基于Profisafe 協議及漏波電纜的無線通訊架構

吳 晗， 閆 娟， 楊慧斌， 徐春波

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201600）

0 引 言

在工業控制網絡中，可編程控制器已經成為該領域的核心，在傳統的熱處理生產線自動化控制系統中一般采用安全繼電器來保證人身和生產線設備的安全，以此來保證整個系統的穩定性和可靠性。 這種模式要采用硬接線的方式來傳輸急停信號和復位信號，復雜的線路會增加系統故障的幾率，且在排查時也會帶來很大的難度。 在文獻［1］和文獻［2］中作者采用Profinet 網絡協議進行上位機和下位機間的數據傳輸，這種模式具有很好的實時性以及很強的普及性，可實現多種數據的并行傳輸。 但在進行一些急停信號的傳輸時，這種協議難以達到預期的安全級別，而且將急停信號與其他信號一同傳輸也會增大系統的不穩定性。 本文擬采用基于Profisafe 協議的安全總線和分布式I／O 對原有的系統進行改造，在保留原系統程序的前提下增加安全PLC，以漏波電纜（Rcoax）作為傳輸介質來實現急停和復位信號的傳輸。

1 通訊系統架構

原通訊架構采用有線連接的方式，通過Profinet I／O 進行數據傳輸。 Profinet 是一種較新的，基于以太網的工業通信協議，其使用的物理接口是一個標準的RJ-45 以太網插口，以100 Mbyte／s 速度運行，電纜長度可達100 m［3］。 由于其高速運行和小于1 ms的響應時間，Profinet 協議是數據高速傳輸的理想選擇［4］。 對于一些關鍵信號的傳輸則采用硬接線的方式來保證系統的穩定性。 原通訊架構如圖1所示。

圖1 原通訊架構Fig.1 Original communication architecture

為保證標準通訊信號及急停復位信號都能在無線網絡中傳輸，本文擬采用無線工業局域網（Industry Wireless LAN， IWLAN）， 該 網 絡 支 持Profinet 協議，同時也支持Profisafe 標準，保證原標準通訊數據傳輸的同時也可以兼顧安全信號的傳輸。 為了保證系統的安全性和穩定性，盡可能不改變原硬件電路和程序，在固定端和移動端增加安全PLC 來傳輸急停信號，以此來保證系統的可靠性。改造后的通訊架構如圖2 所示。

圖2 改造后的通訊架構Fig.2 Modified communication architecture

急停通過按下急停按鈕實現，安全繼電器得到反饋，將急停信號傳輸至固定端安全PLC，通過交換機將該信號傳輸至無線網絡接入點（IWLAN AP），再由漏波電纜作為傳輸介質將信號發送到客戶端，移動端的安全PLC 接收到急停信號，通過I／O 口通訊輸出到移動端的安全繼電器上做出急停動作。

2 傳輸介質——漏波電纜

漏波電纜可以為接入點提供可靠的無線鏈路，適用于復雜的環境中，可對其進行無線的信號覆蓋，在無線通訊中具有高可靠性，也降低了維護和更換的成本。

漏波電纜結構如圖3 所示。 電纜的外導體有一個開口，允許無線波穿透和輻射［5］。 在電纜的周圍會形成一個電磁場，包裹著內部導體的外部導體，對內和對外都屏蔽了電磁波的傳播，在外部導體上開口使得電磁波在固定的空間內傳播。

圖3 漏波電纜結構圖Fig.3 Structure diagram of leaky wave cable

2.1 衰減及增益計算

天線增益是指在一定輸入功率下向固定距離發射信號的能力，該參數與天線方向有密切聯系。

在無線通訊領域，通常以分貝（dB）為單位來簡化一系列傳輸元件在傳輸信號時的計算。 分貝和比率成對數關系，可用式（1）表示。

其中，ratio為比率。

當一個值減半時，其分貝值也會降低3dB。 在理想情況下，天線從一個中心點向四周均勻地輻射能量，這時的參考變量為各向同性或單極天線發射的功率，在實際的環境中獲取到的分貝值即為天線增益，用dBi表示。

漏波電纜內的能量傳輸也會有一定程度的損耗，將該能量損耗定義為縱向衰減，引入一個衰減系數，衰減值arc可由式（2）計算得出。

其中，αrc為衰減系數（單位為dB／m），l為電纜總長度（單位為m）。

一般情況下，衰減系數取決于以下條件：

（1） 電纜的結構；

（2） 電纜中電磁波的頻率，當頻率越高時衰減程度越大；

（3） 電纜周圍的環境。

分析了縱向衰減后還要考慮其他耦合損耗，也就是將環境引起的能量損耗通過計算得到一個近似的結果。 在電纜的周圍會存在各種物理效應，影響電磁波的傳播，難以準確計算的，因此對于周圍環境以距離為參考因素做出區分，預設在0.5 m 的半徑范圍內為近場，這是一般情況下天線能夠接收信號的范圍。

由于實測點處的信號強度沿連接的饋線電纜波動，在設計時一般 以實測 值的50% （C50） 或 者95% （C95） 為基礎，而且在近場范圍內C50與C95沒有特別差異。 只有在涉及安全通信時才采用C95進行耦合計算，對于一般通信則采取C50為標準［6］。

