PROFINET: 整體的考慮定義了工業(yè)自動(dòng)化 PROFINET: Holistic Thinking Now Defines Industrial Automation Geoff Hodgkinson 在1999年底，當(dāng)初次考慮以太網(wǎng)與PROFIBUS相連接時(shí)，Profibus International最初想在以太網(wǎng)內(nèi)部嵌入一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。但沒(méi)過(guò)多久,人們就意識(shí)到這樣做不論對(duì)開(kāi)放性和有效性都是一條死路。一個(gè)基本的重新評(píng)估產(chǎn)生PROFINET：其中心價(jià)值注重的是“自動(dòng)化解決方案”而不僅僅是“通信”。結(jié)果所帶來(lái)的靈活性使自動(dòng)化策略在速度和范圍上有了根本的改變，每個(gè)用戶(hù)可以自己決定。 在意識(shí)到突然的、量的飛躍是不現(xiàn)實(shí)的之后，Profibus International采用PROFINET來(lái)滿(mǎn)足分散I/O當(dāng)前的要求，這正如未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越趨于方便和完整一樣，例如分散的自動(dòng)化系統(tǒng)將要求面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都是互相融合的，這使PROFINET真正具有開(kāi)放性。特別的是，PROFINET完全與現(xiàn)有的以太網(wǎng)TCP/IP兼容，這意味著它能容易地與更高層IT系統(tǒng)和設(shè)備集成。 還要考慮到擴(kuò)展應(yīng)覆蓋自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)的需求，它需要有很多重要的革新。尤其與用于運(yùn)動(dòng)控制的硬實(shí)時(shí)需求有關(guān)，運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)由新的軟件/硬件解決方案進(jìn)行處理，這個(gè)方案提供了前所未有的實(shí)時(shí)性能，對(duì)于PROFINET來(lái)說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的。今后，PROFINET也將尋求解決方案以滿(mǎn)足機(jī)械安全和過(guò)程自動(dòng)化的需求，雖然目前這兩個(gè)還是公開(kāi)討論的話(huà)題。 最終，PROFINET意識(shí)到基于以太網(wǎng)的解決方案是不會(huì)成功的，除非它能為傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)提供向后兼容的連續(xù)性，從而保護(hù)客戶(hù)的投資。PROFINET提供了簡(jiǎn)單方式的集成現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。它能包容任何現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，而不僅僅是Profibus。將Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線接口與PROFINET集成的工作組近期宣布，已經(jīng)可提供連接DeviceNet系統(tǒng)的第一批產(chǎn)品。 PROFINET具有一套自動(dòng)化功能和服務(wù)，它們都是基于為適合許多應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)。不是所有的功能和服務(wù)必須在任何時(shí)間或所有應(yīng)用中都使用，它們可以搭配組合。隨著自動(dòng)化用戶(hù)的需求不斷增加（尤其在運(yùn)動(dòng)控制中），隨著競(jìng)爭(zhēng)不斷鼓勵(lì)產(chǎn)品的獨(dú)特性以及市場(chǎng)向著分散自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)發(fā)展，這種靈活性在未來(lái)的幾年中將會(huì)越來(lái)越明顯。 PROFINET的核心是三個(gè)通信選擇，覆蓋了從管理層到工廠層的自動(dòng)化范圍：標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP和UDP提供了100ms的典型的循環(huán)時(shí)間，以及所有重要的縱向集成。實(shí)時(shí)性增強(qiáng)的第一階段提供了5-10ms循環(huán)時(shí)間的通信同步。第二階段使用等時(shí)同步技術(shù)，帶來(lái)了響應(yīng)時(shí)間為1ms的通信以及抖動(dòng)為1μs的硬實(shí)時(shí)應(yīng)用。 在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)中使用兩個(gè)通道實(shí)現(xiàn)這三種選擇，這兩個(gè)通道共享帶寬并能獨(dú)立或同時(shí)運(yùn)行。 上圖指出了傳輸標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的PROFINET“開(kāi)放通道”。綠色部分表示有TCP/IP堆棧的以太網(wǎng)物理層。這是一種傳統(tǒng)的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)與辦公室網(wǎng)絡(luò)相同的方式傳輸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（1）。