下一代現(xiàn)場總線新標準——高速實時以太網(wǎng)PROFINET

Abstract: To meet the high speed development of industry communication, PROFINE is realtime solution on Automation application. PROFINET can cover, NRT, RT, IRT, different communication requirement. PROFINET is quick, simple, controllable, determinable industry communication.

摘要：工業(yè)以太網(wǎng)是當今工業(yè)通信發(fā)展最為迅速的技術(shù)， PROFINET是真正的實時工業(yè)以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)在各種不同場合的應(yīng)用，完成各種不同需求的控制任務(wù)。從傳輸協(xié)議角度上，PROFINET將數(shù)據(jù)分為：NRT、RT、和IRT三種不同的類型；從應(yīng)用角度上，PROFINET分為：CBA和I/O，以此來實現(xiàn)工業(yè)控制的一網(wǎng)到底的革命。

Key words: PROFIBUS, Industry Ethernet, realtime, Industry Communication
關(guān)鍵詞：PROFINET、工業(yè)以太網(wǎng)、實時、工業(yè)通信

產(chǎn)品的生命周期越來越短，自動化領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。當今自動化技術(shù)的發(fā)展正日益受到信息技術(shù)以及已確立的標準（例如：TCP/IP和XML）的重大影響。在這種形勢下，近年來現(xiàn)場總線技術(shù)也不斷在飛速發(fā)展，并發(fā)生著重大的革新。來自用戶越來越多的需求，例如：項目的投資保護；工藝技術(shù)模塊化；節(jié)約工程設(shè)計和投運的成本等等，在這種形式下，PROFIBUS國際組織便提出了一個基于以太網(wǎng)的新的自動化標準 —— PROFINET。

PROFINET是一個整體的解決方案，它使用TCP/IP 和IT 標準，符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時自動化體系，覆蓋了自動化技術(shù)的所有要求；能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場總線的無縫集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一條電纜中完成，IT 服務(wù)和TCP/IP 開放性沒有任何限制；它可以滿足.用于所有客戶需要的統(tǒng)一的通信；從高性能到等時同步可以伸縮的實時通信。現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)場總線國際標準IEC-61158的第10類型。

PROFINET用于實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成、一致的自動化解決方案。支持用以太網(wǎng)通信的簡單分散式現(xiàn)場設(shè)備和苛求時間的應(yīng)用的集成，以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的集成。為完成這一面向各種控制對象的需求，PROFINET在通信方式上根據(jù)通信目的不同而采用3種不同性能等級的通信方式：
s 通過TCP/UDP /IP 在標準通道上發(fā)送非苛求時間的數(shù)據(jù)，例如：參數(shù)、組態(tài)數(shù)據(jù)和互連信息。這滿足自動化層與其它網(wǎng)絡(luò)（MES，ERP）的連接需求。
PROFINET 使用以太網(wǎng)和TCP/UDP/IP 協(xié)議作為通信基礎(chǔ)。TCP/UDP/IP 是IT 領(lǐng)域在通信協(xié)議方面的事實上的標準。TCP/UDP/IP 提供了使以太網(wǎng)設(shè)備能夠通過本地和分布式網(wǎng)絡(luò)的透明通道中進行數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。
s 對于生產(chǎn)裝備內(nèi)苛求時間的過程數(shù)據(jù)的傳輸，它采用實時通道（RT：Realtime）。作為基于可用控制器的軟件來實現(xiàn)的。
在工廠自動化領(lǐng)域，實時應(yīng)用需要刷新/響應(yīng)時間范圍在5—10ms 內(nèi)。 經(jīng)驗指出，與設(shè)備中的處理時間相比，快速（100Mbps）或更高速率的以太網(wǎng)線路上的傳輸時間是可以忽略不計的。在提供者的應(yīng)用中可提供數(shù)據(jù)的時間是不受通信影響的。這就是說，在刷新時間以及實時響應(yīng)中任何重大的改進主要可通過發(fā)布者和使用者通信棧的優(yōu)化來達成。PROFINET 中的實時通信通道就為了能滿足自動化中的實時要求，此通道基于以太網(wǎng)（層2）。此解決方案顯著地減少了通信棧所占用的運行時間，從而提高了過程數(shù)據(jù)刷新速率方面的性能。PROFINET使用快速以太網(wǎng)，快速以太網(wǎng)中已集成全雙工模式切換技術(shù)，并已進行了標準化。通過優(yōu)先級優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸在PROFINET中，不僅最小化了控制器中的通信棧，而且也對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸進行了優(yōu)化。為了能在這些情況下達到一種最佳結(jié)果，在PROFINET中按照IEEE 802.1Q將這些數(shù)據(jù)包區(qū)分優(yōu)先級。設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流則由網(wǎng)絡(luò)組件依據(jù)此優(yōu)先級進行處理。優(yōu)先級6（Priority 6）是用于實時數(shù)據(jù)的標準優(yōu)先級，由此也就確保了對其它應(yīng)用的優(yōu)先級處理。
s 對于同步應(yīng)用，PROFINET采用等時同步實時通信（IRT：Isochronous Realtime），它允許在時鐘速率為1ms時，抖動精度為1μs。
實時通道RT解決方案對于運動控制應(yīng)用還遠遠不夠。運動控制應(yīng)用要求刷新速率在1ms，100 節(jié)點的連續(xù)循環(huán)的抖動精度為1μm。為了滿足這些需求，PROFINET 在快速以太網(wǎng)的層2 協(xié)議上已定義了時間間隔控制的傳輸方法IRT。通過具備上述精度的參與設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)組件和PROFINET 設(shè)備）的時間同步化，可在網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定時間片，在此時間間隔內(nèi)傳輸自動化任務(wù)所必需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通信循環(huán)被分成兩個部分，即：時間確定性部分和開放性部分。循環(huán)的實時報文在時間確定性通道中傳輸，而TCP/IP 報文則在開放性通道中傳輸。等時同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)基于硬件。基于硬件的實現(xiàn)能夠獲得所要求的異常重要的順序精度要求，同時也解放了承擔(dān)PROFINET 設(shè)備通信任務(wù)的處理器。這就免除了煩瑣的計算，從而可為自動化任務(wù)提供解決方案。

