菲尼克斯电气――开放灵活的PROFINET解决方案

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是一种真正的实时工业以太网，在一条网线上可以实现标准TCP/IP数据(TCP/IP <100ms)、工厂实时数据(RT <10ms )、运动控制等时同步实时数据IRT的同时传输。从应用角度上可以分为：PROFINET　I/O和PROFINET　CBA，同时，能够集成现有的INTERBUS、PROFIBUS、DEVICENET现场总线设备及其它工业以太网协议如：Ethernet IP、MODBUS TCP，实现工业通讯控制系统一网到底的革命。

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

关键词：现场总线、IBS(INTERBUS)、 PB(PROFIBUS)、PN(PROFINET)、NET、工业以太网、实时、基于组件的自动化、工业通信、网关

信息技术日新月异的发展，自动化领域的工业通讯技术也在悄然地发生着变化。工业以太网技术成为自动化系统中最为热门的技术，PROFINET就是其中最有生命力的事实上的工业以太网标准之一。基于以下几个原因：工业以太网PROFINET正在源源不断的应用各行各业的自动化控制系统当中。
l PROFINET 使用现有的开放标准并与Ethernet TCP/IP标准完全兼容；
l 以太网早已是办公领域的标准，在自动化领域的高层通信中早已使用了以太网；
l 以太网也可以用于控制器与现场设备之间的通信；
l IT 功能也适用于自动化应用；
l 它为整个自动化市场提供了实时功能；
l RT是用于工厂自动化的快速而简练的解决方案；
l IRT适用于运动控制高的端需要；
l RT和IRT都完全与IEEE 802.3 兼容，并且支持整个TCP/IP带宽（64-1536字节报文）；
l PROFINET支持CBA技术，易于实现不同的系统单元之间的互操作；
l 它集成了现有的现场总线解决方案：INTERBUS、PROFIBUS、DeviceNet；
l 它提供了已经被监证的安全性功能INTERBUSsafety、PROFIsafe　RT
通过对分散式现场设备通过PROFINET IO 集成，采用通常的INTERBUS 的IO视点，从而可将现场设备的IO 循环地传输给PLC 的过程映像。PROFINET IO描述的设备模型，以INTERBUS的关键特性为基础，并由模块、通道、采集点组成。现场设备的特性通过基于XML的GSD(General Station Description)文件来描述。
PROFINET基于组件自动化模型在分布式装备中是非常高效的技术。组件模型将机器或装备的自治模块描述为工艺技术模块。基于工艺技术模块而开发的分布式自动化系统简化了装备和机器的模块化设计，从而显著地简化了装备和机器零部件的重复使用。因此大量地减少了工程设计成本。
PROFINET 根据通信采用不同的性能等级：PROFINET通过TCP/UDP 和IP 在标准通道上发送非苛求时间的数据，例如：参数、组态数据和互连信息。这满足了自动化层与其它网络（MES，ERP）的连接需求；对于生产装备内苛求时间的过程数据的传输，它采用实时通道RT（软实时）。它是作为基于可用控制器的软件来实现的；对于同步应用，可采用等时同步实时通信（IRT）。它允许在时钟速率为1ms时，抖动精度为1μs。
PROFINET 网络安装依据工业环境下以对以太网网络的特殊要求。它们给设备制造商提供清晰的设备接口规范和布线要求。“PROFINET 安装导则”给装备制造商/操作人员提供以太网网络安装的简单规则。
网络管理覆盖了在以太网网络中PROFINET 设备管理的所有功能。这包括设备和网络组态、网络诊断。对于Web集成，PROFINET 采用基于以太网的技术，而且借助互联网的标准技术可访问PROFINET 组件。为了获得与其它系统范围的开放链接，PROFINET 采用OPC DA 和DX。
PROFINET的一个关键特点是从现有的现场总线解决方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP、DeviceNet）到基于以太网的PROFINET的无缝转换。对于设备/装备/机器制造商和最终用户来说，这就是对现有投资的重要保护。
从上面内容的阐述来看PROFINET不仅仅是一个工业以太网协议，而且是一个完整的自动化解决方案。它使用TCP/IP 和IT 标准，符合基于工业以太网的实时自动化体系，覆盖了自动化技术的所有要求；能够实现与现场总线的无缝集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一条电缆中完成，IT 服务和TCP/IP 开放性没有任何限制；它可以满足.用于所有客户需要的统一的通信；从高性能到等时同步可以伸缩的实时通信。现在已经成为现场总线国际标准IEC-61158的第10类型。菲尼克斯电气作为PROFINET技术两大主要研发者之一，可以提供全面的产品系统解决方案。
在图1中，详细阐述了了一个典型的PROFINET解决方案系统的主要构成部分，从上到下依次分为五大部分：
l 用于PN　IO控制器的编程软件PC WORX 5
l 面向灵活的工业以太网PN　IO设备模块化交换机MMS
l 强大紧凑的模块化控制系统的PN　IO控制器（即支持PN的PLC）
l 支持PN技术的IO设备（包括D耦合器、电源、IO、功能模块等）
l 在PN上作从站同时在INTERBUS上作主站的PN/IBS代理服务器

