基于PROFINET现场总线的副井操车电控及信号系统

王爱军

开滦（集团）有限责任公司钱家营矿业分公司

基于PROFINET现场总线的副井操车电控及信号系统

王爱军

开滦（集团）有限责任公司钱家营矿业分公司

PROFINET技术是PROFIBUS国际组织在1999年开始发展的新一代通信系统。本文详细阐述了PROFINET在副井操车电控及信号系统中的应用情况，简要地总结了应用PROFINET所带来的诸多优点。

PROFINET；操车；优点

引言

PROFINET由国际组织（PROFIBUS International-PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。该技术为当前用户提供了一个完整高性能可伸缩的升级至工业以太网平台的解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等自动化领域的热点话题。PROFINET作为跨供应商的战略性创新技术，不仅能为PROFIBUS服务，而且可以为其它现场总线技术提供以太网移植服务，保护现有投资。

本文以开滦钱家营矿副井操车系统为例，详细介绍了PROFINET在副井小罐操车电控及信号系统中的应用。

一、PROFINET的硬件构成

开滦钱家营矿副井现有两套提升设备，服务于三个提升水平即上井口、-450、-600水平，其中小罐操车系统主要负责上井口和-600水平的装卸矸石、物料及提人任务，-450中间水平只用来提人。操车电控及信号系统分别采用两套独立供电的S7-300PLC系统控制；以车房为主站的信号部分采用双PLC，互为主备的双系统。主站与分站之间采用PROFINET总线方式的拓扑结构，由工业以太网交换机作为网络传输中继设备，通过光纤进行数据交换与传送。主站和三个分站都有设定的专用IP地址。使用ET200M远程I∕O模块作为从站来控制现场设备，通过传感器采集外部设备的到位情况，在操作台模拟屏上显示。同时将井上、下设备的动作情况及报警信号传输到绞车房，在上位机中显示出来。通过面板上的按钮，给PLC指令，然后经内部程序运算，由PLC的输出点带动相应的继电器动作，继电器再带动相应的液压电磁阀，实现对整个操车部分的控制。

1.1 SIMATICS7主站

图1 硬件系统图

本系统选用CPU315-2DP模块和CP343-1模块系统作为IO控制器的主站控制中心和工业以太网通讯处理中心。CPU315-2 DP是一款带有中／大规模程序量和PROFIBUSDP主／从接口的CPU，它除了可以组成集中式I∕O结构，还可以组成分布式自动化结构。CP343-1用于连接S7-300 PLC到PROFINET，作为IO控制器连接现场IO设备。CP343-1拥有一个预定的唯一以太网地址，通过网络可直接使用。CPU315-2DP模块和CP343-1模块两者配合使用，可处理过程信号和直接将现场IO设备连接到PROFINET上。其硬件系统图如图1。

1.2 从站（1）IM153-4、（2）IM153-4、（3）IM153-4

三个从站均采用IM153-4PN接口模板用作ET200M的主模板，通过PROFINET处理模块化ET 200M I∕O设备和更高级的IO控制器之间的所有通信。在S7-300可编程序控制器模板范围内，最多12个I∕O模板可连接到该接口模板。同步实时通讯，无需编程器即可更换模板，无MMC操作，支持维护新型IO模板。

1.3 光纤交换机

光纤交换机是一种高速的网络传输中继设备，是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。较普通交换机而言，采用了光纤电缆作为传输介质，特点是速度快、抗干扰能力强。本系统采用了MIE-1205工业矿用五口光纤交换机，它可以为用户提供3个10∕100M电口和2个100M光口，非常适合应用于以太网端口数量不多的工业现场及矿井，便于通过两个光纤接口将多个地点的设备级联。MIE-1205工业以太网交换机性能稳定、环境适应性强，网口符合矿用本安标准。同时支持DIN-3.5导轨安装方式和壁挂式安装方式，并可支持多种电源输入。

二、软件实现

图2 程序数据块

该系统的编程软件采用SIMATIC公司的STEP7 V5.4版本，应用结构法编制控制程序，将繁杂的操车控制流程和装卸载任务划分成可以反复使用的小任务，由相应的程序块来执行。程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中，通过组织块OB（主要为串并时钟等程序）、功能块FC（主要为车房输入、打点程序、信号闭锁、显示程序、油泵控制程序及操车完成等程序）、数字块DB（主要为输入变量、输出变量、存储变量及信号闭锁变量等程序）、系统功能块SFC（保证PROFINET数据传输的实时性）等之间的调用，完成系统数据的采集输入、程序执行、输出控制等，实现驱动操车系统部件的相应动作功能，满足装卸载任务的要求。其编译的程序数据块如图2所示。

三、上位机监控

本系统采用研华工控机P4 3.2G，1G内存，160G硬盘，21寸彩显作为上位机，通过光纤交换机使工控机与机架上的CP343-1模块相连，这样PLC与现场总线PROFINET就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。上位机监控软件采用WINCC 6.2版本组态软件完成了在STEP7内进行项目创建和管理。采用TCP∕IP协议，在STEP7中定义的变量和通信参数可以直接传输到WINCC中。通过对WINCC利用、开发，形象、直观、准确的显示提升信号、装卸载操车设备的动态控制过程，实现动态监控、报警、控制网络通信等功能。通过设备状态检测功能对设备故障进行判断、分析，缩小故障查找范围。如当某一个传感器出现故障时，可以在上位机上将故障点进行临时封、甩，提高了工作效率。

四、应用PROFINET的优点

在操车电控及信号系统中采用PROFINET网络后，用总线相连接，实现矿井多个水平相互交换信息，具备了监控和网络功能，使得矿井工业化、信息化水平大幅提升。系统应用PROFINET主要有以下优点：

4.1 实现现场总线系统的无缝集成

具有PROFIBUS和IT标准的开放透明通信，实现与其他现场总线的无缝集成。通过PROFINET，分布式现场设备（如现场IO设备）可直接连接到工业以太网，与PLC等设备通讯。并且可以达到与现场总线相同或更优越的响应时间，其典型响应时间在10ms的数量级，完全能够满足现场级的使用。

4.2 网络安装的高度可用性、灵活性

PROFINET支持除星形、总线形和环形拓扑结构。为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具以帮助用户方便的实现PROFINET的安装，并且在PROFINET框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。

4.3 系统的可靠性高、可维护性好

采用PROFINET总线连接方式代替一对一I∕O连线，减少了由于接线点过多所造成的不可靠因素。系统具有在线故障诊断、报警、记录等功能，可以完成现场设备的远程参数设定、监控、修改编程等工作，大大增强了系统的可维护性。

4.4 大幅度降低成本投入

在整个系统的安装和维护中，采用了PROFINET以后，使得设备的总成本在降低的同时，又省去了大量的电缆、触发模块、继电器、接触器以及电缆敷设工程等费用，降低了系统及工程成本。此外，由于系统可靠性和稳定性得以提高，还可以节省出大量的人工费用和维护费用。

五、结束语

PROFINET作为新一代工业自动化领域的开放式以太网标准，以其战略性的技术创新、完整的网络解决方案等诸多优点，必将会在工业领域有着越来越广泛的应用前景。

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999

[2]王树东，等.基于PROFINET和PROFIBUS集成网络的熔炼集散控制系统[J].工业仪表与自动化装置，2009，（3）：26-30

[3]崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005

王爱军（1972-），1993年毕业于河北煤炭建筑工程学院电气自动化专业，现任开滦钱家营矿机电副总工程师。