菲尼克斯電氣――開放靈活的PROFINET解決方案

南京菲尼克斯電氣有限公司自動化產品市場工程師　孫林寶

Abstract: PROFINE is a real Realtime industry Ethernet solution, can transfer the standard data (TCP/IP <100ms), factory automation Realtime data (RT <10ms ), motion control isochroous Realtime data (IRT <1ms　) on the same Ethernet cabling. From application, PROFINET can be divided into PROFINET I/O and PROFINET CBA. At the same time, PROFINET can integrate the existing INTERBUS, PROFIBUS and DeviceNet fieldbus product; realize a uniform industry Ethernet revolution of industry communication and control.

摘要：PROFINET是一種真正的實時工業以太網，在一條網線上可以實現標準TCP/IP數據(TCP/IP <100ms)、工廠實時數據(RT <10ms )、運動控制等時同步實時數據IRT的同時傳輸。從應用角度上可以分為：PROFINET　I/O和PROFINET　CBA，同時，能夠集成現有的INTERBUS、PROFIBUS、DEVICENET現場總線設備及其它工業以太網協議如：Ethernet IP、MODBUS TCP，實現工業通訊控制系統一網到底的革命。

Key words: Fieldbus、IBS(INTERBUS), PB(PROFIBUS), PN(PROFINET),Industry Ethernet, Realtime, CBA, Industry Communication, Gateway

關鍵詞：現場總線、IBS(INTERBUS)、 PB(PROFIBUS)、PN(PROFINET)、NET、工業以太網、實時、基于組件的自動化、工業通信、網關

信息技術日新月異的發展，自動化領域的工業通訊技術也在悄然地發生著變化。工業以太網技術成為自動化系統中最為熱門的技術，PROFINET就是其中最有生命力的事實上的工業以太網標準之一。基于以下幾個原因：工業以太網PROFINET正在源源不斷的應用各行各業的自動化控制系統當中。
PROFINET 使用現有的開放標準并與Ethernet TCP/IP標準完全兼容；
以太網早已是辦公領域的標準，在自動化領域的高層通信中早已使用了以太網；
以太網也可以用于控制器與現場設備之間的通信；
IT 功能也適用于自動化應用；
它為整個自動化市場提供了實時功能；
RT是用于工廠自動化的快速而簡練的解決方案；
IRT適用于運動控制高的端需要；
RT和IRT都完全與IEEE 802.3 兼容，并且支持整個TCP/IP帶寬（64-1536字節報文）；
PROFINET支持CBA技術，易于實現不同的系統單元之間的互操作；
它集成了現有的現場總線解決方案：INTERBUS、PROFIBUS、DeviceNet；
它提供了已經被監證的安全性功能INTERBUSsafety、PROFIsafe　RT
通過對分散式現場設備通過PROFINET IO 集成，采用通常的INTERBUS 的IO視點，從而可將現場設備的IO 循環地傳輸給PLC 的過程映像。PROFINET IO描述的設備模型，以INTERBUS的關鍵特性為基礎，并由模塊、通道、采集點組成。現場設備的特性通過基于XML的GSD(General Station Description)文件來描述。
PROFINET基于組件自動化模型在分布式裝備中是非常高效的技術。組件模型將機器或裝備的自治模塊描述為工藝技術模塊。基于工藝技術模塊而開發的分布式自動化系統簡化了裝備和機器的模塊化設計，從而顯著地簡化了裝備和機器零部件的重復使用。因此大量地減少了工程設計成本。
PROFINET 根據通信采用不同的性能等級：PROFINET通過TCP/UDP 和IP 在標準通道上發送非苛求時間的數據，例如：參數、組態數據和互連信息。這滿足了自動化層與其它網絡（MES，ERP）的連接需求；對于生產裝備內苛求時間的過程數據的傳輸，它采用實時通道RT（軟實時）。它是作為基于可用控制器的軟件來實現的；對于同步應用，可采用等時同步實時通信（IRT）。它允許在時鐘速率為1ms時，抖動精度為1μs。
PROFINET 網絡安裝依據工業環境下以對以太網網絡的特殊要求。它們給設備制造商提供清晰的設備接口規范和布線要求。“PROFINET 安裝導則”給裝備制造商/操作人員提供以太網網絡安裝的簡單規則。
網絡管理覆蓋了在以太網網絡中PROFINET 設備管理的所有功能。這包括設備和網絡組態、網絡診斷。對于Web集成，PROFINET 采用基于以太網的技術，而且借助互聯網的標準技術可訪問PROFINET 組件。為了獲得與其它系統范圍的開放鏈接，PROFINET 采用OPC DA 和DX。
PROFINET的一個關鍵特點是從現有的現場總線解決方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP、DeviceNet）到基于以太網的PROFINET的無縫轉換。對于設備/裝備/機器制造商和最終用戶來說，這就是對現有投資的重要保護。
從上面內容的闡述來看PROFINET不僅僅是一個工業以太網協議，而且是一個完整的自動化解決方案。它使用TCP/IP 和IT 標準，符合基于工業以太網的實時自動化體系，覆蓋了自動化技術的所有要求；能夠實現與現場總線的無縫集成。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一的通信；從高性能到等時同步可以伸縮的實時通信。現在已經成為現場總線國際標準IEC-61158的第10類型。菲尼克斯電氣作為PROFINET技術兩大主要研發者之一，可以提供全面的產品系統解決方案。
在圖1中，詳細闡述了了一個典型的PROFINET解決方案系統的主要構成部分，從上到下依次分為五大部分：
用于PN　IO控制器的編程軟件PC WORX 5
面向靈活的工業以太網PN　IO設備模塊化交換機MMS
強大緊湊的模塊化控制系統的PN　IO控制器（即支持PN的PLC）
支持PN技術的IO設備（包括D耦合器、電源、IO、功能模塊等）
在PN上作從站同時在INTERBUS上作主站的PN/IBS代理服務器

