PROFINET自動(dòng)化通信技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用研究

PROFINET技術(shù)的出現(xiàn)將為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域提供一種全新的通信解決方案，即整個(gè)工廠全部使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，并且滿足用戶通信實(shí)時(shí)性和確定性的要求。

圖1 PROFINET解決方案提供基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)

PROFINET由PROFIBUS國(guó)際組織（PROFIBUS International）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)。PROFINET解決方案囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并且完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS）技術(shù)。因此，PROFINET技術(shù)的出現(xiàn)將為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域提供一種全新的通信解決方案，即整個(gè)工廠全部使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起。

1、需求的轉(zhuǎn)變

過去的十幾年間，在工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化領(lǐng)域中，現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信系統(tǒng)中的主流解決方案。不過，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線越來越多地表現(xiàn)出了其本身的局限性。一方面，隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能程度的不斷提高，控制變得越來越分散，分布在工廠各處的智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備和工廠控制層之間需要連續(xù)地交換控制數(shù)據(jù)，這使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換量飛速增長(zhǎng)；另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)希望能夠?qū)⒌讓拥纳a(chǎn)信息整合到統(tǒng)一的全廠信息管理系統(tǒng)中，于是，企業(yè)的信息管理系統(tǒng)需要讀取現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)和維護(hù)，因此，縱向一致性也成為熱門的話題，用戶希望管理層和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動(dòng)化技術(shù)兼容的通信方案，這樣可以大大簡(jiǎn)化工廠控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約系統(tǒng)實(shí)施和維護(hù)的成本。

圖2 PROFINET適用于工廠的各種實(shí)時(shí)要求

基于這樣的需求，以太網(wǎng)技術(shù)開始逐漸從工廠和企業(yè)的信息管理層向底層滲透，以太網(wǎng)技術(shù)開始廣泛地應(yīng)用于工廠的控制級(jí)通信。在自動(dòng)化世界中使用以太網(wǎng)解決方案有幾方面顯著的優(yōu)勢(shì)：統(tǒng)一的架構(gòu)、集成的通信以及強(qiáng)大的服務(wù)和診斷功能。從目前工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的情況來看，以太網(wǎng)技術(shù)取代現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2、面對(duì)實(shí)時(shí)通信的挑戰(zhàn)

不過，將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工廠的生產(chǎn)控制過程中并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的移植過程。在將以太網(wǎng)技術(shù)引入到控制級(jí)通信的過程中，為了滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的特殊需求，如現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可靠性等要求，必須對(duì)普通的辦公室以太網(wǎng)做出調(diào)整和補(bǔ)充，以保證以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可靠性，即我們常說的工業(yè)以太網(wǎng)。目前，在控制級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)解決方案已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和接受，企業(yè)和工廠也充分享受到了高性能通信網(wǎng)絡(luò)帶來的便利和收益。盡管如此，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在向最底層的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)滲透時(shí)遇到了難以克服的障礙——通信的實(shí)時(shí)性和確定性。

與普通的辦公室網(wǎng)絡(luò)和控制級(jí)的工業(yè)以太網(wǎng)不同，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)耐际枪I(yè)現(xiàn)場(chǎng)的I/O信號(hào)以及控制信號(hào)，從控制安全的角度來說，系統(tǒng)對(duì)這些來自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的I/O信號(hào)要能夠及時(shí)獲取，并及時(shí)做出響應(yīng)，將控制信號(hào)及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞到相應(yīng)的動(dòng)作單元中，因此，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信的實(shí)時(shí)性和確定性有極高的要求。這也正是普通的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)中難以和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)抗衡的重要原因。

3、支持三種通信方式

在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)中，傳輸時(shí)間是十分重要的衡量因素。為了保證通信的實(shí)時(shí)性，需要對(duì)信號(hào)的傳輸時(shí)間做精確的計(jì)算。當(dāng)然，不同的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有不同的要求，在衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的時(shí)候，一般用響應(yīng)時(shí)間作為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的標(biāo)尺。

根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的不同，PROFINET支持下列三種通信方式：

1）、TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信

PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP 是IT 領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時(shí)間大概在100 ms的量級(jí)，不過對(duì)于工廠控制級(jí)的應(yīng)用來說，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)足夠了。

2）、實(shí)時(shí)（RT）通信

對(duì)于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求更為嚴(yán)格，因此，PROFINET提供了一個(gè)優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層（Layer 2）的實(shí)時(shí)通信通道，通過該實(shí)時(shí)通道可極大地減少數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時(shí)間。PROFINET實(shí)時(shí)通信的典型響應(yīng)時(shí)間是5～10ms

