基于PROFINET总线的S7-1500控制器与SICK编码器通讯

沈盛阳; 郭星; 徐凯

【期刊名称】《《锻压装备与制造技术》》

【年(卷),期】2019(054)005

【总页数】4页(P43-46)

【关键词】PROFINET总线; S7-1500控制器; SICK编码器

【作 者】沈盛阳; 郭星; 徐凯

【作者单位】江苏扬力集团有限公司 江苏扬州225000

【正文语种】中 文

【中图分类】TM571.6+1

随着当前社会工业的进步，工业4.0已经成为冲压行业的一个重要特征，而冲压行业中的电气控制系统由于功能、工艺、实时性和安全方面的原因，导致该系统中一些相对独立的电气部件的连接已经从传统的点对点硬接线逐渐趋向于现场总线的控制，通过其强大的通讯功能，每个电气设备之间仅需一根专用电缆即可完成所有数据的采集、交换和归档。

现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。当前在冲压行业电控系统中应用比较广泛的现场总线有西门子的PROFINET、PROFIBUS、欧姆龙的DEVICENET和三菱的CCLINK等。

1 PROFINET总线

PROFINET是一种由PNO（PROFIBUS用户组织）针对开放式工业基于工业以太网技术的自动化总线标准。其得益于工控巨头西门子公司多年的推广，到目前为止已经大规模应用在冲压行业的电气控制中。对于日渐复杂的工业现场来说，PROFINET可以最多连接1024个设备，并可在超短时间内识别设备，并将它们连接到I/O控制器。还可以根据具体要求，组成总线型、环型、星型和树形网络，以高实时性的特点实现通讯网络的一网到底，即从上到下都可以使用一种网络，便于通讯网络的安装、调试和维护。PROFINET的通讯方式如图1所示，而根据通讯响应时间的不同可以分为以下三种通讯方式。

图1 PROFINET通讯方式

1.1 TCP/IP标准通讯

TCP/IP协议为互联网的基础通讯架构，是IT领域关于通信协议方面事实上的标准。而PROFINET本身就基于工业以太网技术，尽管其通讯响应时间为100ms的量级，对于工厂控制级的应用来说绰绰有余。

1.2 实时（RT）通讯

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，控制系统对通讯响应时间的要求更为严格，只允许5～10ms的响应时间。对于基于TCP/IP的工业以太网技术来说，使用标准通讯来处理过程数据包，需要很可观的时间，达不到预期效果。因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通信通道，它的响应时间为5ms的量级。通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯过程中的处理时间，因此，PROFINET获得了等同、甚至超过传统现场总线系统的实时性能。

1.3 同步实时（IRT）通讯

在工业现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制（Motion Control），PROFINET的同步实时（Isochronous Real-Time，IRT）技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。

2 SICK编码器

SICK PROFINET接口高分辨率绝对值型编码器具备智能诊断功能与高速数据传输功能，可实现工业自动化应用中的绝对位置与速度的高精度测量。其强大的工作温度、工作时间等参数的诊断与错误及早检测功能，极大地提升了网络的稳定性。多种配置选项如分辨率、旋转方向、测量速度单位均可更改，简化了安装、调试过程并可针对不同应用自行调整。设计紧凑，适合狭小空间应用，嵌入式交换机技术最大程度地提升了系统与设备的

可用性，从而提升了生产效率。

本文中所选用的SICK编码器型号为AFM60AS4NB-Kit03，它的每圈的最大步数（分辨率）为262144，即编码器每走一圈发出262144个脉冲信号。最大量程为4096圈，根据所需安装机械结构的传动比，即可算出可测量的实际范围。它的末端具有5个LED状态指示灯，可以让使用者很方便的通过编码器背后的指示灯详细了解当前的工作状态。AFM60A-S4NB-Kit03采用PROFINET IO-RT接口（对应PROFINET总线的实时通讯），与主站之间的数据交换如图2所示，通过如下几种方式：①real-time通道，用于主从站之间的循环I/O数据；②real-time通道，用于从站到主站的报警数据。③标准通道，用于配置从站或请求状态信息。其中UDP/IP用于输出 I/O数据和报警，TCP/IP用于配置和诊断。

图2 SICK编码器与主站的数据交换

3 西门子S71500控制器与SICK编码器通讯配置

3.1 硬件配置

本文以西门子PLC CPU1513-1PN为例进行配置，具体型号见表1，依据硬件配置表组建的设备连接图见图3。PROFINET现场总线可以按照网段自动分配IP地址和设备名称，所以无需对编码器进行手动拨码设置设备节点地址。

表1 硬件配置名称 型号 制造商PLC CPU单元 6ES7513-1AL01-0AB0 SIEMENS

PLC 24V电源 6ES7505-0KA00-0AB0 SIEMENS编码器 AFM60A-S4NB-Kit03 SICK编码器电缆 6XV1840-2AH10 SIEMENS编程软件 TIA Portal V14 SIEMENS

图3 设备连接情况

3.2 软件配置

在TIA Portal V14中添加SICK厂家提供的GSD文件后（仅需一次），即可对编码器进行相应的配置，设置的内容如图4所示，我们需要设置以下3个参数：①Code Sequence（编码器的旋转方向），该参数只有 2个选项，CW（0）-顺时针方向，CCW（1）-逆时针方向，此处选择CCW（1）；②Measuring units per Revolution LSDW（编码器分辨率），按照现场需求输入 4；③Total Measuring Range LSDW（总分辨率），分辨率×圈数=总分辨率，我们这里输入16384，即可设置编码器的圈数为4096（16384÷4=4096）。这里需要注意的是，总分辨率只能是每转分辨率的2n倍，如果设为非2n倍，则下载后报模块故障。

图4 SICK编码器参数设置

由于配置编码器时，默认的Communication telegrams为telegram81，我们从SICK官方的手册中可以得到telegram81的Data word分配如图5所示。

图5 telegram 81数据结构

对于telegram81这种数据结构，右对齐的位置值更为常用，所以我们需要读取

Position2的数值，而Position2只有当 STW2_ENC的 bit10=true，G1_STW的bit13=true时才输出。通过在S7-1500PLC程序中置位这2个bit，我们就可以读出编码器当前的数值，通常读出的数值与实际数值不一致，这时候就需要校正功能，所谓的校正功能即往编码器中写入预设值。调用S7-1500中的WRREC（写数据记录）指令可以将编号为INDEX的数据记录传送到由ID定义的PROFINET IO设备组件。源区域RECORD的选定长度至少应等于LEN字节的长度。输出参数DONE如为TRUE，则表明已将数据记录成功传送到从站。输出参数ERROR用以指示是否发生数据记录传送错误，如果发生错误，则输出参数STATUS包含错误信息。该功能块的每个管脚具体设置如图6所示。

图6 WRREC功能块

经过以上的设置和程序编写，S7-1500与SICK编码器的通讯就已经完成，客户可以通过与PLC程序相对应的人机界面来校正、读取SICK编码器的数值。

4 结论

本文所述的基于PROFINET总线的S7-1500控制器与SICK编码器通讯方法已经广泛应用在我司闭式压力机的滑块和气垫高度自动调整功能上，依托PROFINET总线的高实时性、高带宽和SICK编码器的高分辨率，使这些功能的运行精度有了很大提高，也方便了客户的操作，为自动化连线实现智能化冲压夯实了基础。

参考文献：

【相关文献】

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[4]梁伟光.PROFINET的实时通信技术分析[J].中国仪器仪表，2011：104-105.