基于PROFINET的网络通信系统

  本文关键词：基于PROFINET的网络通信系统，由笔耕文化传播整理发布。

第7卷 第2期

信 息 与 电 子 工 程

Vo1．7，No．2

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

基于PROFINET的网络通信系统

张广法1，唐 钟2，谢 阅2

(1.安彩高科 彩玻二厂，河南 安阳，455000；2.西南计算中心，四川 绵阳，621900)

摘 要：某大型装置中，能源模块为高能量设备，数量众多(近百台)，需分组协调控制，对控制单元及通信网络的可靠性和实时性要求较高。基于实验平台进行了PROFINET CBA技术、OPC集成技术的应用研究，并以装置能源控制系统为例，设计了一套基于PROFINET的集群PLC网络通信工程方案，128 KB数据包的响应时间小于1 s，满足集群PLC实时控制需求。

关键词：网络通信；PROFINET系统；OPC集成技术；集群PLC；CORBA结构 中图分类号：TN915.02 文献标识码：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)

工业以太网虽然扩展灵活，接入站点数量多，但是基于TCP/IP的传输机制决定了协议包处理时间长，不能满足工业现场实时控制的要求。PROFINET基于工业以太网，采用存贮转发机制而非现场总线的共享方式通信，

选用PROFINET作为总线带宽和节点扩展能力大大提高[1]。

PLC通信网络，不仅能实现集群能源模块的分组管理及控[2-3]

。 制，还能实现与第三方现场总线系统的无缝集成ADVANCED

针对某大型装置的物理要求，结合NIF(National Ignition

Facility)控制系统研制过程，利用基于PROFINET的PLC网络控制实验平台，验证在装置中将使用的关键技术和设备，FEP

computer

并为装置集群能源模块的控制设计一套适用的网络控制工程方案。

1# equipment PLC

2# equipment PLC

1 实验研究平台

Fig.1 Hardware configuration of experiment

图1 实验平台系统硬件结构图

根据装置需求，搭建实验平台系统硬件结构，如图1所示。FEP(Front Equipment Processor)计算机及管理计算机都采用普通以太网卡，管理PLC及设备PLC为SIMATIC S7－300(CPU315－2DP)，PROFINET通信模块为CP341－1PN，PROFINET交换机为SIMATIC SCALANCE X208。

收稿日期：2008-09-08；修回日期：2008-10-10

基金项目：国家863高技术研究发展计划基金资助项目(2006AA804508)

第2期 张广法等：基于PROFINET的网络通信系统 165

2 通信控制实例

装置能源系统数据控制响应时间，要求所有设备PLC的状态信息及控制指令(I/O信号)到FEP(Front End Processor)或管理计算机的数据响应时间应小于1 s。单个设备PLC有约8 KB的电流数据需要提交给FEP及管理计算机，近百个设备PLC到其上级计算机的数据响应时间应小于或等于10 s。

FEP计算机上驻留一套OPC Server服务程序，提供给FEP控制程序(仅能C++开发)，管理控制程序通过CORBA访问FEP控制程序。测试

图2测试用软件部署

用软件部署如图2所示。

装置计算机集中控制系统方案中，已明确指明FEP控制程序与上层的通信为CORBA[4-5]，同时WinCC中OPC的驱动能力为384 KB，小于装置电流数据通信量的要求(约800 KB)，WinCC在离散数据(电流数据)的图形显示方面不易实现，因此客户软件采用C++开发。

为得到准确通信时间，用STEP7梯形语言编写1个测量程序，在开始通信到通信结束(收到数据)时进行记时。本文提到的通信时间是用此程序测量得到。 2.1 CBA之间的实时通信

CBA实时通信试验的软件配置：PLC管理及CBA组件创建软件——SIMATIC Step 7；CBA通信管理软件——SIMATIC iMap。

CBA1和CBA2组件均采用S7 300系列PLC CPU315－2DP外加通信模块CP343－1－Advance实现，不考虑PLC控制程序对通信的影响，在程序中刷新通信数据区(DB块)。

CBA组件在生成iMAP项目后，通信连接自动丢失，需要在iMAP项目中重新组态通信连接。 CBA试验如表1所示。

表1 CBA之间实时通信试验

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组件之间的通信数据分为实时和非实时数据。实时数据通过实时通道传输，非实时数据采用DCOM

(Distributed Component Object Mode)通信机制通信。

1) 装置能源控制系统中管理PLC和16个现场PLC的实时数据(现场状态刷新及指令控制)不超过200 byte，通过试验结果可看出，CBA实时通信能够满足要求。

2) CBA之间的非实时通信的最大数据量为2 KB，装置能源管理PLC和现场PLC之间的电流数据为16×8 KB= 128 KB，因此不能通过CBA通信方式传输。 2.2 多数据通信

装置能源系统每个模块(PLC)的电流数据为8 KB，共16×8 KB =128 KB，数据量较大且对传输响应时间有一定要求，因此进行以下验证实验。大数据通信试验的软件配置：PLC管理及CBA组件创建软件——SIMATIC Step 7；CBA通信管理软件——SIMATIC iMap；OPC服务器软件——SIMATIC NET OPC服务器；OPC测试软件——SIMATIC OPC Scout。

