下一代現(xiàn)場總線新標準PROFINET

　　工業(yè)以太網(wǎng)是當今工業(yè)通信發(fā)展最為迅速的技術(shù)，PROFINET是真正的實時工業(yè)以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)在各種不同場合的應用，完成各種不同需求的控制任務(wù)。從傳輸協(xié)議角度上，PROFINET將數(shù)據(jù)分為：NRT、RT、和IRT三種不同的類型；從應用角度上，PROFINET分為：CBA和I/O，以此來實現(xiàn)工業(yè)控制的一網(wǎng)到底的革命。

　　PROFINET是一個整體的解決方案，它使用TCP/IP和IT標準，符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時自動化體系。PROFINET能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場總線的無縫集成；更重要的是它在一條電纜中完成所有的事情，IT服務(wù)和TCP/IP開放性沒有任何限制；它可以滿足用于所有客戶需要的統(tǒng)一的通信。現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)場總線國際標準IEC-61158的第10種類型。

PROFINET的性能等級

　　PROFINET用于實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成、一致的自動化解決方案。支持用以太網(wǎng)通信的簡單分散式現(xiàn)場設(shè)備和苛求時間的應用的集成，以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的集成。為完成這一面向各種控制對象的需求，PROFINET在通信方式上根據(jù)通信目的不同而采用3種不同的性能等級：

(1)通過TCP/UDP/IP在標準通道上發(fā)送非苛求時間的數(shù)據(jù)，例如：參數(shù)、組態(tài)數(shù)據(jù)和互連信息。這滿足自動化層與其他網(wǎng)絡(luò)（MES，ERP）的連接需求。

PROFINET使用以太網(wǎng)和TCP/UDP/IP 協(xié)議作為通信基礎(chǔ)。TCP/UDP/IP 是IT領(lǐng)域在通信協(xié)議方面的實際上的標準。TCP/UDP/IP 提供了使以太網(wǎng)設(shè)備能夠通過本地和分布式網(wǎng)絡(luò)的透明通道中進行數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。

(2)對于生產(chǎn)裝備內(nèi)苛求時間的過程數(shù)據(jù)的傳輸，它采用實時通道。作為基于可用控制器的軟件來實現(xiàn)的。

　　在工廠自動化領(lǐng)域，實時應用需要刷新/響應時間范圍在5~10ms 內(nèi)。 經(jīng)驗指出，與設(shè)備中的處理時間相比，快速（100Mbps）或更高速率的以太網(wǎng)線路上的傳輸時間是可以忽略不計的。在提供者的應用中可提供數(shù)據(jù)的時間是不受通信影響的。這就是說，在刷新時間以及實時響應中任何重大的改進可通過發(fā)布者和使用者通信棧的優(yōu)化來達成。PROFINET 中的實時通信通道為了能滿足自動化中的實時要求基于以太網(wǎng)（層2）。該解決方案顯著地減少了通信棧所占用的運行時間，從而提高了過程數(shù)據(jù)刷新速率方面的性能。

　　PROFINET使用快速以太網(wǎng)，快速以太網(wǎng)中已集成全雙工模式切換技術(shù)，并已進行了標準化。通過優(yōu)先級優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸在PROFINET中，不僅最小化了控制器中的通信棧，而且也對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸進行了優(yōu)化。為了能在這些情況下達到一種最佳結(jié)果，在PROFINET中按照IEEE 802.1Q將這些數(shù)據(jù)包區(qū)分優(yōu)先級。設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流則由網(wǎng)絡(luò)組件依據(jù)此優(yōu)先級進行處理。優(yōu)先級6是用于實時數(shù)據(jù)的標準優(yōu)先級，由此也就確保了對其他應用的優(yōu)先級處理。

(3)對于同步應用，PROFINET采用等時同步實時通信，它允許在時鐘速率為1ms時，抖動精度為1ms。

　　實時通道RT解決方案對于運動控制應用還遠遠不夠。運動控制應用要求刷新速率在1ms，100 節(jié)點的連續(xù)循環(huán)的抖動精度為1mm。為了滿足這些需求，PROFINET 在快速以太網(wǎng)的層2 協(xié)議上已定義了時間間隔控制的傳輸方法IRT。通過具備上述精度的參與設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)組件和PROFINET設(shè)備）的時間同步化，可在網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定時間片，在此時間間隔內(nèi)傳輸自動化任務(wù)所必需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通信循環(huán)被分成兩個部分，即：時間確定性部分和開放性部分。循環(huán)的實時報文在時間確定性通道中傳輸，而TCP/IP 報文則在開放性通道中傳輸。等時同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕谟布膶崿F(xiàn)能夠獲得所要求的異常重要的順序精度要求，同時也解放了承擔PROFINET 設(shè)備通信任務(wù)的處理器。這就免除了繁瑣的計算，從而可為自動化任務(wù)提供解決方案。

　　這3種性能等級的PROFINET通信覆蓋了自動化應用的全部范圍。PROFINET 通信標準的特性包括以下方面：

(1)在一根通信線路上同時使用實時通信和基于TCP的IT通信。
(2)標準化的實時協(xié)議適用于所有應用、分布式系統(tǒng)中組件之間的通信以及控制器與分散式現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。
(3)從一般性能到高性能和時間同步的可縮放的實時通信。

