本文關(guān)鍵詞：基于PROFINET的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第7卷 第2期

信 息 與 電 子 工 程

Vo1．7，No．2

，2009 2009年4月 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Apr．文章編號(hào)：1672-2892(2009)02-0164-04

基于PROFINET的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

張廣法1，唐 鐘2，謝 閱2

(1.安彩高科 彩玻二廠，河南 安陽(yáng)，455000；2.西南計(jì)算中心，四川 綿陽(yáng)，621900)

摘 要：某大型裝置中，能源模塊為高能量設(shè)備，數(shù)量眾多(近百臺(tái))，需分組協(xié)調(diào)控制，對(duì)控制單元及通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高。基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了PROFINET CBA技術(shù)、OPC集成技術(shù)的應(yīng)用研究，并以裝置能源控制系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一套基于PROFINET的集群PLC網(wǎng)絡(luò)通信工程方案，128 KB數(shù)據(jù)包的響應(yīng)時(shí)間小于1 s，滿足集群PLC實(shí)時(shí)控制需求。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信；PROFINET系統(tǒng)；OPC集成技術(shù)；集群PLC；CORBA結(jié)構(gòu) 中圖分類號(hào)：TN915.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Network Communication System Based on PROFINET

ZHANG Guang-fa1，TANG Zhong 2，XIE Yue2

(1.Ancaigaoke Stained Color Glass Second Factory，Anyang Henan 455000，China；2.South-west Computing Center，

China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621900，China)

Abstract：In some great experiment equipment, there are hundreds of high power energy modules which need to be controlled on line. Control unit and network is requested to have high reliability and good real-time performance. The application research of PROFINET Component Based Automation(CBA) and OLE for Process Control(OPC) integration technology are studied on experiment flat. By the example of energy control system, the network control project for large-scale PLC based on PROFINET is designed. The response time for 128 KB data packet is less than 1 s，which meets the real-time control requirement for large-scale PLC.

Key words：network communication；PROFINET；OLE for Process Control(OPC)；large-scale Programmable Logic Control(PLC)；Common Object Request Broker Architecture(CORBA)

工業(yè)以太網(wǎng)雖然擴(kuò)展靈活，接入站點(diǎn)數(shù)量多，但是基于TCP/IP的傳輸機(jī)制決定了協(xié)議包處理時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的要求。PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)，采用存貯轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制而非現(xiàn)場(chǎng)總線的共享方式通信，

選用PROFINET作為總線帶寬和節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展能力大大提高[1]。

PLC通信網(wǎng)絡(luò)，不僅能實(shí)現(xiàn)集群能源模塊的分組管理及控[2-3]

。 制，還能實(shí)現(xiàn)與第三方現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的無(wú)縫集成ADVANCED

針對(duì)某大型裝置的物理要求，結(jié)合NIF(National Ignition

Facility)控制系統(tǒng)研制過(guò)程，利用基于PROFINET的PLC網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證在裝置中將使用的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，F(xiàn)EP

computer

并為裝置集群能源模塊的控制設(shè)計(jì)一套適用的網(wǎng)絡(luò)控制工程方案。

1# equipment PLC

2# equipment PLC

1 實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)

Fig.1 Hardware configuration of experiment

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)裝置需求，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。FEP(Front Equipment Processor)計(jì)算機(jī)及管理計(jì)算機(jī)都采用普通以太網(wǎng)卡，管理PLC及設(shè)備PLC為SIMATIC S7－300(CPU315－2DP)，PROFINET通信模塊為CP341－1PN，PROFINET交換機(jī)為SIMATIC SCALANCE X208。

收稿日期：2008-09-08；修回日期：2008-10-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2006AA804508)

第2期 張廣法等：基于PROFINET的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng) 165

2 通信控制實(shí)例

裝置能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制響應(yīng)時(shí)間，要求所有設(shè)備PLC的狀態(tài)信息及控制指令(I/O信號(hào))到FEP(Front End Processor)或管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于1 s。單個(gè)設(shè)備PLC有約8 KB的電流數(shù)據(jù)需要提交給FEP及管理計(jì)算機(jī)，近百個(gè)設(shè)備PLC到其上級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于或等于10 s。

FEP計(jì)算機(jī)上駐留一套OPC Server服務(wù)程序，提供給FEP控制程序(僅能C++開發(fā))，管理控制程序通過(guò)CORBA訪問(wèn)FEP控制程序。測(cè)試