一、全中文自動化編程軟件PC WORX 5（如圖2）
PC WORX 5是AUTOMATIONWORX Software Suite 2006 V1.2中文版本軟件包的核心軟件。同時還包括了Diag+ V1.21，Diag+ NetScan V1.00等專用工具。
PC WORX 5中文版是國內第一套中文版工控軟件。該軟件集成了三大功能：INTERBUS組態、編程和診斷功能。軟件編程符合IEC61131-3國際標準，支持語句表、結構文本、梯形圖、功能塊圖和順序功能圖等5種編程語言。故障診斷采用Diag+或者Diag+ NetScan，通過在線診斷，進行精確和快速的故障定位，告訴用戶故障類型和解決辦法，可保證系統的停機時間最短。
PC WORX 5中文版對操作界面和幫助文件等進行了全面的中文化，并可直接采用中文字符定義變量和進行編程，極大地方便了中國用戶學習和使用PCWORX軟件。
PC WORX 5通過綜合的交叉編譯功能來滿足對特殊編程語言的需求。編程語言FBD，IL和LD可以交叉編譯成任何一種其他編程語言來滿足特殊的需求。ST可以被翻譯成FBD，IL和LD。可以用最喜愛的語言編程，PC WORX 5可以在同一時間滿足客戶不同的需求。
PC WORX 5可以使用拖曳的方法來連接自動化系統的軟件和硬件。變量的數據方向由相應過程數據條目的連接所決定，軟件還可以自動產生出變量。智能過程數據編輯器在分配過程數據時提供了一條非常直截了當的方法以減輕的工作負荷。
PC WORX 5的在線修改功能使得在線調試變得非常簡單方便。100％的在線修改功能意味著無論多少修改，都可以實時的上載到控制器。在運行期間，系統始終保持著足夠得實用性，即便要上載一部分程序到控制器。PC WORX 5，程序改變，而控制器不再停機。
PC WORX 5中集成了總線配置器以保證對現場總線系統進行最合適的項目計劃，并可以給您一次顯示所有的信息。不再需要任何其它的工具來完成總線配置。所有的信號數據（例如設備識別號）都可以在編程環境中得到。配置器硬件目錄提供了對自動控制環境所須的器件，而且可以使用拖曳的方式加入到硬件結構中。PCWORX使用FDCML和基于XML的描述語言來描述設備。設備描述編輯器可以很容易的把您自定義的設備描述加入到設備目錄中去。PC WORX 5還允許在一個項目中采用不同的控制器實現分布式系統。
PC WORX 5 提供給調試最優的支持。標準調試包括多種功能比如斷點，步進，追蹤，庫調試和實例調試。可以使用方便的觀察窗來監測每個變量和自定義數據。使用變量觀察窗的輸入和輸出選項可以把整個系統狀況拷貝到磁盤上并存儲成最新數據。友好的用戶復制管理功能非常方便并且容易使用。綜合邏輯分析器能夠使獨立變量的按時間順序進行監測，所以非常容易追蹤變量的相互關系。

