關鍵詞：PROFInet 現(xiàn)場總線 工業(yè)以太網(wǎng)
PROFInet由Profibus國際組織(Profibus International, PI)推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準。作為一項戰(zhàn)略性技術創(chuàng)新，PROFInet為自動化通信領域提供了一個完整網(wǎng)絡解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并作為跨供應商的技術，可完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有現(xiàn)場總線(如Profibus)技術，保護現(xiàn)有投資。
一 工業(yè)自動化技術的發(fā)展
工業(yè)自動化最根本目的是提高生產(chǎn)力、降低成本、為工廠創(chuàng)造更大效益。近幾十年來，自動化技術的不斷進步和發(fā)展已徹底改變了傳統(tǒng)工廠的面貌，越來越多的工作由機器設備完成，智能控制器(如PLC)代替了生產(chǎn)線上忙碌的工人，生產(chǎn)率得到幾十倍甚至上百倍提高。工廠效益的提高對自動化控制系統(tǒng)的依賴程度也越來越大，自動化控制系統(tǒng)水平成為決定工廠效益的一個重要因素。
近十幾年中，隨著計算機技術的發(fā)展成熟，設備智能化程度越來越高，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)分散程度也隨之提高，工業(yè)通信技術在自動化系統(tǒng)中扮演的角色變得越來越重要，并逐漸成為決定系統(tǒng)性能的關鍵因素。
過去十幾年中，現(xiàn)場總線是工廠自動化和過程自動化領域中現(xiàn)場級通信系統(tǒng)的主流解決方案。但隨著自動化控制系統(tǒng)的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術已難以滿足用戶不斷增長需求。一方面隨著現(xiàn)場設備智能程度的提高，控制變得越來越分散，分布在工廠各處的智能設備與工廠控制層之間需不斷交換控制數(shù)據(jù)，導致現(xiàn)場設備間數(shù)據(jù)交換量飛速增長；另一方面隨著企業(yè)信息化程度提高，用戶希望將底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合到全廠信息管理系統(tǒng)中，并在信息管理級實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的遠程服務和維護，這樣企業(yè)信息管理系統(tǒng)需獲取生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，所以客戶希望管理層和現(xiàn)場級能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動化技術兼容的通信解決方案。
基于這種需求，以太網(wǎng)技術開始逐漸從工廠和企業(yè)信息管理層向底層滲透，廣泛應用于工廠控制級通信。在自動化世界中使用以太網(wǎng)解決方案顯著優(yōu)勢：統(tǒng)一架構、集成通信以及強大服務和診斷功能。從目前工業(yè)自動化控制領域情況來看，以太網(wǎng)技術取代現(xiàn)場總線是工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。
不過以太網(wǎng)技術在工廠控制系統(tǒng)中的應用并不是一個簡單移植過程，既要保持普通以太網(wǎng)技術的優(yōu)勢，又須解決工業(yè)現(xiàn)場應用中的一些問題，如實時性、運動控制、故障安全和網(wǎng)絡安全等，同時還需兼容現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)。在這樣的背景下，PI適時推出PROFInet，很好解決了以太網(wǎng)技術向底層擴展的問題，實現(xiàn)工廠通信系統(tǒng)的縱向統(tǒng)一。
二 PROFInet結構和功能
作為完整、先進的工業(yè)通信解決方案，PROFInet包括8個主要功能模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡安裝、IT標準和網(wǎng)絡安全、故障安全和過程自動化。結構示意如圖1。
下面分別介紹各功能模塊概念和功能，以建立PROFInet整體概念。
(1)PROFInet實時通信
為保證通信實時性，需對信號傳輸時間做精確計算。當然，不同現(xiàn)場應用對通信系統(tǒng)實時性有不同要求，在衡量系統(tǒng)實時性時，使用響應時間作為一個標尺。根據(jù)響應時間不同，PROFInet支持3種通信方式：
