浅谈菲尼克斯电气软PLC与PROFINET方案

发布时间:2013-07-24

一,引言

从世界第一台PLC诞生之日到现在,传统PLC已经历经了几十年的发展,其技术变得日益成熟,具有以下优点:可靠性高、抗干扰能力强、编程简单方便、网络分布化等等,目前PLC技术已在汽车、电力、烟草、冶金、水处理、机械制造、新能源等行业得到广泛的应用。软PLC的出现又将PLC技术的发展大大向前推进一步,其使用处理速度更快及可靠性更强的工业控制计算机作为平台,以软件的方式实现传统PLC的所有功能,而且具有传统 PLC所不具有的一些优势及特征。目前常见的软PLC产品有西门子公司的WINAC,菲尼克斯电气公司的 PC WORX RT BASIC,SOFTPLC公司的SoftPLC等,本文重点讲述菲尼克斯电气公司的基于PC WORX RT BASIC软 PLC的PROFINET架构。

二, 菲尼克斯电气软PLC的结构及特征

PC WORX RT BASIC 软件是一款基于PC机的PLC,目前支持的通讯协议为工业以太网PROFINET、现场总线INTERBUS。PC WORX RT BASIC软件可通过PC机自身所携带的网卡轻松实现PROFINET工业以太网通讯,不需要特殊的硬件进行支持,如要实现现场总线INTERBUS方案,则需要在PC机的 PCI插槽上插入菲尼克斯电气的IBS PCI SC/I-T卡。菲尼克斯电气的软PLC方案具有以下特征:

1,支持的硬件

目前PC WORX RT BASIC软PLC已经在菲尼克斯的Valueline系列工控机上得到了验证。它对工控机有如下特定的要求:

l 工控机的处理器为两核或两核以上,其中处理器的一个内核用于运行软PLC的实时操作系统INtime,其他的处理器内核则用于运行标准操作系统(如 Windows XP,Windows 7)。这样,即使在Windows标准操作系统出现蓝屏的情况下,运行软PLC的INtime实时操作系统仍可以继续运行,大大保证系统的稳定性及可靠性。

l 工控机至少具有两块网卡,其中一块网卡被永久指派给运行软PLC的实时操作系统INtime使用,另外的网卡用于Windows标准操作系统上的通讯,这可保证可靠的和高性能的软PLC的运行。其原理如图1:

2,支持的操作系统

目前菲尼克斯电气公司的PC WORX RT BASIC软PLC支持Windows XP Professional SP3及Windows 7 Professional 32位。

3,兼容IEC61131标准

菲尼克斯电气公司的PC WORX RT BASIC软PLC使用符合IEC61131标准的PC WORX自动化软件进行组态和编程。PC WORX自动化软件可以和软PLC安装在同一台计算机上,也可以安装在不同的计算机,如安装在同一台计算机上,PC WORX自动化软件与软PLC的通讯则通过 Windows标准操作系统与INtime实时操作系统之间的虚拟以太网接口进行;如安装在不同的计算机上,PC WORX自动化软件与软PLC的通讯则通过INtime实时操作系统绑定的网卡进行。PC WORX自动化软件支持IEC61131-3编程语言标准:指令表、结构化文本、梯形图、功能块图、顺序流程图。

4,标准以太网功能/工业以太网PROFINET

与软PLC绑定的网卡服务为软PLC的外部接口,除上述功能外(PC WORX自动化软件可通过此网卡组态下载程序),软PLC不仅可通过此网卡接口作为PROFINET控制器 /PROFINET设备,也可通过此网卡执行包含透明TCP模式及透明UDP模式在内的IEC61131-5功能块通讯。上位机SCADA系统与软PLC 的通讯采用OPC客户端/服务器方式,极大的方便了人机界面的交互。SCADA系统与软PLC可以在同一台计算机上,这样可以节省一些投资,也可以在不同的计算机上,具有极大的灵活性。此外,菲尼克斯电气公司的软PLC还支持FTP、Webvisit、SQL、SNMP、SNTP等协议,具有强大的通讯能力。