一、全中文自动化编程软件PC WORX 5（如图2）
l PC WORX 5是AUTOMATIONWORX Software Suite 2006 V1.2中文版本软件包的核心软件。同时还包括了Diag+ V1.21，Diag+ NetScan V1.00等专用工具。
l PC WORX 5中文版是国内第一套中文版工控软件。该软件集成了三大功能：INTERBUS组态、编程和诊断功能。软件编程符合IEC61131-3国际标准，支持语句表、结构文本、梯形图、功能块图和顺序功能图等5种编程语言。故障诊断采用Diag+或者Diag+ NetScan，通过在线诊断，进行精确和快速的故障定位，告诉用户故障类型和解决办法，可保证系统的停机时间最短。
l PC WORX 5中文版对操作界面和帮助文件等进行了全面的中文化，并可直接采用中文字符定义变量和进行编程，极大地方便了中国用户学习和使用PCWORX软件。
l PC WORX 5通过综合的交叉编译功能来满足对特殊编程语言的需求。编程语言FBD，IL和LD可以交叉编译成任何一种其他编程语言来满足特殊的需求。ST可以被翻译成FBD，IL和LD。可以用最喜爱的语言编程，PC WORX 5可以在同一时间满足客户不同的需求。
l PC WORX 5可以使用拖曳的方法来连接自动化系统的软件和硬件。变量的数据方向由相应过程数据条目的连接所决定，软件还可以自动产生出变量。智能过程数据编辑器在分配过程数据时提供了一条非常直截了当的方法以减轻的工作负荷。
l PC WORX 5的在线修改功能使得在线调试变得非常简单方便。100％的在线修改功能意味着无论多少修改，都可以实时的上载到控制器。在运行期间，系统始终保持着足够得实用性，即便要上载一部分程序到控制器。PC WORX 5，程序改变，而控制器不再停机。
l PC WORX 5中集成了总线配置器以保证对现场总线系统进行最合适的项目计划，并可以给您一次显示所有的信息。不再需要任何其它的工具来完成总线配置。所有的信号数据（例如设备识别号）都可以在编程环境中得到。配置器硬件目录提供了对自动控制环境所须的器件，而且可以使用拖曳的方式加入到硬件结构中。PCWORX使用FDCML和基于XML的描述语言来描述设备。设备描述编辑器可以很容易的把您自定义的设备描述加入到设备目录中去。PC WORX 5还允许在一个项目中采用不同的控制器实现分布式系统。
PC WORX 5 提供给调试最优的支持。标准调试包括多种功能比如断点，步进，追踪，库调试和实例调试。可以使用方便的观察窗来监测每个变量和自定义数据。使用变量观察窗的输入和输出选项可以把整个系统状况拷贝到磁盘上并存储成最新数据。友好的用户复制管理功能非常方便并且容易使用。综合逻辑分析器能够使独立变量的按时间顺序进行监测，所以非常容易追踪变量的相互关系。