圖2測(cè)試用軟件部署

用軟件部署如圖2所示。

裝置計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)方案中，已明確指明FEP控制程序與上層的通信為CORBA[4-5]，同時(shí)WinCC中OPC的驅(qū)動(dòng)能力為384 KB，小于裝置電流數(shù)據(jù)通信量的要求(約800 KB)，WinCC在離散數(shù)據(jù)(電流數(shù)據(jù))的圖形顯示方面不易實(shí)現(xiàn)，因此客戶軟件采用C++開發(fā)。

為得到準(zhǔn)確通信時(shí)間，用STEP7梯形語(yǔ)言編寫1個(gè)測(cè)量程序，在開始通信到通信結(jié)束(收到數(shù)據(jù))時(shí)進(jìn)行記時(shí)。本文提到的通信時(shí)間是用此程序測(cè)量得到。 2.1 CBA之間的實(shí)時(shí)通信

CBA實(shí)時(shí)通信試驗(yàn)的軟件配置：PLC管理及CBA組件創(chuàng)建軟件——SIMATIC Step 7；CBA通信管理軟件——SIMATIC iMap。

CBA1和CBA2組件均采用S7 300系列PLC CPU315－2DP外加通信模塊CP343－1－Advance實(shí)現(xiàn)，不考慮PLC控制程序?qū)νㄐ诺挠绊�，在程序中刷新通信�?shù)據(jù)區(qū)(DB塊)。

CBA組件在生成iMAP項(xiàng)目后，通信連接自動(dòng)丟失，需要在iMAP項(xiàng)目中重新組態(tài)通信連接。 CBA試驗(yàn)如表1所示。

表1 CBA之間實(shí)時(shí)通信試驗(yàn)

Table1 Real time communication experiment between CBAs

real-time data/byte cycle/ms non-realtime data/byte frequency/ms result

No.1 50 10 success No.2 200 10 success No.3 400 10 600 500 success

CBA組件之間的通信數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)時(shí)通道傳輸，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用DCOM

(Distributed Component Object Mode)通信機(jī)制通信。

1) 裝置能源控制系統(tǒng)中管理PLC和16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)刷新及指令控制)不超過(guò)200 byte，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可看出，CBA實(shí)時(shí)通信能夠滿足要求。

2) CBA之間的非實(shí)時(shí)通信的最大數(shù)據(jù)量為2 KB，裝置能源管理PLC和現(xiàn)場(chǎng)PLC之間的電流數(shù)據(jù)為16×8 KB= 128 KB，因此不能通過(guò)CBA通信方式傳輸。 2.2 多數(shù)據(jù)通信

裝置能源系統(tǒng)每個(gè)模塊(PLC)的電流數(shù)據(jù)為8 KB，共16×8 KB =128 KB，數(shù)據(jù)量較大且對(duì)傳輸響應(yīng)時(shí)間有一定要求，因此進(jìn)行以下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。大數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)的軟件配置：PLC管理及CBA組件創(chuàng)建軟件——SIMATIC Step 7；CBA通信管理軟件——SIMATIC iMap；OPC服務(wù)器軟件——SIMATIC NET OPC服務(wù)器；OPC測(cè)試軟件——SIMATIC OPC Scout。

現(xiàn)場(chǎng)PLC的電流數(shù)據(jù)可通過(guò)管理PLC和FEP計(jì)算機(jī)的OPC Server通信，也可直接和FEP計(jì)算機(jī)的OPC Server通信。

1) 管理PLC和現(xiàn)場(chǎng)PLC的ISO on TCP通信

管理PLC和現(xiàn)場(chǎng)PLC之間的電流數(shù)據(jù)通過(guò)ISO on TCP協(xié)議(AGsent、AGrecv指令)通信，握手信號(hào)通過(guò)CBA實(shí)時(shí)通信方式(10 ms周期)傳輸；

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信 息 與 電 子 工 程

第7卷

管理PLC和現(xiàn)場(chǎng)PLC通過(guò)1個(gè)ISO on TCP連接，依次發(fā)送4組8 KB的數(shù)據(jù)，通信成功，通信時(shí)間16 s~18 s； 管理PLC和現(xiàn)場(chǎng)PLC通過(guò)4個(gè)ISO on TCP連接并行發(fā)送，每個(gè)連接發(fā)送8 KB的數(shù)據(jù)，通信成功，通信時(shí)間4 s~5 s。

