PROFINET: 整體的考慮定義了工業(yè)自動化 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，Profibus International最初想在以太網(wǎng)內(nèi)部嵌入一個現(xiàn)場總線協(xié)議。但沒過多久,人們就意識到這樣做不論對開放性和有效性都是一條死路。一個基本的重新評估產(chǎn)生PROFINET：其中心價值注重的是“自動化解決方案”而不僅僅是“通信”。結(jié)果所帶來的靈活性使自動化策略在速度和范圍上有了根本的改變，每個用戶可以自己決定。 在意識到突然的、量的飛躍是不現(xiàn)實的之后，Profibus International采用PROFINET來滿足分散I/O當(dāng)前的要求，這正如未來的發(fā)展趨勢越來越趨于方便和完整一樣，例如分散的自動化系統(tǒng)將要求面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案。國際標(biāo)準(zhǔn)都是互相融合的，這使PROFINET真正具有開放性。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)覆蓋自動化系統(tǒng)實時的需求，它需要有很多重要的革新。尤其與用于運動控制的硬實時需求有關(guān)，運動控制已經(jīng)由新的軟件/硬件解決方案進(jìn)行處理，這個方案提供了前所未有的實時性能，對于PROFINET來說是獨一無二的。今后，PROFINET也將尋求解決方案以滿足機(jī)械安全和過程自動化的需求，雖然目前這兩個還是公開討論的話題。 最終，PROFINET意識到基于以太網(wǎng)的解決方案是不會成功的，除非它能為傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)提供向后兼容的連續(xù)性，從而保護(hù)客戶的投資。PROFINET提供了簡單方式的集成現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。它能包容任何現(xiàn)場總線系統(tǒng)，而不僅僅是Profibus。將Interbus現(xiàn)場總線接口與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)必須在任何時間或所有應(yīng)用中都使用，它們可以搭配組合。隨著自動化用戶的需求不斷增加（尤其在運動控制中），隨著競爭不斷鼓勵產(chǎn)品的獨特性以及市場向著分散自動化的結(jié)構(gòu)發(fā)展，這種靈活性在未來的幾年中將會越來越明顯。 PROFINET的核心是三個通信選擇，覆蓋了從管理層到工廠層的自動化范圍：標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP和UDP提供了100ms的典型的循環(huán)時間，以及所有重要的縱向集成。實時性增強的第一階段提供了5-10ms循環(huán)時間的通信同步。第二階段使用等時同步技術(shù)，帶來了響應(yīng)時間為1ms的通信以及抖動為1μs的硬實時應(yīng)用。 在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)中使用兩個通道實現(xiàn)這三種選擇，這兩個通道共享帶寬并能獨立或同時運行。 上圖指出了傳輸標(biāo)準(zhǔn)和實時數(shù)據(jù)的PROFINET“開放通道”。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)實現(xiàn)，通過與辦公室網(wǎng)絡(luò)相同的方式傳輸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（1）。通過它使PROFINET能被外部系統(tǒng)訪問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)或通過因特網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。這個堆棧支持例如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)的速度不能夠滿足典型的生產(chǎn)自動化的循環(huán)時間，即5-10ms。在第一階段，同步化（2）繞過了堆棧，縮短了用于分散自動化和控制（包括設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備）的過程時間。這就提供了與當(dāng)前現(xiàn)場總線技術(shù)同樣的性能，并通過事件控制功能包含數(shù)據(jù)循環(huán)和高性能傳輸。通過消除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門總線路徑相類似。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。 硬實時 在更加嚴(yán)酷的自動化環(huán)境中，尤其在高端運動控制應(yīng)用中,要求1ms的循環(huán)時間和1μs的抖動時間，這需要附加通信的支持。PROFINET引用了IRT概念，即等時同步實時（3）（Isochronous Real Time），它作為可選的第二個通信通道與開放的通道共存。等時同步是指在每個周期中每個以太網(wǎng)幀執(zhí)行的功能應(yīng)該精確地同時發(fā)生。這要求準(zhǔn)確的同步性，如果系統(tǒng)要處理多個參與者的話，需要非常準(zhǔn)確地控制多種同步化的數(shù)據(jù)流。 IRT與開放的通道將以太網(wǎng)幀分割成兩個段，它們共享帶寬。時間片段系統(tǒng)將IRT通道分解成固定的時間槽，每個都代表一個終端設(shè)備。上圖就說明了這點，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間的。一個IRT循環(huán)周期時間為1ms的PROFINET系統(tǒng)，使用50/50的帶寬劃分來處理150個設(shè)備（即運動控制軸）。 現(xiàn)有的以太網(wǎng)切換技術(shù)不支持IRT的時間分割技術(shù)，因此它需要專用的硬件支持。目前正在開發(fā)兩種新的嵌入式以太網(wǎng)芯片切換器。 嵌入式IRT切換器 高端運動控制的市場可以分為兩個部分——強大的運動控制器和復(fù)雜的驅(qū)動器或現(xiàn)場設(shè)備。因此可以設(shè)想兩種IRT切換器：用于運動控制器的4端口切換器和用于現(xiàn)場設(shè)備的2端口切換器。下圖指出了它們是如何使用的。每種類型都在芯片的基礎(chǔ)上實現(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，需要使用4端口的切換器。由于這種端口的價格不是太大的問題，因此它通常作為子模塊安裝在控制器上。對于價格更低廉的現(xiàn)場設(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月問世）。它們通過響應(yīng)IRT通道的時間分割技術(shù)，保證系統(tǒng)在精確的時間被連接，以便在指定的設(shè)備之間傳輸報文。通過簡單的切換，數(shù)據(jù)就能傳輸給系統(tǒng)中指定的另外一個接收者。這兩種類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，其價格相當(dāng)?shù)停阋郧度氲揭粋€驅(qū)動器內(nèi)。