PROFINET——完整的网络解决方案

显示全部楼层 · 2007-4-20 18:21:00

李凯先生，西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团工业通信网络产品经理。
　　
　　关键词：PROFInet　现场总线　工业以太网
　　
　　　　PROFInet由Profibus国际组织(Profibus International, PI)推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性技术创新，PROFInet为自动化通信领域提供了一个完整网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并作为跨供应商的技术，可完全兼容工业以太网和现有现场总线(如Profibus)技术，保护现有投资。
　　
　　一工业自动化技术的发展
　　
　　　　工业自动化最根本目的是提高生产力、降低成本、为工厂创造更大效益。近几十年来，自动化技术的不断进步和发展已彻底改变了传统工厂的面貌，越来越多的工作由机器设备完成，智能控制器(如PLC)代替了生产线上忙碌的工人，生产率得到几十倍甚至上百倍提高。工厂效益的提高对自动化控制系统的依赖程度也越来越大，自动化控制系统水平成为决定工厂效益的一个重要因素。
　　　　近十几年中，随着计算机技术的发展成熟，设备智能化程度越来越高，工业自动化控制系统分散程度也随之提高，工业通信技术在自动化系统中扮演的角色变得越来越重要，并逐渐成为决定系统性能的关键因素。
　　　　过去十几年中，现场总线是工厂自动化和过程自动化领域中现场级通信系统的主流解决方案。但随着自动化控制系统的不断进步和发展，传统现场总线技术已难以满足用户不断增长需求。一方面随着现场设备智能程度的提高，控制变得越来越分散，分布在工厂各处的智能设备与工厂控制层之间需不断交换控制数据，导致现场设备间数据交换量飞速增长；另一方面随着企业信息化程度提高，用户希望将底层生产数据整合到全厂信息管理系统中，并在信息管理级实现对生产现场的远程服务和维护，这样企业信息管理系统需获取生产现场的数据，所以客户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通信解决方案。
　　　　基于这种需求，以太网技术开始逐渐从工厂和企业信息管理层向底层渗透，广泛应用于工厂控制级通信。在自动化世界中使用以太网解决方案显著优势：统一架构、集成通信以及强大服务和诊断功能。从目前工业自动化控制领域情况来看，以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势。
　　　　不过以太网技术在工厂控制系统中的应用并不是一个简单移植过程，既要保持普通以太网技术的优势，又须解决工业现场应用中的一些问题，如实时性、运动控制、故障安全和网络安全等，同时还需兼容现有工业以太网和现场总线通信系统。在这样的背景下，PI适时推出PROFInet，很好解决了以太网技术向底层扩展的问题，实现工厂通信系统的纵向统一。
　　
　　二 PROFInet结构和功能
　　
　　　　作为完整、先进的工业通信解决方案，PROFInet包括8个主要功能模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和网络安全、故障安全和过程自动化。结构示意如图1。
　　

　　　　下面分别介绍各功能模块概念和功能，以建立PROFInet整体概念。
　　　　(1)PROFInet实时通信
　　　　为保证通信实时性，需对信号传输时间做精确计算。当然，不同现场应用对通信系统实时性有不同要求，在衡量系统实时性时，使用响应时间作为一个标尺。根据响应时间不同，PROFInet支持3种通信方式：
　　　　(a)TCP/IP标准通信
　　　　PROFInet基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准，其响应时间大概在100ms量级，对于工厂控制级应用来说，这个响应时间足够。
　　　　(b)实时(RT)通信
　　　　对于传感器和执行器设备间数据交换，系统对响应时间要求更为严格，需5～10ms。目前，可使用现场总线技术达到，如Profibus-DP。
　　　　对于基于TCP/IP的工业以太网技术，使用标准通信栈来处理过程数据包需要很可观的时间，因此，PROFInet提供一个优化的、基于以太网第二层(Layer 2)的实时通信通道，通过该通道，极大减少了数据在通信栈中的处理时间。因此PROFInet获得等同甚至超过传统现场总线系统的实时性能。
　　　　(c)同步实时(IRT)通信
　　　　在现场级通信中，对通信实时性要求最高的是运动控制。伺服运动控制对通信网络提出极高要求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1µs，以保证及时、确定的响应。
　　

　　　　如图2，PROFInet使用同步实时(Isoc h *ronous Real-Time, IRT)技术来满足如此苛刻的响应时间。为保证高质量等时通信，所有网络节点须很好实现同步，才能保证数据在精确相等时间间隔内被传输，网络上所有站点须通过精确时钟同步以实现同步实时。通过规律的同步数据，其通信循环同步的精确度可达到µs级。该同步过程可精确记录其所控制系统的所有时间参数，因此能在每个循环开始实现非常精确的时间同步。这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子IRT同步实时ASIC芯片。
　　　　(2)PROFInet分布式现场设备
　　