2) 管理PLC和FEP OPC Server的ISO on TCP通信

管理PLC和FEP OPC Server之間的電流數(shù)據(jù)通過(guò)ISO on TCP協(xié)議(AGsent,AGrecv指令)通信，握手信號(hào)通過(guò)CBA實(shí)時(shí)通信方式(10 ms周期)傳輸；

管理PLC和OPC Server通過(guò)1個(gè)ISO on TCP連接依次發(fā)送4組8 KB的數(shù)據(jù)，通信成功，通信時(shí)間16 s ~18 s； 管理PLC和OPC Server通過(guò)4個(gè)ISO on TCP連接并行發(fā)送，每個(gè)連接發(fā)送8 KB的數(shù)據(jù)，通信時(shí)間4 s~5 s。 3) 管理PLC和FEP OPC Server的S7通信

管理PLC和FEP OPC Server之間的電流數(shù)據(jù)通過(guò)S7協(xié)議(AGsent,AGrecv指令)通信，握手信號(hào)通過(guò)CBA實(shí)時(shí)通信方式(10 ms周期)傳輸，OPC Server的數(shù)據(jù)通過(guò)Receive Date目錄獲得；

管理PLC和FEP OPC Server之間建立4個(gè)S7通信連接，通過(guò)客戶端程序啟動(dòng)OPC Server中的通信連接獲得數(shù)據(jù)，通信時(shí)間4 s ~5 s；

經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)：

1) 通過(guò)增加連接數(shù)并行傳輸可以充分利用帶寬，提高傳輸效率；

2) PLC之間的ISO on TCP通信時(shí)間及PLC與OPC Server之間的ISO on TCP通信時(shí)間基本相同； 3) PLC之間的連接數(shù)受PLC硬件的限制，只有16~64個(gè)連接，OPC Server可以建立的通信連接數(shù)相對(duì)較多； 4) ISO on TCP和S7通信協(xié)議傳輸8 KB電流數(shù)據(jù)時(shí)的通信時(shí)間基本相同；

5) 采用S7通信協(xié)議建立通信連接，通過(guò)采用客戶端啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄?duì)帶寬的利用效率更高，應(yīng)用也更靈活。

2.3 系統(tǒng)模擬測(cè)試

2個(gè)設(shè)備PLC將IO數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提交給管理PLC由其打包后，供OPC Server調(diào)用，經(jīng)過(guò)FEP,CORBA,Server封裝以后，供客戶端軟件調(diào)用，數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時(shí)間小于1 s。IO數(shù)據(jù)在管理控制軟件及FEP客戶軟件的刷新時(shí)間小于1 s，電流數(shù)據(jù)通信響應(yīng)控制時(shí)間小于10 s，滿足裝置能源系統(tǒng)通信要求。

3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)能源系統(tǒng)，基于PROFINET的集群

FEP PLC網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

computermanage設(shè)備PLC作為能源模塊的管理單元，負(fù)manage

managePLC PIC

PIC 責(zé)本能源模塊的控制管理以及與其它模塊的FEP

PROFINETcomputer PROFINETPROFINET通信，包括：能源模塊實(shí)時(shí)狀態(tài)的上傳，上switch switch switch

級(jí)控制指令的傳達(dá)執(zhí)行以及將電流采集單元

1# equipmentN# equipment

傳來(lái)的電流數(shù)據(jù)上傳。 PLC PLC N# equipment 1# equipmentN# equipment 1# equipment

PLC PLC PLC PLC 多個(gè)能源模塊狀態(tài)數(shù)據(jù)的更新頻率以及

Group N Group 6 Group 1

控制指令的響應(yīng)時(shí)間要求小于1 s，每個(gè)組設(shè)Fig.3 Hardware configuration of energy control system

圖3 裝置能源控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 計(jì)一個(gè)管理PLC，負(fù)責(zé)本組所有設(shè)備PLC的

