项目背景

位于华东沿海的某大型国有发电厂，在“双碳”战略驱动下，于2024年启动输煤岛无人值守改造项目。输煤岛负责把海运煤通过卸船机、皮带机、堆取料机最终送至锅炉原煤仓，现场环境高粉尘、高硫化氢、强电磁干扰，夏季甲板温度可达65℃。业主希望保留2017年投运的库卡KR 30 R1820六轴抓斗机器人（DeviceNet从站，MAC ID=5），同时新增西门子S7-1200 CPU 1215C AC/DC/Rly（订货号6ES7 215-1HG40-0XB0）作为ProfiNet主站，实现抓斗路径规划、煤量统计、故障诊断一体化。由于两种协议物理层、数据层完全不同，直接通讯存在“协议孤岛”，于是选用远创智控YC-DNTM-PN工业级协议转换网关作为桥梁，构建“PLC—网关—机器人”高实时链路，保障卸船机7×24小时连续作业。

痛点分析

1.  协议壁垒：库卡机器人仅内置DeviceNet 2.0板卡（KSD1-16，订货号00-122-965），最大支持512kbps，而西门子PLC原生ProfiNet RT，无法识别EDS文件。

2.  实时性要求：抓斗闭环防摇周期≤100ms，传统“PLC+PCI板卡”方案实测延迟≥350ms，导致煤块洒落、码头污染。

3.  环境苛刻：盐雾+煤尘达到IP54，普通商业网关24小时内出现端口硫化发黑；同时卸船机滑触线火花产生4级浪涌，曾击穿普通以太网变压器。

4.  运维效率：码头停机窗口仅凌晨2:00-4:00，若故障定位超过30分钟将触发海运船滞期费

解决方案

采用“双从站+边缘计算”架构：

• YC-DNTM-PN协议转换网关在ProfiNet侧作为从站（IP192.168.1.10，设备名YC_Gateway），占用16槽，输入输出各64byte；

• 在DeviceNet侧同样作为从站（MAC ID=6，波特率500kbps，Poll方式，IO长度32byte      I/32byte O）；

• 网关内置Cortex-A8 800MHz处理器，支持本地脚本，可实现数据过滤、阈值报警、断线缓存，减少PLC运算负荷。

设备清单

实施步骤

1.  前期准备

·        在TIA Portal V18中导入YC-DNTM-PN工业级协议转换网关的GSDML文件（版本V2.37），将网关拖入网络视图，分配设备名与IP；

·        根据库卡提供的EDS文件（KRC4_EDS_V1.2），确认机器人输出寄存器：

o   Byte0-3：抓斗X坐标（IEEE754浮点）；

o   Byte4-7：抓斗Y坐标；

o   Byte8-11：抓斗Z坐标；

o   Byte12：当前负载率%；

o   Byte13：关节温度℃；

o   Byte14：故障代码；

o   Byte15：CRC校验。

2.  硬件部署

·        网关采用35mm DIN导轨固定于西门子S7-1200右侧，与PLC距离≤100mm，共用Φ6mmPE铜排，接地电阻<1Ω；

·        ProfiNet使用CAT6A屏蔽线，经M12-IP67接头接入PLC的X1 P1口，线长28m，星型拓扑；

·        DeviceNet采用5芯屏蔽双绞线，蓝/白接CAN_H、灰/黄接CAN_L，红+黑24VDC供电，两端并接120Ω终端电阻，布线时与动力电缆保持≥30cm平行间距，桥架内穿金属隔板；

·        为抵御浪涌，在网关24VDC进线侧加装菲尼克斯TRABTECH 2906244二合一防雷器，实测可吸收4kV/2kA组合波。

3.  参数配置

·        通过Web界面登录网关（默认IP192.168.1.254），在“ProfiNet”页勾选“Enable I&M”，设置输入64byte、输出64byte；

·        在“DeviceNet”页选择“Slave”，波特率500kbps，MAC ID=6，关闭Heartbeat以降低总线负载；

·        启用“Edge Computing”功能，编写Lua脚本：

o   当关节温度>60℃时，置位ProfiNet Byte60 Bit0，触发PLC声光报警；

o   当抓斗负载率>95%持续3s，自动向机器人发送减速指令（Byte12=0x02）；

o   统计每班次（8h）抓取次数，存储于网关NAND Flash，掉电保持10年。

4.  PLC编程

·        在TIA中新建DB100“RobotData”，定义结构体：X REAL、Y REAL、Z REAL、Load BYTE、Temp BYTE、ErrCode BYTE；

·        使用“DeviceStates”指令轮询网关状态，若诊断地址IW64 Bit15=1，则切换至备用卸船机；

·        通过“TCON/TSEND/TRCV”与上位机SCADA通讯，将实时数据送至码头MIS系统，实现煤量统计、能耗分析。

5.  联调测试

·        通讯测试：抓斗全速运行，PLC侧观察I/Q更新周期稳定在8ms（ProfiNet帧间隔），DeviceNet Poll响应时间3.8ms，总环回延迟<20ms；

·        压力测试：连续72h高负荷作业，记录总数据帧1.1×10^7次，丢包0次，CPU负载最大43%，温度最高58℃；

·        应急测试：人为拔掉DeviceNet终端电阻，网关0.3s内触发“Bus-Off”报警，PLC立即停机并点亮塔灯；重新插回后3s自动恢复，无需重启；

·        电磁兼容测试：在卸船机变频器输出侧施加±4kV EFT，网关ProfiNet口未出现Link-Down，通讯保持正常，符合IEC 61000-4-4 A级。

总结

本案例充分验证了远创智控YC-DNTM-PN协议转换网关在发电厂高粉尘、高电磁干扰环境下的可靠性与实时性。通过“ProfiNet—DeviceNet”双从站无缝桥接，不仅解决了库卡机器人与西门子S7-1200的协议冲突，还借助边缘计算与远程诊断功能，显著提升了输煤系统的自动化水平和运维效率，为港口、矿山、化工等同类场景提供了可复制、可推广的成熟范式。