通過(guò)它使PROFINET能被外部系統(tǒng)訪問(wèn)并在縱向集成的企業(yè)結(jié)構(gòu)中向上或向下傳輸數(shù)據(jù)或通過(guò)因特網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。這個(gè)堆棧支持例如HTTP和SNMP的IT功能，它與UDP結(jié)合也用于控制器到控制器（或HMI）和非循環(huán)通信（用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)、診斷和網(wǎng)絡(luò)管理）。 在快速以太網(wǎng)中（100Mbps）,TCP/UDP堆棧傳輸數(shù)據(jù)的速度不能夠滿(mǎn)足典型的生產(chǎn)自動(dòng)化的循環(huán)時(shí)間，即5-10ms。在第一階段，同步化（2）繞過(guò)了堆棧，縮短了用于分散自動(dòng)化和控制（包括設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）的過(guò)程時(shí)間。這就提供了與當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)同樣的性能，并通過(guò)事件控制功能包含數(shù)據(jù)循環(huán)和高性能傳輸。通過(guò)消除TCP/IP層提供了控制數(shù)據(jù)量的快速跟蹤功能，這和在快速通道上的專(zhuān)門(mén)總線路徑相類(lèi)似。標(biāo)準(zhǔn)化的Quality of Service參數(shù)用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的優(yōu)先次序。 硬實(shí)時(shí) 在更加嚴(yán)酷的自動(dòng)化環(huán)境中，尤其在高端運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中,要求1ms的循環(huán)時(shí)間和1μs的抖動(dòng)時(shí)間，這需要附加通信的支持。PROFINET引用了IRT概念，即等時(shí)同步實(shí)時(shí)（3）（Isochronous Real Time），它作為可選的第二個(gè)通信通道與開(kāi)放的通道共存。等時(shí)同步是指在每個(gè)周期中每個(gè)以太網(wǎng)幀執(zhí)行的功能應(yīng)該精確地同時(shí)發(fā)生。這要求準(zhǔn)確的同步性，如果系統(tǒng)要處理多個(gè)參與者的話(huà)，需要非常準(zhǔn)確地控制多種同步化的數(shù)據(jù)流。 IRT與開(kāi)放的通道將以太網(wǎng)幀分割成兩個(gè)段，它們共享帶寬。時(shí)間片段系統(tǒng)將IRT通道分解成固定的時(shí)間槽，每個(gè)都代表一個(gè)終端設(shè)備。上圖就說(shuō)明了這點(diǎn)，而其下的表格則指出了IRT通道的能力是如何取決于周期時(shí)間的。一個(gè)IRT循環(huán)周期時(shí)間為1ms的PROFINET系統(tǒng)，使用50/50的帶寬劃分來(lái)處理150個(gè)設(shè)備（即運(yùn)動(dòng)控制軸）。 現(xiàn)有的以太網(wǎng)切換技術(shù)不支持IRT的時(shí)間分割技術(shù)，因此它需要專(zhuān)用的硬件支持。目前正在開(kāi)發(fā)兩種新的嵌入式以太網(wǎng)芯片切換器。 嵌入式IRT切換器 高端運(yùn)動(dòng)控制的市場(chǎng)可以分為兩個(gè)部分——強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。因此可以設(shè)想兩種IRT切換器：用于運(yùn)動(dòng)控制器的4端口切換器和用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的2端口切換器。下圖指出了它們是如何使用的。每種類(lèi)型都在芯片的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)控制器或其它設(shè)備（例如HMI）橫向通信或向上通信時(shí)，需要使用4端口的切換器。由于這種端口的價(jià)格不是太大的問(wèn)題，因此它通常作為子模塊安裝在控制器上。對(duì)于價(jià)格更低廉的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可以將2端口的芯片嵌入在設(shè)備本身即可。 這兩種芯片稱(chēng)為ERTEC 400（4端口切換器，在2004年第3季度推出樣品）和ERTEC 200（2端口切換器，有望在明年5月問(wèn)世）。它們通過(guò)響應(yīng)IRT通道的時(shí)間分割技術(shù)，保證系統(tǒng)在精確的時(shí)間被連接，以便在指定的設(shè)備之間傳輸報(bào)文。通過(guò)簡(jiǎn)單的切換，數(shù)據(jù)就能傳輸給系統(tǒng)中指定的另外一個(gè)接收者。這兩種類(lèi)型都支持通常的以太網(wǎng)切換功能，它們?nèi)〈艘蕴W(wǎng)的外部切換器，可以方便地創(chuàng)建復(fù)雜的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。上圖右側(cè)的環(huán)型連接描述了如何創(chuàng)造冗余子網(wǎng)絡(luò)。 ERTEC200包括以太網(wǎng)物理層，其價(jià)格相當(dāng)?shù)?，足以嵌入到一個(gè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。ERTEC400將不包括以太網(wǎng)物理層，在運(yùn)動(dòng)控制器中可能作為PCI子系統(tǒng)連接。Siemens和NEC Electronics都已經(jīng)公布了這兩種產(chǎn)品。由于成本的降低，這兩種ERTEC切換器將會(huì)在其它產(chǎn)品中出現(xiàn)。 