二、模块化交换机（PN I/O 设备，如图3）
MMS模块化管理型交换机/一体化管理型交换机MCS特性：电口10/100M自适应、自动交叉连接，模块化扩展结构：2-24端口，导轨安装，连接状态指示，24 VDC冗余供电，灵活使用多种传输媒介10/100 M双绞线, 100 Mbit/s 玻璃光纤，可以现场制作的塑料光纤和 HCS 光纤（10/100 Mbit/s）、通过GL等船级社认证，更能享用电气、电子连接技术的世界市场领袖菲尼克斯电气丰富多样的以太网网络连接附件。同时，还可以支持以下一些高级功能：
l 为端口加装硬件锁附件，在OSI网络七层协议的物理层设定安全策略
l 10/100M自适应，也可以手工设备每个端口的速率
l 手工激活或关闭某些端口、根据MAC地址设定不同端口的访问权限
l 可以通过DHCP和BootP对交换机的IP地址进行设备
l 支持端口镜像功能Port Mirroring
l 具有Web-Based管理功能，标准IE就能对交换机进监视和参数配置
l 支持虚拟局域网技术，精确规划您的逻辑局域网络
l 支持Multicasts (IGMP Snooping, GARP, GMRP)
l 支持SNMP、MIB II、Bridge、RMON、IF- MIB、IGMP snooping等
l 支持符合IEEE 802.1P的数据优先级通讯机制
l 交换机的Frameware可以随着技术的发展进行免费升级
l 多模光纤最远可以传输10000M，多模光纤最远可以传输36000M
l 可以选择丰富的POF、HCS、多模、单模玻璃光纤，以及任意选择ST、SC、FSMA连接形式的接口模块、并可选择向前或向下出线
l 选择能够记忆网络配置状态的存储模块
l 能够自由地在标准以太网TCP/IP、MODBUS　TCP、Ethernet IP、PROFINET工业以太网中使用，
l 具有专利技术的快速环网冗余技术，更快的络自愈时间，优化的超级冗余环网检测协议，一个环上支持最多57台交换机，1000台以太网终端设备，网络自愈时间100ms~500ms之间,在网络同时达到57交换机1000台以太网终端设备时接近500ms。

三、PROFINET　I/O控制器（如图4）：

菲尼克斯电气目前有四种支持PROFINET的I/O　控制器。型号依次为：ILC 350 PN、ILC 370 PN 2TX-IB、FC PCI 350 PN、ILC 390 PN 2TX-IB。以ILC 370 PN 2TX-IB举例来说明，它的主要技术参数如下：
通用技术数据：
以太网连接 2X10/100M自适应
PROFINET IO 控制系统
IEC 61131-3 and 5 用 PC WORX 5
典型: 0.3 ms /1K指条
存储器：
2 MB 程序存储器 (>170K IL指令))
4 MB 数据存储器
可插入CF卡到 64 MB
(项目和文件数据)
96 KB NVRAM 非易性数据
I/O基本说明：
最大支持设备512
最大I/O点数8192
集成12DI (50kHz) / 4DO
INTERBUS从站接口
ILC 370 PN 2TX-IB控制器是菲尼克斯电气Inline产品家族的一种先进的、高度紧凑的模块化产品，可以满足各种现场控制需求，大大提高了整个自动化系统的智能性。ILC 370 PN 2TX-IB控制器的处理速度为0.3ms/k指令，标准内存为2M字节，可通过向处理器模块中插入内存子模块来进行内存扩展，一个ILC 370 PN 2TX-IB控制器处理器支持8192个I/O点，可以通过现场总线接口实现对INTERBUS现场总线系统的集成，两个PROFINET口中的一个与本地的HMI进行连接作现场操作与监视，另一个PROFINET口与中控室或其的上层网络设备进行通讯地，组成全集成的自动化系统。
ILC 370 PN 2TX-IB是一款高性能控制器，不仅有着极高的数据处理速度，还具有更多的程序及数据存储空间，因此可以满足不断提高的控制性能需求。控制器可以使用符合IEC 61131－3指令的开发工具PC WorX 5进行设置和编程，数据可以通过AX　OPC servers进行交换，并且可以实现控制器与上位机之间的通讯，与任何支持TCP/IP协议的装置或系统进行数据交换。