二、模塊化交換機（PN I/O 設備，如圖3）
MMS模塊化管理型交換機/一體化管理型交換機MCS特性：電口10/100M自適應、自動交叉連接，模塊化擴展結構：2-24端口，導軌安裝，連接狀態指示，24 VDC冗余供電，靈活使用多種傳輸媒介10/100 M雙絞線, 100 Mbit/s 玻璃光纖，可以現場制作的塑料光纖和 HCS 光纖（10/100 Mbit/s）、通過GL等船級社認證，更能享用電氣、電子連接技術的世界市場領袖菲尼克斯電氣豐富多樣的以太網網絡連接附件。同時，還可以支持以下一些高級功能：
為端口加裝硬件鎖附件，在OSI網絡七層協議的物理層設定安全策略
10/100M自適應，也可以手工設備每個端口的速率
手工激活或關閉某些端口、根據MAC地址設定不同端口的訪問權限
可以通過DHCP和BootP對交換機的IP地址進行設備
支持端口鏡像功能Port Mirroring
具有Web-Based管理功能，標準IE就能對交換機進監視和參數配置
支持虛擬局域網技術，精確規劃您的邏輯局域網絡
支持Multicasts (IGMP Snooping, GARP, GMRP)
支持SNMP、MIB II、Bridge、RMON、IF- MIB、IGMP snooping等
支持符合IEEE 802.1P的數據優先級通訊機制
交換機的Frameware可以隨著技術的發展進行免費升級
多模光纖最遠可以傳輸10000M，多模光纖最遠可以傳輸36000M
可以選擇豐富的POF、HCS、多模、單模玻璃光纖，以及任意選擇ST、SC、FSMA連接形式的接口模塊、并可選擇向前或向下出線
選擇能夠記憶網絡配置狀態的存儲模塊
能夠自由地在標準以太網TCP/IP、MODBUS　TCP、Ethernet IP、PROFINET工業以太網中使用，
具有專利技術的快速環網冗余技術，更快的絡自愈時間，優化的超級冗余環網檢測協議，一個環上支持最多57臺交換機，1000臺以太網終端設備，網絡自愈時間100ms~500ms之間,在網絡同時達到57交換機1000臺以太網終端設備時接近500ms。

三、PROFINET　I/O控制器（如圖4）：

菲尼克斯電氣目前有四種支持PROFINET的I/O　控制器。型號依次為：ILC 350 PN、ILC 370 PN 2TX-IB、FC PCI 350 PN、ILC 390 PN 2TX-IB。以ILC 370 PN 2TX-IB舉例來說明，它的主要技術參數如下：
通用技術數據：
以太網連接 2X10/100M自適應
PROFINET IO 控制系統
IEC 61131-3 and 5 用 PC WORX 5
典型: 0.3 ms /1K指條
存儲器：
2 MB 程序存儲器 (>170K IL指令))
4 MB 數據存儲器
可插入CF卡到 64 MB
(項目和文件數據)
96 KB NVRAM 非易性數據
I/O基本說明：
最大支持設備512
最大I/O點數8192
集成12DI (50kHz) / 4DO
INTERBUS從站接口
ILC 370 PN 2TX-IB控制器是菲尼克斯電氣Inline產品家族的一種先進的、高度緊湊的模塊化產品，可以滿足各種現場控制需求，大大提高了整個自動化系統的智能性。ILC 370 PN 2TX-IB控制器的處理速度為0.3ms/k指令，標準內存為2M字節，可通過向處理器模塊中插入內存子模塊來進行內存擴展，一個ILC 370 PN 2TX-IB控制器處理器支持8192個I/O點，可以通過現場總線接口實現對INTERBUS現場總線系統的集成，兩個PROFINET口中的一個與本地的HMI進行連接作現場操作與監視，另一個PROFINET口與中控室或其的上層網絡設備進行通訊地，組成全集成的自動化系統。
ILC 370 PN 2TX-IB是一款高性能控制器，不僅有著極高的數據處理速度，還具有更多的程序及數據存儲空間，因此可以滿足不斷提高的控制性能需求。控制器可以使用符合IEC 61131－3指令的開發工具PC WorX 5進行設置和編程，數據可以通過AX　OPC servers進行交換，并且可以實現控制器與上位機之間的通訊，與任何支持TCP/IP協議的裝置或系統進行數據交換。