ERTEC400將不包括以太網(wǎng)物理層，在運動控制器中可能作為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切換器將會在其它產(chǎn)品中出現(xiàn)。 市場目標(biāo) 對于PROFINET有兩個主要的市場——分散控制和分散自動化。前者由目前傳統(tǒng)的自動化觀念所驅(qū)動，可能會有一個和PROFIBUS DP類似的傳統(tǒng)解決方案。由于自動化系統(tǒng)中各個單獨的部件級聯(lián)到單個生產(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，每個自動化系統(tǒng)都有自己的遠(yuǎn)程I/O和一個或多個控制器），后者將得到相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。目前，只有少數(shù)的企業(yè)采用這種自動化的方式（例如機(jī)床），而更多的最終用戶（尤其在汽車工業(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的一段時間將處于領(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，因此能夠長期地保證生產(chǎn)商的投資。然而，它將涉及一些問題，例如不同的通信結(jié)構(gòu)、新的組態(tài)/維護(hù)工具，因此它牽涉到對最終用戶的培訓(xùn)以及庫存管理等問題。 和PROFIBUS一樣，每個PROFINET I/O設(shè)備都將分配一個ID號并具有組態(tài)文件（類似GSD）。這個文件叫GSDML，在XML中。GSDML文件定義了控制器和現(xiàn)場設(shè)備之間的應(yīng)用關(guān)系，允許基于PROFINET標(biāo)準(zhǔn)和實時通信選擇來建立通信關(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)場設(shè)備之間循環(huán)地傳輸。 分散的自動化系統(tǒng)是PROFINET的主要動力之一?；诙嗄陙碛糜谟嬎銠C(jī)行業(yè)中面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，PROFINET把自動化模塊看作大型系統(tǒng)的一個“對象”或是“部件”。但是，通過將每個部件描述成具有一套輸入和輸出的功能塊，PROFINET簡化了計算機(jī)世界中對象的概念。這很適合現(xiàn)實的自動化系統(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，它發(fā)出噴涂信號?！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于OEM和用戶來說變得簡單。對于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將不同的自動化模塊之間的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，允許運用通用的工程工具將自動化模塊簡易地連接。使用XML就是通過標(biāo)準(zhǔn)的編程方式允許從資源庫中拷貝功能塊，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、組態(tài)和投運，尤其在需要考慮可重新使用的因素時。此外，這不需要具有通信知識，因為它隱藏了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，而且通信關(guān)系是自動執(zhí)行的。 為了支持這個概念，對每個自動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程序就通過網(wǎng)絡(luò)下載到硬件中并開始運行，通過屏幕的診斷可以方便地確定出錯的位置。有了DCOM和RPC（遠(yuǎn)程過程調(diào)用）的附加幫助，PROFINET開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)對于IT領(lǐng)域完全開放，也許更重要的是對于因特網(wǎng)以及基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)和工具開放。例如，它能使用DHCP（分布式主機(jī)配置協(xié)議）自動地向網(wǎng)絡(luò)中的從站分配地址。SNMP可以用于網(wǎng)絡(luò)管理，允許對每個連接的設(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、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)是如何在不同類型的激活設(shè)備中出現(xiàn)的。由OPC創(chuàng)建的跨現(xiàn)場總線分割的OPC DX（OPC數(shù)據(jù)交換）也用于PROFINET。 對傳統(tǒng)系統(tǒng)的影響 除了一些重疊的領(lǐng)域，在一段時間內(nèi)，PROFINET要取代PROFIBUS是完全不可能的事情。市場分析預(yù)測轉(zhuǎn)折點將在2010年。原因很實際。即使以太網(wǎng)的誘惑力再大，用戶也不可能放棄已經(jīng)在使用中的PROFIBUS系統(tǒng)。另外，現(xiàn)場總線將在未來的許多年中繼續(xù)滿足市場的需求，尤其在一些專門的領(lǐng)域例如機(jī)器安全和過程控制。市場調(diào)查顯示在未來四年中PROFIBUS的安裝節(jié)點將從1千萬翻倍到2千萬。最終，PROFINET的成本要低于PROFIBUS還是需要一段時間的。 但是，逐步地轉(zhuǎn)到基于以太網(wǎng)的自動化解決方案的這一趨勢是不可避免的，因此，現(xiàn)有的系統(tǒng)和技術(shù)能簡單地與PROFINET結(jié)構(gòu)集成，這點非常重要。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)描述過了。但是代理服務(wù)器的解決方案對于PROFINET是獨一無二和值得關(guān)注的：它可以包含任何一種現(xiàn)場總線協(xié)議。基本上，一個代理服務(wù)器是現(xiàn)場總線系統(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“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)場總線系統(tǒng)，這意味著如果最終用戶要使設(shè)備移植到以太網(wǎng)的話，可以選擇PROFINET實現(xiàn)這個自動化的解決方案，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，從這點看來，PROFINET能很好地滿足他們的要求。 但是，PROFINET具有一些強大的優(yōu)勢。包含三個部分的通信解決方案為創(chuàng)新系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供了有利的機(jī)會。IRT實時能力在自動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放、工廠管理更為簡單并通過標(biāo)準(zhǔn)化的工具和通用平臺降低成本。另外，代理服務(wù)器的概念已經(jīng)證明其關(guān)聯(lián)性，實際上，PROFINET的“包容而不是替代”其它現(xiàn)場總線協(xié)議的能力是關(guān)鍵的因素。