(a)TCP/IP標準通信
PROFInet基于工業(yè)以太網(wǎng)技術，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP是IT領域關于通信協(xié)議方面事實上的標準，其響應時間大概在100ms量級，對于工廠控制級應用來說，這個響應時間足夠。
(b)實時(RT)通信
對于傳感器和執(zhí)行器設備間數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應時間要求更為嚴格，需5～10ms。目前，可使用現(xiàn)場總線技術達到，如Profibus-DP。
對于基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)技術，使用標準通信棧來處理過程數(shù)據(jù)包需要很可觀的時間，因此，PROFInet提供一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層(Layer 2)的實時通信通道，通過該通道，極大減少了數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時間。因此PROFInet獲得等同甚至超過傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實時性能。
(c)同步實時(IRT)通信
在現(xiàn)場級通信中，對通信實時性要求最高的是運動控制。伺服運動控制對通信網(wǎng)絡提出極高要求，在100個節(jié)點下，其響應時間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs，以保證及時、確定的響應。
如圖2，PROFInet使用同步實時(Isochronous Real-Time, IRT)技術來滿足如此苛刻的響應時間。為保證高質量等時通信，所有網(wǎng)絡節(jié)點須很好實現(xiàn)同步，才能保證數(shù)據(jù)在精確相等時間間隔內被傳輸，網(wǎng)絡上所有站點須通過精確時鐘同步以實現(xiàn)同步實時。通過規(guī)律的同步數(shù)據(jù)，其通信循環(huán)同步的精確度可達到μs級。該同步過程可精確記錄其所控制系統(tǒng)的所有時間參數(shù)，因此能在每個循環(huán)開始實現(xiàn)非常精確的時間同步。這么高的同步水平單純靠軟件是無法實現(xiàn)的，須依靠網(wǎng)絡第二層中硬件的支持，即西門子IRT同步實時ASIC芯片。
(2)PROFInet分布式現(xiàn)場設備
通過集成PROFInet接口，分布式現(xiàn)場設備可直接連接到PROFInet上，如圖3。以ET200系列分布式I/O為例，集成PROFInet接口，可實現(xiàn)現(xiàn)場分布式I/O與PROFInet的通信。除ET200外，其他設備如PLC和驅動設備等也可提供PROFInet與其他設備的通信。
對于現(xiàn)有現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)，可通過代理服務器實現(xiàn)與PROFInet的透明連接。如通過IE/PB Link(PROFInet和Profibus間的代理服務器)可將一個Profibus網(wǎng)絡透明地集成到PROFInet中，Profibus各種豐富的設備診斷功能同樣也適用于PROFInet。對于其他類型現(xiàn)場總線，可通過同樣的方式，使用一個代理服務器將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡接入到PROFInet中。
(3)PROFInet運動控制
通過inet的同步實時(IRT)功能，可輕松實現(xiàn)對伺服運動控制系統(tǒng)的控制。在PROFInet同步實時通信中，每個通信周期被分成兩個不同部分：一個是循環(huán)的、確定的部分，稱為實時通道；另一個是開放通道，標準TCP/IP數(shù)據(jù)通過這個通道傳輸。如圖4，實時通道中為實時數(shù)據(jù)預留了固定循環(huán)間隔的時間窗，而實時數(shù)據(jù)總是按固定次序插入，因此實時數(shù)據(jù)就在固定間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余時間用來傳遞標準TCP/IP數(shù)據(jù)。兩種不同類型數(shù)據(jù)就可同時在PROFInet上傳遞，且不會互相干擾。通過獨立實時數(shù)據(jù)通道，保證對伺服運動系統(tǒng)的可靠控制。
(4)PROFInet與分布式自動化