協(xié)調(diào)管理。管理PLC與多個(gè)設(shè)備PLC的通信采用基于PROFINET的實(shí)時(shí)通道，F(xiàn)EP計(jì)算機(jī)以及上級(jí)計(jì)算機(jī)只需與管理PLC進(jìn)行通信而不與多個(gè)設(shè)備PLC直接通信，減少了通信連接次數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的控制訪問(wèn)效率。管理PLC負(fù)責(zé)的協(xié)調(diào)管理，包括：本組所有能源模塊實(shí)時(shí)狀態(tài)的打包上傳，上級(jí)控制指令解析后的下傳。為保證電流數(shù)據(jù)的傳輸響應(yīng)時(shí)間，并且不影響狀態(tài)數(shù)據(jù)的更新頻率，并考慮到所有模塊放電電流的訪問(wèn)周期一般大于1 h，能源模塊的電流數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)管理PLC，直接上傳到FEP計(jì)算機(jī)或上級(jí)計(jì)算機(jī)。

sub-system control coputer generic switch

FEP computer

PROFINETTCP/IP

photoelectricity

switch

4 結(jié)論

PROFINET技術(shù)在國(guó)內(nèi)正處于推廣階段，可借鑒的案例不多，象本裝置這樣大規(guī)模的應(yīng)用設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有先例。利用基于PROFINET的PLC網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)CBA實(shí)時(shí)通信測(cè)試、多數(shù)據(jù)通信測(cè)試、系統(tǒng)模擬測(cè)試等，

第2期 張廣法等：基于PROFINET的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng) 167

驗(yàn)證了PROFINET CBA技術(shù)、OPC集成技術(shù)在本裝置上的可行性。以裝置能源控制系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一套網(wǎng)絡(luò)通信工程方案，該方案為具有集群PLC實(shí)時(shí)控制需求的其它系統(tǒng)提供了可借鑒的案例。 參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] Profibus International. PROFINET——連接各個(gè)領(lǐng)域[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量, 2001,42(2):24-27. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

陳海東.PROFINET——面向自動(dòng)化未來(lái)的以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案[J]. 現(xiàn)代制造, 2004,26(12):34-36. Profibus International. GB/T20000-2004 PROFINET IO Part 5:Application Layer Service Definition[S]. 2004. Dirk Slama,Jason Garbis. CORBA企業(yè)解決方案[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

唐鐘,曾司鳳,周小偉,等. 基于CORBA的三層C/S模式分布式控制系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2007:15(7):885-886.

作者簡(jiǎn)介：

張廣法(1957-)，男，河南省長(zhǎng)恒人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制等. E-mail:tangzhong_my@126.com.

唐 鐘(1974-)，男，四川省綿陽(yáng)市人，碩士，工程師，研究方向?yàn)橹悄芸刂�、�?jì)算機(jī)軟件與應(yīng)用等.

謝 閱(1971-)，男，四川省遂寧市人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧娇刂�、�?jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用等.

(上接第158頁(yè)) 參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] Sun H M. An efficient remote user authentication scheme using smart cards[J]. IEEE Trans. on Consumer Electron., 2000,

46(4):958-961.

[ 2 ] Kamioka T,Shimizu A. The examination of the security of SAS one-time password authentication[J]. IEICE Technical

Report OFS2001-48, Tokyo, Japan, 2001,101(435):53-58.

[ 3 ] Chien H Y,Jan J K,Tseng Y M. An efficient and practical solution to remote authentication: Smart Card[J]. Comput.

Security, 2002,21(4):372-375.

[ 4 ] Shen J J,Lin C W,Hwang M S. A modified remote user authentication scheme using smart cards[J]. IEEE Trans. on Consumer

Electron., 2003,49(2):414-416.

[ 5 ] Shen Jau Ji,Lin Chih Wei,Hwang Min Shiang. A Modified Remote User Authentication Scheme Using Smart Cards[J].

IEEE Trans. on Consumer Electron., 2003,49(2):414-416.

[ 6 ] Yen-Cheng Chen,Lo-Yao Yeh. An efficient nonce-based authentication scheme with key agreement[J]. Applied

Mathematics and Computation, 2005,169(2):982-994.

[ 7 ] Wen-Gong Shieh,Jian-Min Wang. Efficient remote mutual authentication and key agreement[J]. Computers and Security

2006,25(1):72-77.

作者簡(jiǎn)介：

朱文成(1982-)，男，山東省泰安市人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)安全. E-mail:zhuwencheng123@163.com.

周安民(1963-)，男，成都市人，研究員，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)安全.

王 祥(1980-)，男，山東省濟(jì)寧市人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)安全.

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  本文關(guān)鍵詞：基于PROFINET的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：176260