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也包含在網(wǎng)絡(luò)的同步過程之中，即交換機(jī)。同步的交換機(jī)在PROFINET概念中占有十分重要的位置。在傳統(tǒng)的交換機(jī)中，要傳遞的信息必定在交換機(jī)中延遲一段時(shí)間，直到交換機(jī)翻譯出信息的目的地址并轉(zhuǎn)發(fā)該信息為止。這種基于地址的信息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間產(chǎn)生不利的影響。為了解決這個(gè)問題，PROFINET在實(shí)時(shí)通道中使用一種優(yōu)化的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

3）、等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）通信

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求最高的是運(yùn)動(dòng)控制，PROFINET的等時(shí)同步實(shí)時(shí)技術(shù)可以滿足運(yùn)動(dòng)控制的高速通信需求，在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，其響應(yīng)時(shí)間要小于1ms，抖動(dòng)誤差要小于1ms，以此來保證及時(shí)的、確定的響應(yīng)。

4 保障同步實(shí)時(shí)

對(duì)于PROFINET ，為了保證高質(zhì)量的等時(shí)通信，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須很好地實(shí)現(xiàn)同步，這樣才能保證數(shù)據(jù)在精確相等的時(shí)間間隔內(nèi)被傳輸，網(wǎng)絡(luò)上的所有站點(diǎn)必須通過精確的時(shí)鐘同步以實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。例如：通過規(guī)律的同步數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信循環(huán)的同步，其精度可以達(dá)到微秒級(jí)。這個(gè)同步過程可以精確記錄其所控制的系統(tǒng)的所有時(shí)間參數(shù)，因此能夠在每個(gè)循環(huán)的開始實(shí)現(xiàn)非常精確的時(shí)間同步。這么高的同步水平單純靠軟件是無法實(shí)現(xiàn)的，想要獲得這么高精度的同步實(shí)時(shí)，必須依靠網(wǎng)絡(luò)第二層中硬件的支持，即西門子IRT等時(shí)實(shí)時(shí)ASIC芯片。

每個(gè)通信周期被分成兩個(gè)不同的部分，一個(gè)是循環(huán)的、確定的部分，被稱之為“實(shí)時(shí)通道”；另外一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)通道，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)通過這個(gè)通道傳輸。

實(shí)時(shí)通道為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時(shí)間窗，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總是按固定的次序插入，因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時(shí)間用來傳遞標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。這樣，兩種不同類型的數(shù)據(jù)就可以同時(shí)在PROFINET上傳遞，而且不會(huì)互相干擾，實(shí)現(xiàn)了PROFINET技術(shù)對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)的兼容?；谄胀ㄒ蕴W(wǎng)技術(shù)的各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，如SNMP、HTML等，也同樣可以在PROFINET上運(yùn)行。用戶在獲得高性能實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，還可以享受以太網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)帶來的便利。

圖3 循環(huán)周期分為實(shí)時(shí)通道和開放通道

由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在確定的時(shí)刻以確定的順序發(fā)送，因此，在交換機(jī)中建立一個(gè)時(shí)間表格，通過該時(shí)間表格，交換機(jī)就可以知道在什么時(shí)間來傳送實(shí)時(shí)信息，信息的轉(zhuǎn)發(fā)幾乎沒有延時(shí)。如果有發(fā)生沖突的危險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP信息就暫時(shí)保存在交換機(jī)中，在下一個(gè)開放通信周期再發(fā)送。這種機(jī)制很好地保證了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。例如：使用PROFINET構(gòu)建的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)可以在1ms的時(shí)間周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)100多個(gè)軸的控制，其抖動(dòng)誤差小于1ms，可以很好地滿足運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通信實(shí)時(shí)性的要求。

5、開放的協(xié)議走向未來

作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的重要組成部分，PROFINET是完全開放的協(xié)議，而且PROFINET和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)完全兼容，集成IRT功能的交換機(jī)和一個(gè)普通交換機(jī)在平時(shí)工作起來是完全一樣的，也就是說，IRT交換機(jī)可以和普通交換機(jī)一樣使用，即使在使用實(shí)時(shí)通道時(shí)，它同樣可以在它的開放通道使用其他標(biāo)準(zhǔn)功能，所以，根據(jù)環(huán)境的需求，自動(dòng)化組件之間可以通過相同網(wǎng)絡(luò)、相同的連接建立不同的通信鏈路，為用戶的使用提供了極大的方便。

PROFINET基于以太網(wǎng)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)時(shí)的自動(dòng)化通信技術(shù)，能夠與現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)PROFIBUS等無縫地集成，能連接更多的站點(diǎn)，可用于運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，使用工業(yè)局域網(wǎng)進(jìn)行無線通信，且便于擴(kuò)大規(guī)模和擴(kuò)大新的應(yīng)用領(lǐng)域?？傊琍ROFINET是基于以太網(wǎng)的完整解決方案。PROFIBUS國(guó)際組織主席Edgar Kuster先生認(rèn)為這一技術(shù)將在市場(chǎng)上保持至少15年的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。