PROFINET协议发动机打刻系统设计

分类：机电一体化论文发表 时间：2021-02-22 09:15 关注：(1)

　　基于工业以太网的多种通信协议已成为工业控制领域的主流协议，它们对智能工厂和工业互联的发展有巨大的促进作用，PROFINET是其中一种被广泛使用的基于工业以太网技术的自动化总线标准。现设计了一种基于PROFINET协议的控制系统，将它应用到发动机打刻项目中，并得出项目验收结论：该系统稳定可靠、一致性好、精度高，可支持远程调试和故障诊断功能。

　　关键词：PROFINET；PLC；工业以太网；TCP/IP；通信协议；工业互联

　　近些年，工业互联和智能制造已成为全世界的热门话题，很多工业强国和世界组织都在共同推动其向前发展。前几年，德国提出了“工业4.0”，美国提出了“工业互联网”，我国也提出了“工业制造2025”[1]，这些都表明工业制造和控制领域还有很多瓶颈有待突破。伴随着微电子、芯片、计算机、通信、智能控制、网络、5G通信等技术的快速发展，工业控制领域取得了飞跃式发展，很多工业现场的传感器、仪器仪表、控制器、驱动器、执行机构不但可以在车间内部实现互联互通，还可以现场控制系统与工厂网络中的制造企业生产过程执行管理系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）和企业资源计划（EnterpriseResourcePlanning，ERP）系统实现互联和数据交换。基于工业以太网，多种通信协议被提出以实现工业互联，其中尤以PROFINET应用最为广泛。一些科技文献也专注于PLC在工业中的应用研究[2]。本文介绍了一种基于PROFINET通信协议设计的发动机打刻系统，通过PROFINET通信协议将西门子PLC与工业机器人、视觉系统、激光测距系统、打刻系统、工业控制计算机等进行互联互通，并实现信号交互和数据交换。

　　1PROFINET简介

　　PROFINET是由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS&PROFINETInternational，PI）基于工业以太网技术推出的自动化总线标准。以德国西门子为代表的很多跨国大型自动化公司纷纷提出基于PROFINET自动化通信网络核心的整体解决方案，它们包含了实时工业以太网、实时运动控制、分布式计算控制、故障警报、分层网络控制、网络安全以及跨通信协议等自动化领域的相关主题。PROFINET具有向前兼容性，完全兼容以太网的TCP/IP协议和PI之前提出的现场总线标准PROFIBUS。基于实时性和不同通信机能的考虑，PROFINET给出了以下3种不同的子通信协议分类：（1）TCP/IP协议，可以通过以太网与多个不同网络实现信息传输，主要针对PROFINETCBA（ComponentBasedAutomation）、因特网及工厂网路调试应用，其网络响应时间约为100ms。（2）RT（Real-Time，实时）通信协议，主要是针对PROFINETCBA和PROFINETIO的应用，如PROFINET网络中的传感器、执行机构、控制器等，其网络响应时间小于10ms。（3）IRT（IsochronousReal-Time，等时实时）通信协议，主要是针对PROFINET网络中的驱动系统，其网络响应时间小于1ms。从开放系统互联参考模型（OpenSystemInternetwork/ReferenceModel，OSI/RM）来看，上述PROFINET子通信协议分类差异如图1所示。

　　2发动机打刻系统

　　在机动车辆上，车辆识别代码和发动机代码是最重要的两个代码，用于车辆的身份识别和信息追溯。很多跨国车辆企业为了提高车辆的安全保险等级和信息可追溯性，提出在发动机上打刻车辆识别代码信息。这些代码信息都是由ERP经MES系统下发给发动机打刻系统，该打刻系统一般都被设计在整车企业的总装车间。发动机打刻系统通常由控制系统、人机界面HMI、打刻系统、输入/输出设备等组成。

　　3控制系统设计

　　3.1系统结构及硬件设计

　　基于某整车企业需求，本文提出一种基于PROFINET协议设计的发动机打刻系统，其主要由控制系统、人机界面HMI、工业机器人、视觉系统、测距系统、打刻系统、工业控制计算机、网络交换机、通信模块等组成。控制系统使用西门子PLC317F型号，它是安全型PLC，安全设备主要有安全门锁、安全光栅、急停系统、与其他设备安全互锁系统。视觉系统使用康耐视智能相机系统，用于读取发动机条码信息、获取打刻位置、识别打刻字符。测距系统使用基恩士高精度激光测距系统，用于获取到位停止后发动机相对于机器人的偏移值，它与视觉定位共同组成三维空间，分别获取相应三维空间中三个不同维度的偏移值。工业机器人使用ABB工业机器人，将智能相机、测距传感器、打刻设备都安装在机器人移动手臂的末端，通过机器人移动实现读码、定位、测距、识别字符、测试打刻、打刻等功能动作。