這3 種性能等級的PROFINET通信覆蓋了自動化應(yīng)用的全部范圍。PROFINET 通信標準的特性包括以下方面：
s 在一根通信線路上同時使用實時通信和基于TCP 的IT 通信。
s 標準化的實時協(xié)議適用于所有應(yīng)用、分布式系統(tǒng)中組件之間的通信以及控制器與分散式現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。
s 從一般性能到高性能和時間同步的可縮放的實時通信。

為實現(xiàn)這3種不同的通訊方式，滿足工業(yè)控制的工程要求，PROFINET采用2種重要的應(yīng)用方式：
s 在實現(xiàn)分布式過程采用基于組件的自動化概念（CBA）
PROFINET組件模型對于具備可編程功能的智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化設(shè)備來說非常理想。組件模型將機器或裝備的自治模塊描述為工藝技術(shù)模塊。基于工藝技術(shù)模塊而開發(fā)的分布式自動化系統(tǒng)簡化了裝備和機器的模塊化設(shè)計，從而顯著地簡化了裝備和機器零部件的重復(fù)使用。因此大量地減少了工程設(shè)計成本。基于組件模型的PROFINET 通過PCD（PROFINET Component Description）來描述。它是一個XML文件，并可以使用制造商特定的組態(tài)工具的組件生成器或PROFINET 組件編輯器來創(chuàng)建。分布式自動化裝備的工程設(shè)計分為：各個工藝技術(shù)模塊的控制邏輯的編程（制造商特定的組態(tài)工具）和整個裝備的工藝技術(shù)組態(tài)，后者決定這些工藝技術(shù)模塊之間的通信關(guān)系。
s 分散式現(xiàn)場設(shè)備（PROFINET IO）
分散式現(xiàn)場設(shè)備通過PROFINET IO 集成。這采用通常的PROFIBUS DP 的IO，從而可將現(xiàn)場設(shè)備的IO 循環(huán)地傳輸給PLC 的過程映象。在PROFINET IO描述的設(shè)備模型中，現(xiàn)場設(shè)備的特性通過基于XML的GSD(General Station Description)文件來描述。