PROFINET的優(yōu)勢

　　PROFINET在實現(xiàn)分布式過程中采用基于組件的自動化（CBA），PROFINET組件模型對于具備可編程功能的智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化設(shè)備來說非常理想。組件模型將機器或裝備的自治模塊描述為工藝技術(shù)模塊。基于工藝技術(shù)模塊而開發(fā)的分布式自動化系統(tǒng)簡化了裝備和機器的模塊化設(shè)計，從而顯著地簡化了裝備和機器零部件的重復使用。PROFINET在其他方面的優(yōu)勢如：

(1)Web 功能的集成：Web集成允許在以太網(wǎng)上訪問PROFINET設(shè)備：PROFINET選擇使用已經(jīng)實踐證明的標準技術(shù)如： http, HTML 和XML。通過統(tǒng)一的站點來定義設(shè)備信息、診斷及報告功能，無需工程工具就可以方便查詢并確定差錯。

(2)IT 集成：網(wǎng)絡(luò)管理覆蓋了在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中PROFINET 設(shè)備管理的所有功能。這包括設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)診斷。對于Web集成，PROFINET 采用基于以太網(wǎng)的技術(shù)，而且借助互聯(lián)網(wǎng)的標準技術(shù)可訪問PROFINET 組件。

(3)網(wǎng)絡(luò)拓撲：針對要連網(wǎng)單元的要求而定。PROFINET網(wǎng)絡(luò)拓撲有：星型、線型、樹型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。實際的系統(tǒng)是由混合結(jié)構(gòu)組成，可以用銅纜或光纜實現(xiàn)。

(4)網(wǎng)絡(luò)安裝：PROFINET 網(wǎng)絡(luò)安裝依據(jù)工業(yè)環(huán)境下對以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求給設(shè)備制造商提供清晰的設(shè)備接口規(guī)范和布線要求。“PROFINET 安裝導則”給裝備制造商/操作人員提供以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安裝的簡單規(guī)則。

PROFINET集成現(xiàn)場總線

　　作為下一代的現(xiàn)場總線，PROFINET需要能夠集成許多成熟的正在使用的現(xiàn)場總線。由于IT 技術(shù)的應用，在PROFINET方案中保護投資也起著至關(guān)重要的作用。PROFINET能集成現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（例如INTERBUS、PROFIBUS），且無需修改現(xiàn)有設(shè)備。這就保護了所有投資者的現(xiàn)有投資。PROFINET可以從現(xiàn)有的現(xiàn)場總線解決方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP）到基于以太網(wǎng)的PROFINET的無縫轉(zhuǎn)換。

PROFINET 提供2種集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)的方法：

(1)通過代理服務(wù)器的現(xiàn)場總線設(shè)備集成：在此情況下，代理服務(wù)器代表以太網(wǎng)上較低層的現(xiàn)場設(shè)備。采用代理服務(wù)器方案，PROFINET 提供了從現(xiàn)有設(shè)備到新安裝的設(shè)備之間的全透明轉(zhuǎn)換。

(2)整個現(xiàn)場總線應用的集成：一個現(xiàn)場總線段代表一個自包含的PROFINET 組件，該組件代表的是在較低層操作現(xiàn)場總線（如INTERBUS 、PROFIBUS DP）的PROFINET設(shè)備。由此，較低層現(xiàn)場總線的所有功能以組件的形式保存在代理服務(wù)器內(nèi)。然后這些功能就在以太網(wǎng)上可供使用了。

PROFINET帶來的收益

　　為了滿足所有自動化的需求，PROFINET 還吸納了多年積累的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，從一開始就決定了PROFINET采用開放的標準、現(xiàn)有設(shè)備的簡單處理和集成的定義。PROFINET 持續(xù)不斷的開發(fā)為用戶帶來了長遠的前景。對于用戶來說，采用PROFINET 可降低安裝、工程和投運的成本。對于業(yè)主來說，由于運用了自適應子單元，PROFINET 簡化了裝備擴展并提高了裝備可用性。

　　擁有PROFINET，作為系統(tǒng)和機械制造商：由于自適應的模塊而具有更高的可用性；由于并行地投運，減少了投運時間；可管理的設(shè)備特定的詳細信息提供簡化的診斷，使從設(shè)計到運行更快捷。作為系統(tǒng)集成商：由于從現(xiàn)場級到企業(yè)管理級的開放性標準化的通信，可自由選擇供應商；由于模塊化，可容易地擴展開放的工程系統(tǒng)；由于自適應的子系統(tǒng)，具有高度的系統(tǒng)可用性；通過集成現(xiàn)有的系統(tǒng)和設(shè)備，投資得到了保護；由于采用已認證的設(shè)備而獲得高質(zhì)量標準。

PROFINET已經(jīng)不僅僅是以太網(wǎng)，而是自動化領(lǐng)域的開放的解決方案：

●PROFINET規(guī)定了強大功能，從網(wǎng)絡(luò)安裝到基于web診斷的整個自動化解決方案的實現(xiàn)。
●PROFINET的模塊化結(jié)構(gòu)可非常容易地擴展和包含其他功能。
●PROFINET提供標準化的獨立于制造商的工程接口。它能夠方便地把各個制造商的設(shè)備和組件集成到單一系統(tǒng)中。設(shè)備之間的通信鏈接以圖形形式組態(tài)，無需編程。