下一代现场总线新标准——高速实时以太网PROFINET

作者：刘朝晖 南京菲尼克斯电气有限公司自动化产品经理

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：工业以太网是当今工业通信发展最为迅速的技术， PROFINET是真正的实时工业以太网，可以实现在各种不同场合的应用，完成各种不同需求的控制任务。从传输协议角度上，PROFINET将数据分为：NRT、RT、和IRT三种不同的类型；从应用角度上，PROFINET分为：CBA和I/O，以此来实现工业控制的一网到底的革命。

Key words: PROFIBUS, Industry Ethernet, realtime, Industry Communication
关键词：PROFINET、工业以太网、实时、工业通信

产品的生命周期越来越短，自动化领域的发展日新月异。当今自动化技术的发展正日益受到信息技术以及已确立的标准（例如：TCP/IP和XML）的重大影响。在这种形势下，近年来现场总线技术也不断在飞速发展，并发生着重大的革新。来自用户越来越多的需求，例如：项目的投资保护；工艺技术模块化；节约工程设计和投运的成本等等，在这种形式下，PROFIBUS国际组织便提出了一个基于以太网的新的自动化标准 —— PROFINET。

PROFINET是一个整体的解决方案，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。

PROFINET用于实现基于工业以太网的集成、一致的自动化解决方案。支持用以太网通信的简单分散式现场设备和苛求时间的应用的集成，以及基于组件的分布式自动化系统的集成。为完成这一面向各种控制对象的需求，PROFINET在通信方式上根据通信目的不同而采用3种不同性能等级的通信方式：
s 通过TCP/UDP /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。这满足自动化层与其它网络（MES，ERP）的连接需求。
PROFINET 使用以太网和TCP/UDP/IP 协议作为通信基础。TCP/UDP/IP 是IT 领域在通信协议方面的事实上的标准。TCP/UDP/IP 提供了使以太网设备能够通过本地和分布式网络的透明通道中进行数据交换的基础。
s 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：Realtime）。作为基于可用控制器的软件来实现的。
在工厂自动化领域，实时应用需要刷新/响应时间范围在5—10ms 内。 经验指出，与设备中的处理时间相比，快速（100Mbps）或更高速率的以太网线路上的传输时间是可以忽略不计的。在提供者的应用中可提供数据的时间是不受通信影响的。这就是说，在刷新时间以及实时响应中任何重大的改进主要可通过发布者和使用者通信栈的优化来达成。PROFINET 中的实时通信通道就为了能满足自动化中的实时要求，此通道基于以太网（层2）。此解决方案显著地减少了通信栈所占用的运行时间，从而提高了过程数据刷新速率方面的性能。PROFINET使用快速以太网，快速以太网中已集成全双工模式切换技术，并已进行了标准化。通过优先级优化数据传输在PROFINET中，不仅最小化了控制器中的通信栈，而且也对网络中数据的传输进行了优化。为了能在这些情况下达到一种最佳结果，在PROFINET中按照IEEE 802.1Q将这些数据包区分优先级。设备之间的数据流则由网络组件依据此优先级进行处理。优先级6（Priority 6）是用于实时数据的标准优先级，由此也就确保了对其它应用的优先级处理。
s 对于同步应用，PROFINET采用等时同步实时通信（IRT：Isochronous Realtime），它允许在时钟速率为1ms时，抖动精度为1μs。
实时通道RT解决方案对于运动控制应用还远远不够。运动控制应用要求刷新速率在1ms，100 节点的连续循环的抖动精度为1μm。为了满足这些需求，PROFINET 在快速以太网的层2 协议上已定义了时间间隔控制的传输方法IRT。通过具备上述精度的参与设备（网络组件和PROFINET 设备）的时间同步化，可在网络中规定时间片，在此时间间隔内传输自动化任务所必需的关键数据。通信循环被分成两个部分，即：时间确定性部分和开放性部分。循环的实时报文在时间确定性通道中传输，而TCP/IP 报文则在开放性通道中传输。等时同步数据传输的实现基于硬件。基于硬件的实现能够获得所要求的异常重要的顺序精度要求，同时也解放了承担PROFINET 设备通信任务的处理器。这就免除了烦琐的计算，从而可为自动化任务提供解决方案。

这3 种性能等级的PROFINET通信覆盖了自动化应用的全部范围。PROFINET 通信标准的特性包括以下方面：
s 在一根通信线路上同时使用实时通信和基于TCP 的IT 通信。
s 标准化的实时协议适用于所有应用、分布式系统中组件之间的通信以及控制器与分散式现场设备之间的通信。
s 从一般性能到高性能和时间同步的可缩放的实时通信。