总之,菲尼克斯电气软PLC将计算机技术和传统PLC技术的优势整合在一起,是真正一款体现IT-POWERED的产品。

三,菲尼克斯电气软PLC的通讯协议PROFINET简介

PROFINET是基于工业以太网的用于工业自动化的开放标准,由菲尼克斯电气和西门子共同开发。PROFINET根据通信目的的不同而采用不同的性能等级(见图2):

目前PC WORX RT BASIC软PLC已经在菲尼克斯的Valueline系列工控机上得到了验证。它对工控机有如下特定的要求:

l 工控机的处理器为两核或两核以上,其中处理器的一个内核用于运行软PLC的实时操作系统INtime,其他的处理器内核则用于运行标准操作系统(如 Windows XP,Windows 7)。这样,即使在Windows标准操作系统出现蓝屏的情况下,运行软PLC的INtime实时操作系统仍可以继续运行,大大保证系统的稳定性及可靠性。

l 工控机至少具有两块网卡,其中一块网卡被永久指派给运行软PLC的实时操作系统INtime使用,另外的网卡用于Windows标准操作系统上的通讯,这可保证可靠的和高性能的软PLC的运行。其原理如图1:

§ PROFINET通过TCP/IP 或UDP/IP 在标准通道上发送及接受非苛求时间的数据,例如:IO设备的参数化、IO通道的组态数据和互连诊断信息等。除此以外,这还可满足自动化层与其它网络(SCADA,MES,ERP)的连接需求;

§ 对于生产装备苛求时间的过程数据的传输,PROFINET可采用实时通道SRT(软实时) ,它利用软件的策略来实现,用于传统的工厂自动化领域,通信方式如图3:

在PROFINET周期性通讯期间,这种解决方案旁路了TCP/IP层,减少了报文长度,从而显著地减少了通信报文所占的运行时间,提高了过程数据刷新速率方面的性能;另一方面,在需要传输的数据准备就绪发送(即:应用准备就绪处理)之前,只需较少的时间。

PROFINET RT 数据帧(见图4)根据IEEE802.1Q/P协议定义了报文的优先级,设备之间的数据流则由网络组件(比如交换机)依据此优先级进行处理,优先级6是用于实时数据的标准优先级,保证了PROFINET实时数据的优先处理,需要注意的是交换机选型时需要支持该协议。

l 对于同步应用,可采用等时同步实时通信(IRT)。它允许数据的更新速率小于等于 1ms,100个节点连续循环的抖动精度为 1µs,通过 IEEE1588(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”)来实现各PROFINET IO的时间同步,是一种基于时间槽的通讯模式,主要应用于运动控制领域,需要特殊的高速芯片(ASIC)进行支持。

涉及菲尼克斯电气软 PLC的解决方案目前采用的是 PROFINET SRT技术。PROFINET工业以太网通过以上机制实现了现场总线无法比拟的实时性及可靠性,它不仅允许不同的PROFINET节点根据自己的需求设置不同的更新率,也允许同一节点的输入和输出设置不同的更新率,有效地平衡了网络中的负载,传统的现场总线技术是无法做到这一点的。

二, 项目应用

目前菲尼克斯电气软PLC已在某一国家级物理研究所重离子治癌项目上得到测试及应用,该控制系统由磁铁电源、RF、真空、离子源、引出、靶、冷却、防护与其他辅助等九个子系统构成。其中菲尼克斯电气软PLC应用于磁铁电源上的温度监控系统,其控制策略比较简便,即:当监视的某一路温度值超出设定值,由软 PLC发出动作。磁铁电源温度测量监控系统的上位机SCADA系统使用的是美国NI的Labview, 它通过OPC客户端/服务器方式和菲尼克斯电气公司的软PLC进行通信,其拓扑图如图5

磁铁电源温度测量监控程序采用PC WORX自动化软件编写,编程较为简单,部分界面如图6;

五,结束语

菲尼克斯电气软PLC + 工业以太网PROFINET这种解决方案代表着工控领域发展的一种新方向,不但具有传统PLC的诸多优点,而且可借助于强大可靠的工控机发挥一些传统 PLC所不具备的优点,如处理速度快、网络通讯能力强、可安装与软PLC相配套的软件等等。工业以太网PROFINET在未来的发展中势必会取代传统的现场总线,在工控领域占据主导地位。

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