在其他方面如：
s Web 功能的集成：Web集成允許在以太網(wǎng)上訪問PROFInet設(shè)備：PROFInet選擇使用已經(jīng)實踐證明的標準技術(shù)如： http, HTML 和XML。通過統(tǒng)一的站點（Web-Sites）來定義設(shè)備信息、診斷及報告功能，無需工程工具就可以方便查詢并確定差錯。對于設(shè)備的訪問可通過類似于微軟的Internet Explorer那樣的標準瀏覽器。
s IT 集成：網(wǎng)絡(luò)管理覆蓋了在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中PROFINET 設(shè)備管理的所有功能。這包括設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)診斷。對于Web集成，PROFINET 采用基于以太網(wǎng)的技術(shù)，而且借助互聯(lián)網(wǎng)的標準技術(shù)可訪問PROFINET 組件。為了獲得與其它系統(tǒng)范圍的開放鏈接，PROFINET 采用OPC DA 和DX。
s 網(wǎng)絡(luò)拓撲：針對要連網(wǎng)單元的要求而定。PROFINET網(wǎng)絡(luò)拓撲有：星型、線型、樹型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。實際的系統(tǒng)是由混合結(jié)構(gòu)組成，可以用銅纜或光纜實現(xiàn)。
s 網(wǎng)絡(luò)安裝：PROFINET 網(wǎng)絡(luò)安裝依據(jù)工業(yè)環(huán)境下以對太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求給設(shè)備制造商提供清晰的設(shè)備接口規(guī)范和布線要求。“PROFINET 安裝導(dǎo)則”給裝備制造商/操作人員提供以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安裝的簡單規(guī)則。

作為下一代的現(xiàn)場總線，PROFINET需要能夠集成許多成熟的正在使用的現(xiàn)場總線。由于IT 技術(shù)的應(yīng)用，在PROFINET方案中保護投資也起著至關(guān)重要的作用。PROFINET能集成現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（例如INTERBUS、PROFIBUS），且無需修改現(xiàn)有設(shè)備。這就保護了所有投資者的現(xiàn)有投資。PROFINET可以從現(xiàn)有的現(xiàn)場總線解決方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP）到基于以太網(wǎng)的PROFINET的無縫轉(zhuǎn)換。
PROFINET 提供2種集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)的方法：
s 通過代理服務(wù)器的現(xiàn)場總線設(shè)備集成：在此情況下，代理服務(wù)器代表以太網(wǎng)上較低層的現(xiàn)場設(shè)備。采用代理服務(wù)器方案，PROFINET 提供了從現(xiàn)有設(shè)備到新安裝的設(shè)備之間的全透明轉(zhuǎn)換。
s 整個現(xiàn)場總線應(yīng)用的集成：一個現(xiàn)場總線段代表一個自包含的PROFINET 組件，該組件代表的是在較低層操作現(xiàn)場總線（例如：INTERBUS 、PROFIBUS DP）的PROFINET設(shè)備。由此，較低層現(xiàn)場總線的所有功能以組件的形式保存在代理服務(wù)器內(nèi)。然后這些功能就在以太網(wǎng)上可供使用了。

為了滿足所有自動化的需求，PROFINET 還吸納了多年積累的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)，從一開始就決定了PROFINET采用開放的標準、現(xiàn)有設(shè)備的簡單處理和集成的定義。PROFINET 持續(xù)不斷的開發(fā)為用戶帶來了長遠的前景。對于用戶來說，采用PROFINET 可降低安裝、工程和投運的成本。對于業(yè)主來說，由于運用了自適應(yīng)的子單元，PROFINET 簡化了裝備的擴展并提高了裝備的可用性。
擁有PROFINET，作為系統(tǒng)和機械制造商：由于自適應(yīng)的模塊而具有更高的可用性；由于并行地投運，減少了投運時間；可管理的設(shè)備特定的詳細信息提供簡化的診斷，使從設(shè)計到運行更快捷。作為系統(tǒng)集成商：由于從現(xiàn)場級到企業(yè)管理級的開放性標準化的通信，可自由選擇供應(yīng)商；由于模塊化，可容易地擴展開放的工程系統(tǒng)。由于自適應(yīng)的子系統(tǒng)，具有高度的系統(tǒng)可用性；通過集成現(xiàn)有的系統(tǒng)和設(shè)備，投資得到了保護；由于采用已認證的設(shè)備而獲得高質(zhì)量標準。

PROFINET——遠遠不僅僅是以太網(wǎng)，而是自動化領(lǐng)域的開放的解決方案。
s PROFINET規(guī)定了強大功能，從網(wǎng)絡(luò)安裝到基于web診斷的整個自動化解決方案的實現(xiàn)。
s PROFINET的模塊化結(jié)構(gòu)可非常容易地擴展和包含其它功能。
s PROFINET提供標準化的獨立于制造商的工程接口。它能夠方便地把各個制造商的設(shè)備和組件集成到單一系統(tǒng)中。設(shè)備之間的通信鏈接以圖形形式組態(tài)，無需編程。