隨著現(xiàn)場設備智能程度的不斷提高，自動化控制系統(tǒng)分散程度也越來越高。工業(yè)控制系統(tǒng)正由分散式自動化向分布式自動化演進。因此基于組件的自動化(Component Based Automation，CBA)成為新興趨勢。工廠中相關機械部件、電氣/電子部件和應用軟件等具有獨立工作能力的工藝模塊抽象成為一個封裝好的組件，各組件間使用PROFInet連接。通過SIMATIC iMap軟件用圖形化組態(tài)方式實現(xiàn)各組件間通信配置，不需另外編程，大大簡化系統(tǒng)配置及調試過程。
(5)PROFInet網(wǎng)絡安裝
PROFInet支持星型、總線型和環(huán)型拓撲結構。為減少布線費用并保證高度可用性和靈活性，PROFInet提供大量工具幫助用戶方便實現(xiàn)安裝。特別設計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并在PROFInet框架內形成標準化，保證不同制造商設備間的兼容性。
(6)PROFInet IT標準與網(wǎng)絡安全
PROFInet一個重要特征是可同時傳遞實時數(shù)據(jù)和標準TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗證的IT技術都可使用(如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)。在使用PROFInet時，可使用這些IT標準服務加強對整個網(wǎng)絡的管理和維護，可節(jié)省調試和維護成本。
PROFInet實現(xiàn)從現(xiàn)場級到管理層的縱向通信集成，一方面方便管理層獲取現(xiàn)場級數(shù)據(jù)，另一方面原本在管理層存在的數(shù)據(jù)安全性問題也延伸到了現(xiàn)場級。為保證現(xiàn)場級控制數(shù)據(jù)安全，PROFI-net提供特有安全機制，通過使用專用安全模塊，可保護自動化控制系統(tǒng)，使自動化通信網(wǎng)絡安全風險最小化。
(7)PROFInet故障安全
在過程自動化領域中，故障安全是相當重要的概念。所謂故障安全，即指當系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)致命錯誤時，系統(tǒng)能恢復到安全狀態(tài)(即“零態(tài)”)，不會對操作人員和過程控制系統(tǒng)造成損害。這里，安全有兩方面含義：一方面是指操作人員的安全，另一方面指整個系統(tǒng)的安全，因為在過程自動化領域中系統(tǒng)出現(xiàn)故障或致命錯誤時很可能會導致整個系統(tǒng)的爆炸或毀壞。
PROFInet集成了PROFISafe行規(guī)，實現(xiàn)IEC61508中規(guī)定的SIL3等級的故障安全，保證了整個系統(tǒng)安全。
(8)PROFInet與過程自動化
PROFInet不僅可用于工廠自動化場合，也同時可面對過程自動化的應用，如圖5。通過代理服務器技術，PROFInet可無縫集成現(xiàn)場總線Profibus和其他總線。工業(yè)界針對工業(yè)以太網(wǎng)總線供電，及以太網(wǎng)應用在本質安全區(qū)域問題的討論正在形成標準或解決方案。Profibus國際組織計劃在2006年提出PROFInet進入過程自動化現(xiàn)場級應用方案。
三 面向未來
作為國際標準IEC61158重要組成部分，PROFInet完全開放，Profibus國際組織成員公司在2004年漢諾威展覽會上推出大量帶有PROFInet接口的設備，為PROFInet技術的推廣和普及起到積極作用。
借助于實時通信技術，PROFInet可直接應用于底層的現(xiàn)場級通信(包括運動控制)，由此也實現(xiàn)全廠通信網(wǎng)絡的縱向統(tǒng)一，管理層可方便地將現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成到企業(yè)信息處理系統(tǒng)中，為MES和ERP系統(tǒng)的應用打下基礎；基于組件的自動化(CBA)將自動化系統(tǒng)的構建簡化為不同功能工藝模塊間的連接，大大降低系統(tǒng)構建成本；IT標準和網(wǎng)絡安全使用戶在現(xiàn)場通信網(wǎng)絡中放心享受IT技術帶來的便利；集成的故障安全功能保證了系統(tǒng)可靠性，為PROFInet在過程自動化領域中的應用奠定了良好基礎。
相信，隨著時間流逝，作為面向未來的新一代工業(yè)通信網(wǎng)絡標準，PROFInet必將為工廠自動化控制系統(tǒng)帶來更大收益和便利。
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