为实现这3种不同的通讯方式，满足工业控制的工程要求，PROFINET采用2种重要的应用方式：
s 在实现分布式过程采用基于组件的自动化概念（CBA）
PROFINET组件模型对于具备可编程功能的智能现场设备和自动化设备来说非常理想。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。基于组件模型的PROFINET 通过PCD（PROFINET Component Description）来描述。它是一个XML文件，并可以使用制造商特定的组态工具的组件生成器或PROFINET 组件编辑器来创建。分布式自动化装备的工程设计分为：各个工艺技术模块的控制逻辑的编程（制造商特定的组态工具）和整个装备的工艺技术组态，后者决定这些工艺技术模块之间的通信关系。
s 分散式现场设备（PROFINET IO）
分散式现场设备通过PROFINET IO 集成。这采用通常的PROFIBUS DP 的IO，从而可将现场设备的IO 循环地传输给PLC 的过程映象。在PROFINET IO描述的设备模型中，现场设备的特性通过基于XML的GSD(General Station Description)文件来描述。

在其他方面如：
s Web 功能的集成：Web集成允许在以太网上访问PROFInet设备：PROFInet选择使用已经实践证明的标准技术如： http, HTML 和XML。通过统一的站点（Web-Sites）来定义设备信息、诊断及报告功能，无需工程工具就可以方便查询并确定差错。对于设备的访问可通过类似于微软的Internet Explorer那样的标准浏览器。
s IT 集成：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。
s 网络拓扑：针对要连网单元的要求而定。PROFINET网络拓扑有：星型、线型、树型和环型结构。实际的系统是由混合结构组成，可以用铜缆或光缆实现。
s 网络安装：PROFINET 网络安装依据工业环境下以对太网网络的特殊要求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。

作为下一代的现场总线，PROFINET需要能够集成许多成熟的正在使用的现场总线。由于IT 技术的应用，在PROFINET方案中保护投资也起着至关重要的作用。PROFINET能集成现有的现场总线系统（例如INTERBUS、PROFIBUS），且无需修改现有设备。这就保护了所有投资者的现有投资。PROFINET可以从现有的现场总线解决方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP）到基于以太网的PROFINET的无缝转换。
PROFINET 提供2种集成现场总线系统的方法：
s 通过代理服务器的现场总线设备集成：在此情况下，代理服务器代表以太网上较低层的现场设备。采用代理服务器方案，PROFINET 提供了从现有设备到新安装的设备之间的全透明转换。
s 整个现场总线应用的集成：一个现场总线段代表一个自包含的PROFINET 组件，该组件代表的是在较低层操作现场总线（例如：INTERBUS 、PROFIBUS DP）的PROFINET设备。由此，较低层现场总线的所有功能以组件的形式保存在代理服务器内。然后这些功能就在以太网上可供使用了。

为了满足所有自动化的需求，PROFINET 还吸纳了多年积累的现场总线和工业以太网的技术，从一开始就决定了PROFINET采用开放的标准、现有设备的简单处理和集成的定义。PROFINET 持续不断的开发为用户带来了长远的前景。对于用户来说，采用PROFINET 可降低安装、工程和投运的成本。对于业主来说，由于运用了自适应的子单元，PROFINET 简化了装备的扩展并提高了装备的可用性。
拥有PROFINET，作为系统和机械制造商：由于自适应的模块而具有更高的可用性；由于并行地投运，减少了投运时间；可管理的设备特定的详细信息提供简化的诊断，使从设计到运行更快捷。作为系统集成商：由于从现场级到企业管理级的开放性标准化的通信，可自由选择供应商；由于模块化，可容易地扩展开放的工程系统。由于自适应的子系统，具有高度的系统可用性；通过集成现有的系统和设备，投资得到了保护；由于采用已认证的设备而获得高质量标准。

PROFINET——远远不仅仅是以太网，而是自动化领域的开放的解决方案。
s PROFINET规定了强大功能，从网络安装到基于web诊断的整个自动化解决方案的实现。
s PROFINET的模块化结构可非常容易地扩展和包含其它功能。
s PROFINET提供标准化的独立于制造商的工程接口。它能够方便地把各个制造商的设备和组件集成到单一系统中。设备之间的通信链接以图形形式组态，无需编程。