　　3.2控制网络设计

　　设计的发动机打刻系统共有3个不同网络。其中，核心网络为发动机打刻控制系统网络，使用PROFINET协议通过交换机相互连接通信，它的网络拓扑如图2所示。发动机打刻控制系统网络与现场其他设备，如发动机输送系统、总装车间的数据采集与监视控制系统，通过西门子的CP343通信模块进行通信；与ERP和MES通过PN-PN耦合器进行通信和数据交换。在这个PROFINET网络中，应用了3种子协议：（1）PLC与打标机使用了TCP/IP协议；（2）PLC与HMI、远程IO模块（图2中的IOdevice1和IOdevice2）、视觉相机（图2中的InSight）和激光测距系统（图2中的dl-pn1）使用了RT协议；（3）PLC与机器人使用了IRT协议。

　　3.3控制流程及程序设计

　　3.3.1PLC和HMI程序设计PLC和HMI程序使用西门子博图（TIAPortal）软件V15版本设计，主要分为硬件组态和程序编写。硬件组态主要有电源模块、CPU模块、输入/输出模块、通信模块、安全输入/输出模块、远程输入/输出模块等。PLC作为主控设备，既负责整个发动机打刻系统的主流程控制，也负责与系统中其他设备动作逻辑的协调和数据的交换。PLC程序设计主要分为以下几个部分：主程序、安全控制程序、视觉程序、测距程序、机器人逻辑控制及数据交互程序、输送系统交互程序、MES交互程序、打刻机交互程序、报警程序、初始化程序、复位程序等。其中，安全控制程序尤为重要，主要负责处理安全门锁、安全光栅、急停系统的程序，所有的安全输入信号都采用双通道信号，其安全等级比普通安全继电器系统还高一个数量级。与机器人交互的程序采用GRAPH编程形式，这样的控制流程直观明了，便于编程和调试，在查找和分析问题时也十分便捷。3.3.2机器人程序设计机器人程序通过ABBRobotStudio软件进行设计，也可以通过它编辑各种数据变量和通信变量，如移动点位、工件坐标系、工具坐标系、IO变量、PROFINET通信变量等。机器人主程序的控制流程采用多重校验的循环形式，其控制流程图如图3所示。3.3.3视觉程序设计视觉程序根据电子表格编程形式，主要分为3个部分：读取发动机条码信息、打标位置视觉定位、打标字符视觉识别。针对不同的车型有相应车型的读码模板、定位模板、字符识别模板，通过电子表格编程形式可以对视觉光源曝光强度、曝光位置、曝光时间、曝光增益等进行设置和编程；通过电子表格可以对图片进行滤波、黑白亮化、蚀刻等编程处理；通过电子表格可以对数据进行换算处理编程；通过电子表格可以对图片进行FTP输出处理编程，还可以通过电子表格对与PLC通信的数据进行编程处理。

　　4应用结果

　　本文基于PROFINET通信协议设计的发动机打刻系统应用于某进口品牌的总装车间中，经过运行验证，取得了令客户十分满意的成果。通过视觉定位机器人打刻的位置一致性好，经检测打标位置偏差小于0.05mm。经过3个月的设备磨合提升期后，视觉识别打刻字符通过率高于99.99%。基于PROFINET通信协议的发动机打刻系统稳定可靠，经过两年的跟踪观测，设备连续运行时间能达500h，平均停机时间小于30min。通过PROFINET网络，公司网络内任意位置的工程师都可以在中央控制室的监控平台观测发动机打刻系统的相关数据和设备状态信息，可以实现远程调试和远程故障诊断。

　　5结语

　　在这个科学技术日新月异的时代，工业互联依旧是工业领域尤为关注的话题，很多科研工作者也将继续致力于基于工业互联网的各种通信协议的开发和应用研究。随着人工智能、大数据技术、5G通信、低轨通信卫星技术的快速发展，相信在不久的将来，工业互联的发展必将取得进一步革命性的突破。

　　[参考文献]

　　[1]庄存波，刘检华，隋秀峰，等.工业互联网推动离散制造业转型升级的发展现状、技术体系及应用挑战[J].计算机集成制造系统，2019，25（12）：3061-3069.

　　[2]王立之.基于PLC和伺服定位在多功能装箱机中精确定位的应用[J].机械制造与自动化，2013，42（1）：190-194.

　　作者：王立之 叶坤 杨坤明