现场PLC的电流数据可通过管理PLC和FEP计算机的OPC Server通信，也可直接和FEP计算机的OPC Server通信。

1) 管理PLC和现场PLC的ISO on TCP通信

管理PLC和现场PLC之间的电流数据通过ISO on TCP协议(AGsent、AGrecv指令)通信，握手信号通过CBA实时通信方式(10 ms周期)传输；

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信 息 与 电 子 工 程

第7卷

管理PLC和现场PLC通过1个ISO on TCP连接，依次发送4组8 KB的数据，通信成功，通信时间16 s~18 s； 管理PLC和现场PLC通过4个ISO on TCP连接并行发送，每个连接发送8 KB的数据，通信成功，通信时间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之间的电流数据通过ISO on TCP协议(AGsent,AGrecv指令)通信，握手信号通过CBA实时通信方式(10 ms周期)传输；

管理PLC和OPC Server通过1个ISO on TCP连接依次发送4组8 KB的数据，通信成功，通信时间16 s ~18 s； 管理PLC和OPC Server通过4个ISO on TCP连接并行发送，每个连接发送8 KB的数据，通信时间4 s~5 s。 3) 管理PLC和FEP OPC Server的S7通信

管理PLC和FEP OPC Server之间的电流数据通过S7协议(AGsent,AGrecv指令)通信，握手信号通过CBA实时通信方式(10 ms周期)传输，OPC Server的数据通过Receive Date目录获得；

管理PLC和FEP OPC Server之间建立4个S7通信连接，通过客户端程序启动OPC Server中的通信连接获得数据，通信时间4 s ~5 s；

经过以上实验：

1) 通过增加连接数并行传输可以充分利用带宽，提高传输效率；

2) PLC之间的ISO on TCP通信时间及PLC与OPC Server之间的ISO on TCP通信时间基本相同； 3) PLC之间的连接数受PLC硬件的限制，只有16~64个连接，OPC Server可以建立的通信连接数相对较多； 4) ISO on TCP和S7通信协议传输8 KB电流数据时的通信时间基本相同；

5) 采用S7通信协议建立通信连接，通过采用客户端启动数据传输的方式对带宽的利用效率更高，应用也更灵活。

2.3 系统模拟测试

2个设备PLC将IO数据实时提交给管理PLC由其打包后，供OPC Server调用，经过FEP,CORBA,Server封装以后，供客户端软件调用，数据通信响应时间小于1 s。IO数据在管理控制软件及FEP客户软件的刷新时间小于1 s，电流数据通信响应控制时间小于10 s，满足装置能源系统通信要求。

3 网络通信系统方案设计

针对能源系统，基于PROFINET的集群

FEP PLC网络通信系统硬件结构如图3所示。

computermanage设备PLC作为能源模块的管理单元，负manage

managePLC PIC

PIC 责本能源模块的控制管理以及与其它模块的FEP

PROFINETcomputer PROFINETPROFINET通信，包括：能源模块实时状态的上传，上switch switch switch

级控制指令的传达执行以及将电流采集单元

1# equipmentN# equipment

传来的电流数据上传。 PLC PLC N# equipment 1# equipmentN# equipment 1# equipment

PLC PLC PLC PLC 多个能源模块状态数据的更新频率以及

Group N Group 6 Group 1

控制指令的响应时间要求小于1 s，每个组设Fig.3 Hardware configuration of energy control system

图3 装置能源控制系统硬件结构 计一个管理PLC，负责本组所有设备PLC的

协调管理。管理PLC与多个设备PLC的通信采用基于PROFINET的实时通道，FEP计算机以及上级计算机只需与管理PLC进行通信而不与多个设备PLC直接通信，减少了通信连接次数，大大提高了系统的控制访问效率。管理PLC负责的协调管理，包括：本组所有能源模块实时状态的打包上传，上级控制指令解析后的下传。为保证电流数据的传输响应时间，并且不影响状态数据的更新频率，并考虑到所有模块放电电流的访问周期一般大于1 h，能源模块的电流数据不经过管理PLC，直接上传到FEP计算机或上级计算机。

sub-system control coputer generic switch

FEP computer

PROFINETTCP/IP

photoelectricity

switch

4 结论

PROFINET技术在国内正处于推广阶段，可借鉴的案例不多，象本装置这样大规模的应用设计几乎没有先例。利用基于PROFINET的PLC网络控制实验平台，通过CBA实时通信测试、多数据通信测试、系统模拟测试等，

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验证了PROFINET CBA技术、OPC集成技术在本装置上的可行性。以装置能源控制系统为例，设计了一套网络通信工程方案，该方案为具有集群PLC实时控制需求的其它系统提供了可借鉴的案例。 参考文献：

[ 1 ] Profibus International. PROFINET——连接各个领域[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2001,42(2):24-27. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

陈海东.PROFINET——面向自动化未来的以太网现场总线解决方案[J]. 现代制造, 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企业解决方案[M]. 北京:机械工业出版社, 2001.

唐钟,曾司凤,周小伟,等. 基于CORBA的三层C/S模式分布式控制系统[J]. 计算机测量与控制, 2007:15(7):885-886.

作者简介：

张广法(1957-)，男，河南省长恒人，本科，高级工程师，研究方向为计算机控制等. E-mail:tangzhong_my@126.com.

唐 钟(1974-)，男，四川省绵阳市人，硕士，工程师，研究方向为智能控制、计算机软件与应用等.

谢 阅(1971-)，男，四川省遂宁市人，硕士，高级工程师，研究方向为嵌入式控制、计算机技术与应用等.

(上接第158页) 参考文献：

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

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

2006,25(1):72-77.

作者简介：

朱文成(1982-)，男，山东省泰安市人，在读硕士研究生，主要研究方向为网络与信息系统安全. E-mail:zhuwencheng123@163.com.

周安民(1963-)，男，成都市人，研究员，主要研究方向为网络与信息系统安全.

王 祥(1980-)，男，山东省济宁市人，在读硕士研究生，主要研究方向为网络与信息系统安全.

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