市場(chǎng)目標(biāo) 對(duì)于PROFINET有兩個(gè)主要的市場(chǎng)——分散控制和分散自動(dòng)化。前者由目前傳統(tǒng)的自動(dòng)化觀念所驅(qū)動(dòng)，可能會(huì)有一個(gè)和PROFIBUS DP類(lèi)似的傳統(tǒng)解決方案。由于自動(dòng)化系統(tǒng)中各個(gè)單獨(dú)的部件級(jí)聯(lián)到單個(gè)生產(chǎn)單位（如噴涂生產(chǎn)線可能將包括清洗站、噴涂站、烘烤、冷卻和干燥，每個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)都有自己的遠(yuǎn)程I/O和一個(gè)或多個(gè)控制器），后者將得到相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。目前，只有少數(shù)的企業(yè)采用這種自動(dòng)化的方式（例如機(jī)床），而更多的最終用戶(hù)（尤其在汽車(chē)工業(yè)）將朝著這一方向發(fā)展。PROFINET支持這兩種情況，分散控制的解決方案在未來(lái)的一段時(shí)間將處于領(lǐng)先地位。 分散控制的解決方案是PROFINET I/O，它提供了類(lèi)似與PROFIBUS DP的分散I/O的解決方案，而且它還具有工業(yè)以太網(wǎng)的好處。本質(zhì)上，它將提供和傳統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O塊同樣的I/O功能，因此能夠長(zhǎng)期地保證生產(chǎn)商的投資。然而，它將涉及一些問(wèn)題，例如不同的通信結(jié)構(gòu)、新的組態(tài)/維護(hù)工具，因此它牽涉到對(duì)最終用戶(hù)的培訓(xùn)以及庫(kù)存管理等問(wèn)題。 和PROFIBUS一樣，每個(gè)PROFINET I/O設(shè)備都將分配一個(gè)ID號(hào)并具有組態(tài)文件（類(lèi)似GSD）。這個(gè)文件叫GSDML，在XML中。GSDML文件定義了控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的應(yīng)用關(guān)系，允許基于PROFINET標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)通信選擇來(lái)建立通信關(guān)系。在安裝期間使用UDP，一旦完成，使用第一階段同步方案，數(shù)據(jù)將在控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間循環(huán)地傳輸。 分散的自動(dòng)化系統(tǒng)是PROFINET的主要?jiǎng)恿χ弧；诙嗄陙?lái)用于計(jì)算機(jī)行業(yè)中面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，PROFINET把自動(dòng)化模塊看作大型系統(tǒng)的一個(gè)“對(duì)象”或是“部件”。但是，通過(guò)將每個(gè)部件描述成具有一套輸入和輸出的功能塊，PROFINET簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)世界中對(duì)象的概念。這很適合現(xiàn)實(shí)的自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用中功能的本質(zhì)。例如在噴涂生產(chǎn)線中，清洗系統(tǒng)首先完成它的任務(wù)，然后以機(jī)械方式將產(chǎn)品推向涂漆池，在噴涂作業(yè)時(shí)，它發(fā)出噴涂信號(hào)?！皺C(jī)械、電氣和控制”的混合意味著模塊化的解決方案使事情對(duì)于OEM和用戶(hù)來(lái)說(shuō)變得簡(jiǎn)單。對(duì)于OEM，它意味著不同的機(jī)器和系統(tǒng)能使用同樣的母“部件”，唯一不同的就是它們?nèi)绾芜B接。 PROFINET將不同的自動(dòng)化模塊之間的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，允許運(yùn)用通用的工程工具將自動(dòng)化模塊簡(jiǎn)易地連接。使用XML就是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的編程方式允許從資源庫(kù)中拷貝功能塊，并將功能塊放置在基于PC的Connection Editor中，可以象PCB互聯(lián)一樣地進(jìn)行組態(tài)。應(yīng)用CAD軟件可以很好地剪切設(shè)計(jì)、組態(tài)和投運(yùn)，尤其在需要考慮可重新使用的因素時(shí)。此外，這不需要具有通信知識(shí)，因?yàn)樗[藏了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，而且通信關(guān)系是自動(dòng)執(zhí)行的。 為了支持這個(gè)概念，對(duì)每個(gè)自動(dòng)化的功能塊都附有基于XML的PCD（PROFINET部件描述）文檔，其中包括所使用的硬件和軟件的描述。一旦完成組態(tài)，PROFINET程序就通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到硬件中并開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)屏幕的診斷可以方便地確定出錯(cuò)的位置。有了DCOM和RPC（遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用）的附加幫助，PROFINET開(kāi)放通道的通信可用于典型的基于部件的系統(tǒng)中。 