四、PROFINET　现场总线I/O（如图5）：
PN耦合器同样使用获得欧洲工业设计大奖的Inline系统系列产品模块化的设计，并且模块种类不仅包括了模拟量、数字量这些不同模块，而且还有各种功能模块。这就可以为工业控制提供—种非常灵活并十分完整控制方案。
l 模块化的设计：Inline系统的模块化的I／O、内存及通讯接口可为我们提供了一种即可组态又便于扩展的系统，使我们可以根据需要灵活配置所需的I／O数量，内存容量, 以及通讯网络，以后当需要进一步扩展系统时，可随时添加I／O，内存及通讯接口。
l 带电插拔（热插拔）：Inline允许用户带电插拔系统中的任何I/O模块，而不会对模块造成损坏。这对于系统的维护与检修有着很大的帮助，因为这样用户就可以在继续维持系统运行的同时更换有故障的模块，而不会影响整个系统其它部分的正常运行。
l 高速传送：Inline可以在网络之间，网络的链路之间以及模块之间实现信息的高速传送。
l 高强度的硬件平台：Inline系统采用特殊设计的高强度工业硬件平台，从而可耐受振动，高温以及各种工业环境下的电气干扰。
l 小型化、精致化：所有硬件模块采取小型化的设计,这使得Inline系统适用于有限的安装空间。
l 即插即用，笼式弹簧接线技术，接线简单，可靠，现场条件适应性强,灵活的接线方式和可靠的接触效果，增强了系统的可靠性和可维护性
l 分布式处理：通过Ethernet和现场总线将处理器连接起来，可以实现分布式处理。
l 分布式I／O:通过Ethernet和现场总线即可将远离处理器的分布式I／O连接起来。用户可根据需要任意将各种功能模块组合到一起，并可根据需要随时更换总线适配器以适应不同总线系统或根据现场情况更换其他功能模块。
l Inline操作系统：该操作系统提供了真正具有优先级的多任务环境，允许用户通过单独排定软件组件来满足自己的应用要求。这能大大提高处理器的效率并且可以相对降低成本，因为它可以减少用户对整个控制系统所需的处理器数量的要求。
系统之间的结合紧密：Inline系统与现有的基于PLC系统之间的结合非常好，PN　IO　控制器与现有的PHOENIX　CONTACT各层网络上的设备都可通过PROFINET或现场总线及对应的功能块进行信息交换，实现与其他网络上的程序处理器之间无缝交换。

五、PROFINET/INTERBUS代理服务器（如图6）：
PROFINET提供了一个在PROFINET环境下协调现有INTERBUS和其它现场总线系统的模型。这表示，你可以构造一个由现场总线和基于以太网的子系统任意组合的混合系统。这就能够进行从基于现场总线的系统向PROFINET 的连续技术转移。
转移策略：
大量的现有INTERBUS 系统意味着保护投资是必须考虑的因素之一，因此，重要的是能够使这些系统简单地融入PROFINET（迁移）。以下情况说明了这一特点：
l 最终用户 希望有一种方便的途径将他现有的设备集成到新的PROFINET 系统中；
l 装备和机器制造商 希望能够将其经过现场考验的和文档化的系列设备（无需作任何
修改）用在PROFINET 自动化项目中；
l 设备制造商 希望能够将他们的现场设备集成到PROFINET系统中（无需因修改而发
生任何额外费用）。
PROFINET 可以通过代理服务器集成INTERBUS现场总线设备：
PROFINET 代理服务器方案支持现场总线系统的集成，这种集成既简单又具有高透明度，INTERBUS 与其它现场总线可通过代理服务器或作为现场总线应用集成在自动化设备内。在以太网上，代理服务器是一个或多个现场总线设备（例如：INTERBUS 上的现场设备）的代表。这种代表保证了网络之间透明的通信（无需开辟协议通道）。例如，它确保了对现场总线设备的循环数据的透明性。
在INTERBUS DP的情况下，一方面，代理服务器是INTERBUS主站，它协调INTERBUS节点的数据交换；另一方面，代理服务器是与PROFINET 通信的以太网设备。代理服务器可以作为（例如）PLC、基于PC 的控制或作为一个简单的网关存在并实现。

菲尼克斯电气公司是PROFINET技术的两大主要技术研发者之一，同时也是全球PROFINET技术资格认证中心之一，尤其精于PROFINET堆栈技术、PROFINET　IO技术、光纤传输与诊断技术，并着手研发下一代CBA技术，全面参与超过12个工作组的功能范围各项技术研发工作，也中国PROFINET市场工作组领导者之一，全力与PROFINET中国用户组织及各兄弟公司献身于工业以太网PROFINET技术在中国的推广与普及事业中，与中国的自动化产业共同发展成长。菲尼克斯电气――开放灵活的PROFINET解决方案事实证明是一个运行可靠的自动化系统，已经在德国大众AUDI B8　Ingolstadt和Neckarsulm两地的汽车工厂，荷兰Alewijnse食品公司，中国华南机场监控、济南、徐州烟厂的制丝生产线、物流配送中心以及一些目前正在实施的工程项目中。