Cd為漏波電纜和天線之間在規定距離（＞0.5 m）內的電纜耦合損耗，單位為dB，可用式（3）和式（4）表示：

其中，C50為距離為2 m 時耦合損耗的C50值；C95為距離為2 m 時耦合損耗的C95值；d為電纜和天線間的距離，單位為m。

涉及到安全信號的傳輸，因此選取C95來計算耦合損耗。 排除這些衰減后，天線增益可用式（5）表示：

其中，P0為總發射功率（單位為dBm）；arc為電纜的縱向衰減值；afe為饋線的縱向衰減（由IWLAN的技術規范決定）；Cd為耦合損耗；aps為功率分配器損耗；GANT為天線的增益（2.4 GHz 為4 dB，5 GHz為6 dB）；ΔSys為系統損耗（根據環境波動，一般在10～20 dB 之間）；Pemin為接收器所需的最小功率。

一般情況下，為保證通訊的質量以及穩定性，接收器端所需的最小功率要大于65 dBm，環境干擾引起的信號損耗以10 dB 計算［7］。

由此可推算在2.4 GHz 及5 GHz 頻段下段長，見表1 和表2。

表1 2.4 GHz（IEEE 802.11g）頻段下的段長Tab.1 Band length in 2.4 GHz （IEEE 802.11g） band

表2 5 GHz（IEEE 802.11a）頻段下的段長Tab.2 Band length in 5 GHz （IEEE 802.11a） band

由表1 和表2 可以看出，在較低的傳輸速率下可以實現更大的段長度，在5 GHz 頻段下最大的傳輸距離幾乎降為2.4 GHz 頻段的一半，因此，在對于傳輸距離要求較低且需要較高的傳輸速率時采用5 GHz頻段。 本文涉及到的熱處理生產線長度為50 m，屬于中距離范圍，選擇傳輸效率更高的5 GHz 頻段來保證信號傳輸的穩定性。 天線在水平方向及垂直方向的輻射特性如圖4 所示，可以得到天線在水平方向時，0°可達到最大的輻射值；在垂直方向，30°～90°時可達到最大輻射值。

圖4 天線各方向輻射特性Fig.4 Radiation characteristics of antenna in all directions

2.2 網絡組態

在建立通訊之前，需進行IP 地址的分配，各網絡組件的IP 地址應在同一網段下才可建立連接，具體的IP 地址見表3。

表3 各網絡組件IP 地址Tab.3 IP address of each network component

在軟件TIA PORTAL 中配置IP 地址，默認子網為PN／IE_1，將下位機按相同模式進行配置，在操作模式選項中勾選為IO 設備，將IO 控制器分配到main.PROFINET 接口_1。 設備的具體配置參數見表4。

表4 設備的配置參數Tab.4 Configuration parameters of the device

為數據的收發，需在智能IO 設備中設置傳輸區域，參數見表5。

表5 傳輸區參數Tab.5 Transmission area parameters

在網絡視圖中將兩臺CPU 連接完成設備組態。本文中使用的CPU 為F 系列的安全CPU，需要在程序塊中的Main_Safety_RTG1［FB1］進行程序編寫，才能夠在特定的安全通道進行信號傳輸，在Main［OB］中的數據不會被安全模塊讀取。

按照傳輸區IO 控制器和智能設備地址間的映射關系編寫程序，即IO 控制器作為指令的發送端，智能設備作為指令的接收端。 急停信號的傳輸可以應用指令功能中Safety functions 下的ESTOP1，該指令各管腳所對應的指令見表6。 將ACK_NEC 置0 即自動確認，當E_STOP 從0 置1 后，Q點會自動確認輸出不需人為確認，以此來增加系統的自動化程度。

表6 各輸入輸出點對應指令Tab.6 Command corresponding to each input and output point

3 實驗驗證

在TIA PORTAL 中將程序轉為在線監控，測試通訊是否正常。

在第一次測試時，CPU 指示燈報錯，在上位機的診斷緩沖區得到反饋的代碼，提示錯誤信息為指定的IO 設備發生故障或不存在，需要檢查是否存在更多設備故障，并在IO 系統中確定故障設備的位置。 根據上位機中的提示信息，檢查故障是偶發現象還是會反復發生。 在多次試驗后，可以復現該故障，確認為非偶發現象。 使用PC 與兩臺CPU 進行通訊測試，可以得到回應，因此排除是由網絡引起的故障。 再次排查上位機中的組態情況，發現是由于轉至在線前沒有將CPU 調至運行的狀態，導致無法正常通訊。

排除故障后進行動態測試，將設備沿著漏波電纜鋪設方向運行，觀測網絡組件在運行過程中的工作狀態。 經試驗發現在整個電纜鋪設的范圍內，設備均可接收和發送信號，在使用上位機發送急停的指令時，另一端也會做出停止運行的反應，測試過程中未出現斷網或其他故障。

4 結束語

本文采用基于Profisafe 通訊協議的無線通訊架構，將漏波電纜作為通訊的介質，實現了急停信號的安全無接觸傳輸。 經實驗組態測試，該系統信號傳輸穩定，自動化程度高，安裝調試方便，降低了后期的維護成本。 與傳統的有線通訊相比，該系統的控制方式在工業控制及無線通訊領域都擁有廣泛的應用前景。