與企業(yè)結(jié)合 基于以太網(wǎng)TCP/IP意味著PROFINET系統(tǒng)對(duì)于IT領(lǐng)域完全開(kāi)放，也許更重要的是對(duì)于因特網(wǎng)以及基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)和工具開(kāi)放。例如，它能使用DHCP（分布式主機(jī)配置協(xié)議）自動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)中的從站分配地址。SNMP可以用于網(wǎng)絡(luò)管理，允許對(duì)每個(gè)連接的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)，并遠(yuǎn)程地檢查狀態(tài)和診斷信息。 在PROFINET中定義網(wǎng)絡(luò)集成，允許使用通用的瀏覽器進(jìn)行投運(yùn)、診斷和維護(hù)。更進(jìn)一步地協(xié)助與IT的集成就是把OPC作為通用接口用于提取數(shù)據(jù)。PROFINET定義了數(shù)據(jù)是如何在不同類(lèi)型的激活設(shè)備中出現(xiàn)的。由OPC創(chuàng)建的跨現(xiàn)場(chǎng)總線分割的OPC DX（OPC數(shù)據(jù)交換）也用于PROFINET。 對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)的影響 除了一些重疊的領(lǐng)域，在一段時(shí)間內(nèi)，PROFINET要取代PROFIBUS是完全不可能的事情。市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將在2010年。原因很實(shí)際。即使以太網(wǎng)的誘惑力再大，用戶(hù)也不可能放棄已經(jīng)在使用中的PROFIBUS系統(tǒng)。另外，現(xiàn)場(chǎng)總線將在未來(lái)的許多年中繼續(xù)滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，尤其在一些專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域例如機(jī)器安全和過(guò)程控制。市場(chǎng)調(diào)查顯示在未來(lái)四年中PROFIBUS的安裝節(jié)點(diǎn)將從1千萬(wàn)翻倍到2千萬(wàn)。最終，PROFINET的成本要低于PROFIBUS還是需要一段時(shí)間的。 但是，逐步地轉(zhuǎn)到基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化解決方案的這一趨勢(shì)是不可避免的，因此，現(xiàn)有的系統(tǒng)和技術(shù)能簡(jiǎn)單地與PROFINET結(jié)構(gòu)集成，這點(diǎn)非常重要。已承認(rèn)的有兩種解決方案—用代理服務(wù)器或基于部件。 基于部件的解決方案已經(jīng)描述過(guò)了。但是代理服務(wù)器的解決方案對(duì)于PROFINET是獨(dú)一無(wú)二和值得關(guān)注的：它可以包含任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議?；旧?，一個(gè)代理服務(wù)器是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和PROFINET之間的網(wǎng)關(guān)。一半的設(shè)備面向的是PROFIBUS的世界（如PROFIBUS主站），而另一半的設(shè)備面向的是PROFINET世界。這兩個(gè)“世界”之間的透明通信允許代理服務(wù)器在以太網(wǎng)上代替從站設(shè)備。對(duì)于協(xié)議不要求有隧道，這使通信象純粹的PROFINET系統(tǒng)一樣有效率。 代理服務(wù)器技術(shù)可以與直接連接的系統(tǒng)和基于部件的子網(wǎng)絡(luò)一起使用。代理服務(wù)器的解決方案能靈活地適應(yīng)任何現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，這意味著如果最終用戶(hù)要使設(shè)備移植到以太網(wǎng)的話(huà)，可以選擇PROFINET實(shí)現(xiàn)這個(gè)自動(dòng)化的解決方案，而不用顧及正在使用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。歐洲主要的汽車(chē)生產(chǎn)商一直呼吁工廠中統(tǒng)一的以太網(wǎng)解決方案，從這點(diǎn)看來(lái)，PROFINET能很好地滿(mǎn)足他們的要求。 但是，PROFINET具有一些強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。包含三個(gè)部分的通信解決方案為創(chuàng)新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了有利的機(jī)會(huì)。IRT實(shí)時(shí)能力在自動(dòng)化世界中有沖擊性的效應(yīng)，尤其是它的新穎的切換技術(shù)。基于XML的工程能力保證了通用的支持。分散的自動(dòng)化部件的解決方案保證了安全的發(fā)展方向。TCP/IP兼容性意味著使集成更加開(kāi)放、工廠管理更為簡(jiǎn)單并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的工具和通用平臺(tái)降低成本。另外，代理服務(wù)器的概念已經(jīng)證明其關(guān)聯(lián)性，實(shí)際上，PROFINET的“包容而不是替代”其它現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的能力是關(guān)鍵的因素。