ProfiNet技术在深水井网络改造中的研究与应用

黄立国

(山东钢铁莱芜分公司 自动化部，山东 莱芜 271104)



ProfiNet技术在深水井网络改造中的研究与应用

黄立国

(山东钢铁莱芜分公司 自动化部，山东 莱芜 271104)

摘要：喀钢公司原设计的深水井自动化控制系统传输介质使用单模光缆通信，光缆和从站的Profibus接口使用OLM进行转接，在实际使用过程中网络经常发生从站无法与主站通信、数据交换错误、数据包丢失等故障。为了彻底解决上述问题，通过对通信协议、与原系统的兼容性、电源、通信速率、安装方式、电口或光口的分析比较，最终确定采用工业以太网ProfiNet对现有网络进行升级改造。ProfiNet采用标准TCP/IP协议加应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址，可同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备，升级改造后系统的稳定性和可靠性得到显著提高。

关键词：ProfiNet技术网络技术自控系统深水井

喀钢公司的深水井距离厂区均在3 km以外，深水井之间都相距几公里，负责为该公司提供生产和生活用水。由于深水井距离厂区较远，潜水泵启停全部采用远程集中控制和现场控制两种方式。正常情况下，所有泵的启动、停止都在远程控制室操作员站进行控制，一旦远程控制出现问题，人员需要到现场进行就地启动和停止水泵。同时，每台深水井都安装有液位计、流量计，液位、流量、潜水泵运行状态等信号都要采集到PLC系统，操作人员在人机界面(HMI)上可随时查看各深水井运行情况，一旦自动化控制系统出现问题，远程将无法监控现场数据，不

能进行远程操作，严重影响了生产及生活水的供给。

1自动化系统配置情况

深水井原自动化控制系统中，使用S7-300系列PLC。此系列PLC处理速度快，通信能力强，性能稳定可靠。CPU与上位机通信采用CP343以太网通信模块与工程师站、操作员HMI通信，系统构架采用Profibus网络，每口深水井配备1个ET200M从站(用于采集现场的I/O信号和设备状态)，传输介质使用单模光缆通信，光缆和从站的Profibus接口使用国内某厂家生产的光纤模块(OLM)进行转接，网络结构如图1所示。

图1　网络结构示意

2系统存在的问题

这种组网方式的本质还是采用Profibus协议，正常情况下应该使用Profibus专用电缆进行通信，但由于存在通信距离的限制，使用OLM进行接口转换，通过光缆进行通信，在实际的使用过程中经常出现问题，主要表现在以下方面。

1) OLM故障频率非常高，直接导致网络中断。

2) Profibus-DP总线连接器部分出现故障，导致从站无法与主站通信。

3) OLM供电电源故障，当某一从站的OLM电源出现故障，与其串联的后续从站也无法与主站进行通信，导致故障面扩大。

4) ET200从站中IM153DP口出现问题，导致从站无法与主站通信。

系统出现网络故障时，很多时候现象并不明显，各个从站之间、从站与主站之间的距离又比较远，给故障排查也带来困难。

3网络系统升级改造

笔者针对以上问题进行分析和总结，其主要原因是网络故障。为了彻底解决上述问题，经过对通信协议、与原系统的兼容性、电源、通信速率、安装方式、电口或光口的分析比较，最终确定采用自动化控制系统中比较主流的工业以太网ProfiNet对现有网络进行升级改造。

3.1ProfiNet网络的特点和优势

ProfiNet是一种新的以太网通信系统，也是一种支持分布式自动化的高级通信系统。它将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，采用标准TCP/IP以太网作为链接介质，通过标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。该技术在近几年发展较快，比较成熟，越来越多地被广大自动化工程师所采用。

工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛、技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。ProfiNet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议的不同厂商的设备可以很容易实现互联。同时能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝链接，形成企业级管控一体化的全开放网络。ProfiNet组网时软硬件成本低廉，通信速率高，千兆以太网技术已经普遍应用，10 Gbit/s以太网也正在研究，其速率比现场总线快很多，技术优势非常明显。

3.2具体改造措施

网络系统升级改造的原则是在保证改造后网络稳定可靠的前提下最大限度地兼容以前的软硬件设备，降低改造成本。在改造的过程中，经过反复论证，将系统CPU更换为带有PN接口的CPU315-2DP/PN作为I/O控制器的CPU模块，用于处理过程信号和直接将现场设备连接到工业以太网，现场分布式I/O采用具有ProfiNet接口的ET200M系列的IM153-4，可以兼容原系统的I/O模板，通信介质还是采用原系统的光缆，通过光电收发器进行光电转换。改造过程中，取消了Profibus-DP的OLM，同时取消了PLC与上位机通信模块CP343模板，改造后的系统网络结构如图2所示。

图2　改造后系统网络结构示意

软件方面重新进行硬件组态，更改原来的网络结构，I/O模块的地址保持不变，控制程序将原来的控制代码完全移植过来，使系统在升级改造过程中改动最小，最大限度地兼容原系统。在使用ProfiNet技术进行硬件组态过程中需特别注意： 首先需要将各个ET200从站挂到ProfiNet网络上，然后进行“编辑Ethernet节点”和“分配设备名称”设置，在“编辑Ethernet节点”中可以对从站IM153的MAC地址、IP地址、设备名称进行设置，使其进行关联，最后在“分配设备名称”中对每个设备进行具体分配。

4结束语

深水井自控系统网络系统升级改造后，系统的稳定性和可靠性得到显著改善，故障率明显降低，原系统的故障率平均每月3次，改造后系统平均故障每年不到2次。ProfiNet技术在喀钢深水井网络改造中的成功应用，保证了生活及生产用水的供给，取得了较好的经济效益和社会效益，同时为ProfiNet技术在其他工业生产线上的应用积累了经验。

参考文献：

[1]卜志翔，胥军.Profibus现场总线通信协议研究[J].可编程控制器与工厂自动化，2005(08)： 63-67.

[2]李鑫.工业以太网ProfiNet技术的研究与实现[D].北京： 北京化工大学，2006.

[3]钟伟. 基于工业以太网ProfiNetT技术的全自动硬币包装线的设计与实现[D].北京： 北京邮电大学，2010.

[4]邵育兰.基于ProfiNet的卷烟薄丝生产线分布式控制系统的研究[D].芜湖： 安徽工程大学，2013.

[5]高华.Profibus-DP技术研究及其通信接口的开发[D].太原： 中北大学，2005.

[6]彭杰，应启戛.Profinet工业以太网技术分析[J].南昌大学学报(工科版)，2010(06)： 188-191.

[7]刘文.基于TCP/IP协议的嵌入式Internet技术的应用与研究[D].成都： 西南交通大学,2004.

[8]马克刚.工业以太网在网络控制系统中的应用研究[D].合肥： 合肥工业大学，2005.

[9]吴桂平.基于光纤的信息及功率的汽车单线束的研究[D].武汉： 武汉理工大学，2008.

[10]桂放.基于网络的远程控制技术研究[D].武汉： 武汉理工大学，2005.

中图分类号：TP29

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)01-0069-02

作者简介：黄立国(1979—)，男，吉林德惠人，2004年毕业于兰州理工大学信息与计算科学专业，获学士学位，现就职于山东钢铁莱芜分公司自动化部，主要从事仪表自动化方面的研究工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-11-12，修改稿收到日期： 2015-12-17。