的設備連接起來實現某種功能，然后有一個主的PLC去控制這些設備，這些設備如果是通過普通的工業以太網來進行通信，其通信響應時間比較慢，并且響應時間也難以穩定，在編程中對于需要通信來傳送的指令往往需要進行延時設置，這增加了程序的冗長度。組建等實時系統。用到如下硬件S7-1513 1PN PLC，ET200SP遠程IO模塊，接口模塊選用IM155-6？PN？ST，交換機選用SCALANCE X204 IRT。編程軟件用博圖V15。S7-1513PLC是西門子新推出的1500系列PLC中的一款，功能較為強大。遠程IO接口模塊選用標準型，標準型以上款才能支持IRT通信。Profinet IRT網絡最重要的就是保證實時性，即時鐘信號能準確定時、各處時鐘能達到一致，為了保證這一特性，西門子Profinet采用了設置單獨通道，RT和IRT通道，RT可以認為是軟設置，通訊雙方，按照step7組態的各自的時鐘周期內，向雙方發送一次數據，實現實時的數據交換，時鐘周期設置越短，實時性越強，對于IRT，可以認為是硬設置，采用了SACI芯片，優化堆棧數據通訊時間，并采用了帶寬預留的方式，也就是在實時數據交換期間，只有IRT的數據可以傳輸，其他如TCP或IT等數據是無法傳輸的，由于沒有數據與IRT搶帶寬，于是保證了IRT數據的實時性。為保證實現IRT，需選用IRT交換機。為減少等待時間，各IO設備直接連接到交換機，即采用星型拓撲。網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 網絡拓撲圖

S7-1500PLC上的PROFINET接口設置如下

交換機X-200IRT上的PROFINET接口設置如下

1號遠程IO設備上的PROFINET接口設置如下

1號遠程IO設備上的以太網設置如下

PROFINET IO網絡 最終生成系統列表如下圖

2號、3號遠程IO的同步功能和1號遠程IO同，都設置為同步從站。2號、3號遠程IO的以太網設置和1號遠程IO的以太網設置相似，可以用系統自動的生成設置，也可以自行設置。因為遠程IO在編程上可以直接看成PLC本體的IO，直接利用IO進行編程，IRT等實時通信也是通過在軟件上設好參數即可，無需在程序上再做編程，考慮設備的數量大小，將看門狗時間設置為3ms。

3 結束語

在網絡組態完成后，為檢測網絡的等實時性情況，需進行試驗，采用三種檢測檢驗方法，每種方法都可以有效檢測。第1種方法。在1分鐘時間內，遠程IO中一個Q輸出點每間隔一個掃描周期輸出一次，用計數器對脈沖進行計數。設置脈沖接收器，通過計算1分鐘內接收的脈沖個數，來計算遠程IO中的數據刷新周期，從而確定通信速率和穩定性。第2種方法。用NI公司的數據采集卡采集Q點4.3輸出，用Labview軟件記錄儲存并顯示波形圖。通過記錄在案的方波波形圖，能計算出通信周期并顯示實際的通信情況。第3種方法，利用遠程IO的Q點輸出，將Q點輸出接入PLC本地模塊的高速DI輸入點，通過在程序的計數器指令統計計數值，測試時的同步性通過編程實現。等實時通信的等實時效果，和PLC的刷新周期密切相關，通信距離密切相關，通過一個成套設備級程序的測試，在設備最遠通信距離不超30米的條件下，在3ms的周期內實時通信，可以實現。