PROFINET IO快速启动（FSU）技术

1、介绍
随着实时工业以太网通讯系统在自动化领域的应用越来越广泛，受益的行业也越来越多。实时工业以太网通讯最大的亮点就在于，能够为现场提供大规模的数据量传输、垂直的透明数据通讯，以及可以与标准的以太网系统互访、共存。
PROFINET以其灵活性、鲁棒性、快速性等优点，其应用可以覆盖整个自动化领域，能够满足所有的自动化需求。PROFINET与其它实时以太网系统相比，具有更好的特性，如：能够更灵活地替代传统的现场总线系统，更能适应新的挑战。基于20多年成功经验的技术诀窍，PROFINET技术迅速发展，并且已经成为接下去十年最重要的实时工业以太网之一。
PROFINET IO特有的快速启动（FSU，Fast Start Up）技术，使其IO从站设备在上电后就能立即与主站进行过程数据交换，该功能在工厂自动化的某些特殊应用场合是至关重要的。本文从开发到应用的不同角度，描述了FSU技术。
2、问题和解决办法
在过去的十年中，工业机器人在工厂全方位自动化中的重要性越显突出和重要。特别是智能机器人在工厂中的应用，不仅使其产品线更具灵活性，而且大大减少了每个车间设备的数量，这就在很大程度上减少了设备成本和厂房空间。在一个好的生产计划下，带自动加工机构的智能机器人其快速且精准的动作，不仅可以缩短产品的生产时间，同时也能有效的提供生产效率。当产品必须在生产线上一分钟之内就加工完成，那么就需要机器人的动作能越快越好，且精度也要保持良好，这时，自动加工机构的每个动作延迟也都要最小化。在此情形下，如果所有的IO外设都能与PLC进行准确的过程数据交换，那么机器人自动加工机构的动作指令就能做到快而准。这就意味着，建立自动加工机构与PLC之间的通讯所需要的时间，很大程度的影响着生产效率。
2004年，德国汽车制造商自动化发起者联盟AIDA决定使用PROFINET IO作为工厂自动化的基本通讯标准。而当时，所有实时工业以太网都面临一个问题，与传统的现场总线技术相比，其启动时间都比较慢。这些实时工业以太网的启动时间都在几个秒的时间范围，这就很大程度的影响了带实时工业以太网通讯接口及自动加工机构ATC的智能机器人在生产线上的应用。
基于实际的生产需求，汽车生产企业也在不断地推动工厂自动化技术的发展。此时，AIDA组织就很明确地规定了PROFINET IO必须具备的功能需求和性能，功能需求之一就是需要IO设备的启动时间小于500 ms。PROFINET IO的快速启动FSU技术随之蕴育而生，来满足苛刻的现场需求。

技术
FSU技术在PROFINET IO最新的规范中有明确描述，其最基本的定义就是：在设备上电至接收到第一个周期性输入数据所需要的时间不超过500 ms。由于IO设备上电后能迅速的实现参数配置，因此多数的启动时间是等待主站控制器发送的过程数据。FSU技术标准化了相关的最优功能：
－ 使用固定的传输参数（仅限铜线），替代原先使用的自动监测参数，这至少缩短了启动时间3秒。
－ 网络编址不需要扫描每一个IO设备，在IO设备启动后就能自身加载。相关的参数配置都保存在IO设备的不掉电内存中，当设备上电后就能立即被使用。该功能至少能减少启动时间十几秒。
－ IO设备可自发布准备就绪信号来建立通讯，取代了原先需要等待主站控制器的命令才能建立连接通讯。通过这种方式，也能减少1秒的时间。
这些增强的功能避免了协议规约所规定的专门时间延迟，此外，结合相应的硬件设施，设备的启动时间也可以最优化。
关于FSU技术的详细信息在相关标准或案例文献（参考文献[1]）中都有详细的描述。

可选方案的比较
当今，自动加工机构ATC都配备了已被广泛认可的现场总线技术，如PROFIBUS，DeviceNet或INTERBUS。这些传统现场总线系统的启动时间都小于100ms，而实时工业以太网通讯系统在启动时间方面就不如传统现场总线系统。市场因素也决定需要新的性能来满足生产需求，因此这就导致了相关折衷解决方案的出现：网关和无线技术。与其它实时工业以太网系统相比较，PROFINET IO标准化了时间参数，其设备的启动时间可以小于500ms。目前市场上的PROFINET IO设备也表现出，其启动时间大约在400ms左右。如果具有丰富的开发经验，IO设备的启动时间还可以缩短到更小。
由于现场总线技术使得自动加工机构ATC的启动快速，而实时工业以太网系统在垂直的透明数据通讯上又有明显优势，因此，近年来网关的出现使得这两种系统可以并存。但是，网关最主要的缺点就是，增加了整个系统的复杂性。这在维护和服务方面都会带来显著的负面影响。
无线设备解决了快速启动的问题，其方式是：通过始终保持通讯，或利用短时通讯建立技术。无线解决方案的优点是，在设备启动和因传输电缆引起的问题（如，由于电缆或连接器的损坏导致的线路断开或短路）期间，都不存在空闲时间。这种方式也能有效节约成本。但是，无线技术无法改变的缺点就是，通讯的安全性以及接口的约束，会导致更高的时间抖动、循环时间、意想不到的问题出现和有限的传输设备数量。因此，无线技术仅适用于：
－ 不可能使用电缆的区域或在乎电缆成本的应用
－ 无线技术的缺点可忽略不计的应用场合

用户的看法
某全球著名的德国汽车制造商目前正在计划其将来的生产线，不得不为带有自动加工机构ATC的智能机器人选择合适的通讯外设。这些机器人在生产线上，最典型的操作就是焊接和夹抓。而对机器人来说，车身的生产节拍是45秒，该时间已经包含了自动加工机构动作切换的时间延迟。这就强调了所使用的通讯部件的重要性。该汽车制造商已经有了明确的方案选择：
－ 需要带有FSU技术的设备，其启动时间需小于500ms；
－ 由于网关的自身缺陷，在整个系统中将不使用；
－ 使用有限的无线设备
德国汽车企业也已经达成统一的共识：将在通讯部件中再实现PROFIsafe和PROFIenergy功能。将来工业通讯系统的使用，对于工人和机械设备来说，安全生产环境是最基本的先决条件，PROFIsafe可以满足其需求。目前，PROFIenergy规范还在制订当中，主要规范能源的有效利用及成本有效控制。

结论
PROFINET IO技术具有小于500ms的启动时间，是带有自动加工机构ATC智能机器人的最佳选择。基于AIDA的选择，及与其它实时工业以太网相比，PROFINET IO所具有的技术优势，PROFINET IO将很快成为ATC系统的标准通讯接口。