　　　　通过集成PROFInet接口，分布式现场设备可直接连接到PROFInet上，如图3。以ET200系列分布式I/O为例，集成PROFInet接口，可实现现场分布式I/O与PROFInet的通信。除ET200外，其他设备如PLC和驱动设备等也可提供PROFInet与其他设备的通信。
　　　　对于现有现场总线通信系统，可通过代理服务器实现与PROFInet的透明连接。如通过IE/PB Link(PROFInet和Profibus间的代理服务器)可将一个Profibus网络透明地集成到PROFInet中，Profibus各种丰富的设备诊断功能同样也适用于PROFInet。对于其他类型现场总线，可通过同样的方式，使用一个代理服务器将现场总线网络接入到PROFInet中。
　　　　(3)PROFInet运动控制
　　

　　　　通过inet的同步实时(IRT)功能，可轻松实现对伺服运动控制系统的控制。在PROFInet同步实时通信中，每个通信周期被分成两个不同部分：一个是循环的、确定的部分，称为实时通道；另一个是开放通道，标准TCP/IP数据通过这个通道传输。如图4，实时通道中为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗，而实时数据总是按固定次序插入，因此实时数据就在固定间隔被传送，循环周期中剩余时间用来传递标准TCP/IP数据。两种不同类型数据就可同时在PROFInet上传递，且不会互相干扰。通过独立实时数据通道，保证对伺服运动系统的可靠控制。
　　　　(4)PROFInet与分布式自动化
　　　　随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统分散程度也越来越高。工业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演进。因此基于组件的自动化(Component Based Automation，CBA)成为新兴趋势。工厂中相关机械部件、电气/电子部件和应用软件等具有独立工作能力的工艺模块抽象成为一个封装好的组件，各组件间使用PROFInet连接。通过SIMATIC iMap软件用图形化组态方式实现各组件间通信配置，不需另外编程，大大简化系统配置及调试过程。
　　　　(5)PROFInet网络安装
　　　　PROFInet支持星型、总线型和环型拓扑结构。为减少布线费用并保证高度可用性和灵活性，PROFInet提供大量工具帮助用户方便实现安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并在PROFInet框架内形成标准化，保证不同制造商设备间的兼容性。
　　　　(6)PROFInet IT标准与网络安全
　　　　PROFInet一个重要特征是可同时传递实时数据和标准TCP/IP数据。在其传递TCP/IP数据的公共通道中，各种业已验证的IT技术都可使用(如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)。在使用PROFInet时，可使用这些IT标准服务加强对整个网络的管理和维护，可节省调试和维护成本。
　　　　PROFInet实现从现场级到管理层的纵向通信集成，一方面方便管理层获取现场级数据，另一方面原本在管理层存在的数据安全性问题也延伸到了现场级。为保证现场级控制数据安全，PROFI-net提供特有安全机制，通过使用专用安全模块，可保护自动化控制系统，使自动化通信网络安全风险最小化。
　　　　(7)PROFInet故障安全
　　　　在过程自动化领域中，故障安全是相当重要的概念。所谓故障安全，即指当系统发生故障或出现致命错误时，系统能恢复到安全状态(即“零态”)，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。这里，安全有两方面含义：一方面是指操作人员的安全，另一方面指整个系统的安全，因为在过程自动化领域中系统出现故障或致命错误时很可能会导致整个系统的爆炸或毁坏。
　　　　PROFInet集成了PROFISafe行规，实现IEC61508中规定的SIL3等级的故障安全，保证了整个系统安全。
　　　　(8)PROFInet与过程自动化
　　

　　　　PROFInet不仅可用于工厂自动化场合，也同时可面对过程自动化的应用，如图5。通过代理服务器技术，PROFInet可无缝集成现场总线Profibus和其他总线。工业界针对工业以太网总线供电，及以太网应用在本质安全区域问题的讨论正在形成标准或解决方案。Profibus国际组织计划在2006年提出PROFInet进入过程自动化现场级应用方案。
　　
　　三面向未来
　　
　　　　作为国际标准IEC61158重要组成部分，PROFInet完全开放，Profibus国际组织成员公司在2004年汉诺威展览会上推出大量带有PROFInet接口的设备，为PROFInet技术的推广和普及起到积极作用。
　　　　借助于实时通信技术，PROFInet可直接应用于底层的现场级通信(包括运动控制)，由此也实现全厂通信网络的纵向统一，管理层可方便地将现场生产数据集成到企业信息处理系统中，为MES和ERP系统的应用打下基础；基于组件的自动化(CBA)将自动化系统的构建简化为不同功能工艺模块间的连接，大大降低系统构建成本；IT标准和网络安全使用户在现场通信网络中放心享受IT技术带来的便利；集成的故障安全功能保证了系统可靠性，为PROFInet在过程自动化领域中的应用奠定了良好基础。
　　　　相信，随着时间流逝，作为面向未来的新一代工业通信网络标准，PROFInet必将为工厂自动化控制系统带来更大收益和便利。

xuliang987 · 2007-5-22 20:45:00

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