四、PROFINET　現場總線I/O（如圖5）：
PN耦合器同樣使用獲得歐洲工業設計大獎的Inline系統系列產品模塊化的設計，并且模塊種類不僅包括了模擬量、數字量這些不同模塊，而且還有各種功能模塊。這就可以為工業控制提供—種非常靈活并十分完整控制方案。
模塊化的設計：Inline系統的模塊化的I／O、內存及通訊接口可為我們提供了一種即可組態又便于擴展的系統，使我們可以根據需要靈活配置所需的I／O數量，內存容量, 以及通訊網絡，以后當需要進一步擴展系統時，可隨時添加I／O，內存及通訊接口。
帶電插拔（熱插拔）：Inline允許用戶帶電插拔系統中的任何I/O模塊，而不會對模塊造成損壞。這對于系統的維護與檢修有著很大的幫助，因為這樣用戶就可以在繼續維持系統運行的同時更換有故障的模塊，而不會影響整個系統其它部分的正常運行。
高速傳送：Inline可以在網絡之間，網絡的鏈路之間以及模塊之間實現信息的高速傳送。
高強度的硬件平臺：Inline系統采用特殊設計的高強度工業硬件平臺，從而可耐受振動，高溫以及各種工業環境下的電氣干擾。
小型化、精致化：所有硬件模塊采取小型化的設計,這使得Inline系統適用于有限的安裝空間。
即插即用，籠式彈簧接線技術，接線簡單，可靠，現場條件適應性強,靈活的接線方式和可靠的接觸效果，增強了系統的可靠性和可維護性
分布式處理：通過Ethernet和現場總線將處理器連接起來，可以實現分布式處理。
分布式I／O:通過Ethernet和現場總線即可將遠離處理器的分布式I／O連接起來。用戶可根據需要任意將各種功能模塊組合到一起，并可根據需要隨時更換總線適配器以適應不同總線系統或根據現場情況更換其他功能模塊。
Inline操作系統：該操作系統提供了真正具有優先級的多任務環境，允許用戶通過單獨排定軟件組件來滿足自己的應用要求。這能大大提高處理器的效率并且可以相對降低成本，因為它可以減少用戶對整個控制系統所需的處理器數量的要求。
系統之間的結合緊密：Inline系統與現有的基于PLC系統之間的結合非常好，PN　IO　控制器與現有的PHOENIX　CONTACT各層網絡上的設備都可通過PROFINET或現場總線及對應的功能塊進行信息交換，實現與其他網絡上的程序處理器之間無縫交換。

五、PROFINET/INTERBUS代理服務器（如圖6）：
PROFINET提供了一個在PROFINET環境下協調現有INTERBUS和其它現場總線系統的模型。這表示，你可以構造一個由現場總線和基于以太網的子系統任意組合的混合系統。這就能夠進行從基于現場總線的系統向PROFINET 的連續技術轉移。
轉移策略：
大量的現有INTERBUS 系統意味著保護投資是必須考慮的因素之一，因此，重要的是能夠使這些系統簡單地融入PROFINET（遷移）。以下情況說明了這一特點：
最終用戶 希望有一種方便的途徑將他現有的設備集成到新的PROFINET 系統中；
裝備和機器制造商 希望能夠將其經過現場考驗的和文檔化的系列設備（無需作任何
修改）用在PROFINET 自動化項目中；
設備制造商 希望能夠將他們的現場設備集成到PROFINET系統中（無需因修改而發
生任何額外費用）。
PROFINET 可以通過代理服務器集成INTERBUS現場總線設備：
PROFINET 代理服務器方案支持現場總線系統的集成，這種集成既簡單又具有高透明度，INTERBUS 與其它現場總線可通過代理服務器或作為現場總線應用集成在自動化設備內。在以太網上，代理服務器是一個或多個現場總線設備（例如：INTERBUS 上的現場設備）的代表。這種代表保證了網絡之間透明的通信（無需開辟協議通道）。例如，它確保了對現場總線設備的循環數據的透明性。
在INTERBUS DP的情況下，一方面，代理服務器是INTERBUS主站，它協調INTERBUS節點的數據交換；另一方面，代理服務器是與PROFINET 通信的以太網設備。代理服務器可以作為（例如）PLC、基于PC 的控制或作為一個簡單的網關存在并實現。

菲尼克斯電氣公司是PROFINET技術的兩大主要技術研發者之一，同時也是全球PROFINET技術資格認證中心之一，尤其精于PROFINET堆棧技術、PROFINET　IO技術、光纖傳輸與診斷技術，并著手研發下一代CBA技術，全面參與超過12個工作組的功能范圍各項技術研發工作，也中國PROFINET市場工作組領導者之一，全力與PROFINET中國用戶組織及各兄弟公司獻身于工業以太網PROFINET技術在中國的推廣與普及事業中，與中國的自動化產業共同發展成長。菲尼克斯電氣――開放靈活的PROFINET解決方案事實證明是一個運行可靠的自動化系統，已經在德國大眾AUDI B8　Ingolstadt和Neckarsulm兩地的汽車工廠，荷蘭Alewijnse食品公司，中國華南機場監控、濟南、徐州煙廠的制絲生產線、物流配送中心以及一些目前正在實施的工程項目中。