摘要：本文介紹了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中突出需要解決的問(wèn)題和相應(yīng)的解決方案，詳細(xì)介紹了PROFINET IO FSU技術(shù)及其亮點(diǎn)，并成為德國(guó)汽車制造商自動(dòng)化發(fā)起者聯(lián)盟的基本通訊標(biāo)準(zhǔn)。 1、介紹 隨著實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，受益的行業(yè)也越來(lái)越多。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊最大的亮點(diǎn)就在于，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)提供大規(guī)模的數(shù)據(jù)量傳輸、垂直的透明數(shù)據(jù)通訊，以及可以與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)系統(tǒng)互訪、共存。 PROFINET以其靈活性、魯棒性、快速性等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用可以覆蓋整個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域，能夠滿足所有的自動(dòng)化需求。PROFINET與其它實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)相比，具有更好的特性，如：能夠更靈活地替代傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，更能適應(yīng)新的挑戰(zhàn)?；?0多年成功經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)訣竅，PROFINET技術(shù)迅速發(fā)展，并且已經(jīng)成為接下去十年最重要的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)之一。 PROFINET IO特有的快速啟動(dòng)（FSU，F(xiàn)ast Start Up）技術(shù)，使其IO從站設(shè)備在上電后就能立即與主站進(jìn)行過(guò)程數(shù)據(jù)交換，該功能在工廠自動(dòng)化的某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合是至關(guān)重要的。本文從開(kāi)發(fā)到應(yīng)用的不同角度，描述了FSU技術(shù)。 2、問(wèn)題和解決辦法 在過(guò)去的十年中，工業(yè)機(jī)器人在工廠全方位自動(dòng)化中的重要性越顯突出和重要。特別是智能機(jī)器人在工廠中的應(yīng)用，不僅使其產(chǎn)品線更具靈活性，而且大大減少了每個(gè)車間設(shè)備的數(shù)量，這就在很大程度上減少了設(shè)備成本和廠房空間。在一個(gè)好的生產(chǎn)計(jì)劃下，帶自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)的智能機(jī)器人其快速且精準(zhǔn)的動(dòng)作，不僅可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)也能有效的提供生產(chǎn)效率。當(dāng)產(chǎn)品必須在生產(chǎn)線上一分鐘之內(nèi)就加工完成，那么就需要機(jī)器人的動(dòng)作能越快越好，且精度也要保持良好，這時(shí)，自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)的每個(gè)動(dòng)作延遲也都要最小化。在此情形下，如果所有的IO外設(shè)都能與PLC進(jìn)行準(zhǔn)確的過(guò)程數(shù)據(jù)交換，那么機(jī)器人自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)的動(dòng)作指令就能做到快而準(zhǔn)。這就意味著，建立自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)與PLC之間的通訊所需要的時(shí)間，很大程度的影響著生產(chǎn)效率。 2004年，德國(guó)汽車制造商自動(dòng)化發(fā)起者聯(lián)盟AIDA決定使用PROFINET IO作為工廠自動(dòng)化的基本通訊標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)時(shí)，所有實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)都面臨一個(gè)問(wèn)題，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相比，其啟動(dòng)時(shí)間都比較慢。這些實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的啟動(dòng)時(shí)間都在幾個(gè)秒的時(shí)間范圍，這就很大程度的影響了帶實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口及自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)ATC的智能機(jī)器人在生產(chǎn)線上的應(yīng)用。 基于實(shí)際的生產(chǎn)需求，汽車生產(chǎn)企業(yè)也在不斷地推動(dòng)工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。此時(shí)，AIDA組織就很明確地規(guī)定了PROFINET IO必須具備的功能需求和性能，功能需求之一就是需要IO設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間小于500 ms。PROFINET IO的快速啟動(dòng)FSU技術(shù)隨之蘊(yùn)育而生，來(lái)滿足苛刻的現(xiàn)場(chǎng)需求。 技術(shù) FSU技術(shù)在PROFINET IO最新的規(guī)范中有明確描述，其最基本的定義就是：在設(shè)備上電至接收到第一個(gè)周期性輸入數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間不超過(guò)500 ms。由于IO設(shè)備上電后能迅速的實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置，因此多數(shù)的啟動(dòng)時(shí)間是等待主站控制器發(fā)送的過(guò)程數(shù)據(jù)。FSU技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化了相關(guān)的最優(yōu)功能： － 使用固定的傳輸參數(shù)（僅限銅線），替代原先使用的自動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，這至少縮短了啟動(dòng)時(shí)間3秒。 － 網(wǎng)絡(luò)編址不需要掃描每一個(gè)IO設(shè)備，在IO設(shè)備啟動(dòng)后就能自身加載。