PROFINET IO快速啟動（FSU）技術

1、介紹
隨著實時工業以太網通訊系統在自動化領域的應用越來越廣泛，受益的行業也越來越多。實時工業以太網通訊最大的亮點就在于，能夠為現場提供大規模的數據量傳輸、垂直的透明數據通訊，以及可以與標準的以太網系統互訪、共存。
PROFINET以其靈活性、魯棒性、快速性等優點，其應用可以覆蓋整個自動化領域，能夠滿足所有的自動化需求。PROFINET與其它實時以太網系統相比，具有更好的特性，如：能夠更靈活地替代傳統的現場總線系統，更能適應新的挑戰。基于20多年成功經驗的技術訣竅，PROFINET技術迅速發展，并且已經成為接下去十年最重要的實時工業以太網之一。
PROFINET IO特有的快速啟動（FSU，Fast Start Up）技術，使其IO從站設備在上電后就能立即與主站進行過程數據交換，該功能在工廠自動化的某些特殊應用場合是至關重要的。本文從開發到應用的不同角度，描述了FSU技術。
2、問題和解決辦法
在過去的十年中，工業機器人在工廠全方位自動化中的重要性越顯突出和重要。特別是智能機器人在工廠中的應用，不僅使其產品線更具靈活性，而且大大減少了每個車間設備的數量，這就在很大程度上減少了設備成本和廠房空間。在一個好的生產計劃下，帶自動加工機構的智能機器人其快速且精準的動作，不僅可以縮短產品的生產時間，同時也能有效的提供生產效率。當產品必須在生產線上一分鐘之內就加工完成，那么就需要機器人的動作能越快越好，且精度也要保持良好，這時，自動加工機構的每個動作延遲也都要最小化。在此情形下，如果所有的IO外設都能與PLC進行準確的過程數據交換，那么機器人自動加工機構的動作指令就能做到快而準。這就意味著，建立自動加工機構與PLC之間的通訊所需要的時間，很大程度的影響著生產效率。
2004年，德國汽車制造商自動化發起者聯盟AIDA決定使用PROFINET IO作為工廠自動化的基本通訊標準。而當時，所有實時工業以太網都面臨一個問題，與傳統的現場總線技術相比，其啟動時間都比較慢。這些實時工業以太網的啟動時間都在幾個秒的時間范圍，這就很大程度的影響了帶實時工業以太網通訊接口及自動加工機構ATC的智能機器人在生產線上的應用。
基于實際的生產需求，汽車生產企業也在不斷地推動工廠自動化技術的發展。此時，AIDA組織就很明確地規定了PROFINET IO必須具備的功能需求和性能，功能需求之一就是需要IO設備的啟動時間小于500 ms。PROFINET IO的快速啟動FSU技術隨之蘊育而生，來滿足苛刻的現場需求。

技術
FSU技術在PROFINET IO最新的規范中有明確描述，其最基本的定義就是：在設備上電至接收到第一個周期性輸入數據所需要的時間不超過500 ms。由于IO設備上電后能迅速的實現參數配置，因此多數的啟動時間是等待主站控制器發送的過程數據。FSU技術標準化了相關的最優功能：
－ 使用固定的傳輸參數（僅限銅線），替代原先使用的自動監測參數，這至少縮短了啟動時間3秒。
－ 網絡編址不需要掃描每一個IO設備，在IO設備啟動后就能自身加載。相關的參數配置都保存在IO設備的不掉電內存中，當設備上電后就能立即被使用。該功能至少能減少啟動時間十幾秒。
－ IO設備可自發布準備就緒信號來建立通訊，取代了原先需要等待主站控制器的命令才能建立連接通訊。通過這種方式，也能減少1秒的時間。
這些增強的功能避免了協議規約所規定的專門時間延遲，此外，結合相應的硬件設施，設備的啟動時間也可以最優化。
關于FSU技術的詳細信息在相關標準或案例文獻（參考文獻[1]）中都有詳細的描述。

可選方案的比較
當今，自動加工機構ATC都配備了已被廣泛認可的現場總線技術，如PROFIBUS，DeviceNet或INTERBUS。這些傳統現場總線系統的啟動時間都小于100ms，而實時工業以太網通訊系統在啟動時間方面就不如傳統現場總線系統。市場因素也決定需要新的性能來滿足生產需求，因此這就導致了相關折衷解決方案的出現：網關和無線技術。與其它實時工業以太網系統相比較，PROFINET IO標準化了時間參數，其設備的啟動時間可以小于500ms。目前市場上的PROFINET IO設備也表現出，其啟動時間大約在400ms左右。如果具有豐富的開發經驗，IO設備的啟動時間還可以縮短到更小。
由于現場總線技術使得自動加工機構ATC的啟動快速，而實時工業以太網系統在垂直的透明數據通訊上又有明顯優勢，因此，近年來網關的出現使得這兩種系統可以并存。但是，網關最主要的缺點就是，增加了整個系統的復雜性。這在維護和服務方面都會帶來顯著的負面影響。
無線設備解決了快速啟動的問題，其方式是：通過始終保持通訊，或利用短時通訊建立技術。無線解決方案的優點是，在設備啟動和因傳輸電纜引起的問題（如，由于電纜或連接器的損壞導致的線路斷開或短路）期間，都不存在空閑時間。這種方式也能有效節約成本。但是，無線技術無法改變的缺點就是，通訊的安全性以及接口的約束，會導致更高的時間抖動、循環時間、意想不到的問題出現和有限的傳輸設備數量。因此，無線技術僅適用于：
－ 不可能使用電纜的區域或在乎電纜成本的應用
－ 無線技術的缺點可忽略不計的應用場合

用戶的看法
某全球著名的德國汽車制造商目前正在計劃其將來的生產線，不得不為帶有自動加工機構ATC的智能機器人選擇合適的通訊外設。這些機器人在生產線上，最典型的操作就是焊接和夾抓。而對機器人來說，車身的生產節拍是45秒，該時間已經包含了自動加工機構動作切換的時間延遲。這就強調了所使用的通訊部件的重要性。該汽車制造商已經有了明確的方案選擇：
－ 需要帶有FSU技術的設備，其啟動時間需小于500ms；
－ 由于網關的自身缺陷，在整個系統中將不使用；
－ 使用有限的無線設備
德國汽車企業也已經達成統一的共識：將在通訊部件中再實現PROFIsafe和PROFIenergy功能。將來工業通訊系統的使用，對于工人和機械設備來說，安全生產環境是最基本的先決條件，PROFIsafe可以滿足其需求。目前，PROFIenergy規范還在制訂當中，主要規范能源的有效利用及成本有效控制。

結論
PROFINET IO技術具有小于500ms的啟動時間，是帶有自動加工機構ATC智能機器人的最佳選擇。基于AIDA的選擇，及與其它實時工業以太網相比，PROFINET IO所具有的技術優勢，PROFINET IO將很快成為ATC系統的標準通訊接口。