下一代现场总线新标准PROFINET

作者：南京菲尼克斯电气有限公司 刘朝晖

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 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。 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。PROFINET能够实现与现场总线的无缝集成；更重要的是它在一条电缆中完成所有的事情，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。现在已经成为现场总线国际标准IEC-61158的第10种类型。 PROFINET的性能等级 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种不同的性能等级： (1)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他网络（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实际上的标准。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。 (2)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。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 中的实时通信通道为了能满足自动化中的实时要求基于以太网（层2）。该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是用于实时数据的标准优先级，由此也就确保了对其他应用的优先级处理。 (3)对于同步应用，PROFINET采用等时同步实时通信，它允许在时钟速率为1ms时，抖动精度为1ms。 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1mm。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。这就免除了繁琐的计算，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： (1)在一根通信线路上同时使用实时通信和基于TCP的IT通信。 (2)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。 (3)从一般性能到高性能和时间同步的可缩放的实时通信。 PROFINET的优势 PROFINET在实现分布式过程中采用基于组件的自动化（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。PROFINET在其他方面的优势如： (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4)网络安装：PROFINET 网络安装依据工业环境下对以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。 PROFINET集成现场总线 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： (1)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。 (2)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（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。 PROFINET带来的收益 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优势，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，由于运用了自适应子单元，PROFINET 简化了装备扩展并提高了装备可用性。 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已经不仅仅是以太网，而是自动化领域的开放的解决方案： ●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。 ●PROFINET的模块化结构可非常容易地扩展和包含其他功能。 ●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。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/11/2006)