相關(guān)的參數(shù)配置都保存在IO設(shè)備的不掉電內(nèi)存中，當(dāng)設(shè)備上電后就能立即被使用。該功能至少能減少啟動(dòng)時(shí)間十幾秒。 － IO設(shè)備可自發(fā)布準(zhǔn)備就緒信號(hào)來(lái)建立通訊，取代了原先需要等待主站控制器的命令才能建立連接通訊。通過(guò)這種方式，也能減少1秒的時(shí)間。 這些增強(qiáng)的功能避免了協(xié)議規(guī)約所規(guī)定的專門(mén)時(shí)間延遲，此外，結(jié)合相應(yīng)的硬件設(shè)施，設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間也可以最優(yōu)化。 關(guān)于FSU技術(shù)的詳細(xì)信息在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或案例文獻(xiàn)（參考文獻(xiàn)[1]）中都有詳細(xì)的描述。 可選方案的比較 當(dāng)今，自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)ATC都配備了已被廣泛認(rèn)可的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，如PROFIBUS，DeviceNet或INTERBUS。這些傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間都小于100ms，而實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)間方面就不如傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。市場(chǎng)因素也決定需要新的性能來(lái)滿足生產(chǎn)需求，因此這就導(dǎo)致了相關(guān)折衷解決方案的出現(xiàn)：網(wǎng)關(guān)和無(wú)線技術(shù)。與其它實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)相比較，PROFINET IO標(biāo)準(zhǔn)化了時(shí)間參數(shù)，其設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間可以小于500ms。目前市場(chǎng)上的PROFINET IO設(shè)備也表現(xiàn)出，其啟動(dòng)時(shí)間大約在400ms左右。如果具有豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，IO設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間還可以縮短到更小。 由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使得自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)ATC的啟動(dòng)快速，而實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)在垂直的透明數(shù)據(jù)通訊上又有明顯優(yōu)勢(shì)，因此，近年來(lái)網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)使得這兩種系統(tǒng)可以并存。但是，網(wǎng)關(guān)最主要的缺點(diǎn)就是，增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。這在維護(hù)和服務(wù)方面都會(huì)帶來(lái)顯著的負(fù)面影響。 無(wú)線設(shè)備解決了快速啟動(dòng)的問(wèn)題，其方式是：通過(guò)始終保持通訊，或利用短時(shí)通訊建立技術(shù)。無(wú)線解決方案的優(yōu)點(diǎn)是，在設(shè)備啟動(dòng)和因傳輸電纜引起的問(wèn)題（如，由于電纜或連接器的損壞導(dǎo)致的線路斷開(kāi)或短路）期間，都不存在空閑時(shí)間。這種方式也能有效節(jié)約成本。但是，無(wú)線技術(shù)無(wú)法改變的缺點(diǎn)就是，通訊的安全性以及接口的約束，會(huì)導(dǎo)致更高的時(shí)間抖動(dòng)、循環(huán)時(shí)間、意想不到的問(wèn)題出現(xiàn)和有限的傳輸設(shè)備數(shù)量。因此，無(wú)線技術(shù)僅適用于： － 不可能使用電纜的區(qū)域或在乎電纜成本的應(yīng)用 － 無(wú)線技術(shù)的缺點(diǎn)可忽略不計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合 用戶的看法 某全球著名的德國(guó)汽車制造商目前正在計(jì)劃其將來(lái)的生產(chǎn)線，不得不為帶有自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)ATC的智能機(jī)器人選擇合適的通訊外設(shè)。這些機(jī)器人在生產(chǎn)線上，最典型的操作就是焊接和夾抓。而對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，車身的生產(chǎn)節(jié)拍是45秒，該時(shí)間已經(jīng)包含了自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)動(dòng)作切換的時(shí)間延遲。這就強(qiáng)調(diào)了所使用的通訊部件的重要性。該汽車制造商已經(jīng)有了明確的方案選擇： － 需要帶有FSU技術(shù)的設(shè)備，其啟動(dòng)時(shí)間需小于500ms； － 由于網(wǎng)關(guān)的自身缺陷，在整個(gè)系統(tǒng)中將不使用； － 使用有限的無(wú)線設(shè)備 德國(guó)汽車企業(yè)也已經(jīng)達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)：將在通訊部件中再實(shí)現(xiàn)PROFIsafe和PROFIenergy功能。將來(lái)工業(yè)通訊系統(tǒng)的使用，對(duì)于工人和機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)，安全生產(chǎn)環(huán)境是最基本的先決條件，PROFIsafe可以滿足其需求。目前，PROFIenergy規(guī)范還在制訂當(dāng)中，主要規(guī)范能源的有效利用及成本有效控制。 結(jié)論 PROFINET IO技術(shù)具有小于500ms的啟動(dòng)時(shí)間，是帶有自動(dòng)加工機(jī)構(gòu)ATC智能機(jī)器人的最佳選擇?；贏IDA的選擇，及與其它實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)相比，PROFINET IO所具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，PROFINET IO將很快成為ATC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口。