PROFINET-现场总线与工业以太网及其应用技术

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：PROFINET支持除星形、总线型和环形之外的拓扑结构。为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便地实现PROFINET的安装。PROFINET满足了实时通信的要求，可应用于运动控制。从图1-22中可以看出，PROFINET提供了一个标准通信通道和两类实时通信通道。PROFINET的对象模型如图1-23所示。

PROFINET是由PROFIBUS国际组织提出的基于实时以太网技术的自动化总线标准，其将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了PROFIBUS现有的开放性。

PROFINET支持除星形、总线型和环形之外的拓扑结构。为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便地实现PROFINET的安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度的要求，并且在PROFINET框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。

PROFINET满足了实时通信的要求，可应用于运动控制。它具有PROFIBUS和IT标准的开放透明通信，支持从现场级到工厂管理层通信的连续性，从而增加了生产过程的透明度，优化了公司的系统运作。作为开放和透明的概念，PROFINET也适用于Ethernet和任何其他现场总线系统之间的通信，可实现与其他现场总线的无缝集成。PROFINET同时实现了分布式自动化系统，提供了独立于制造商的通信、自动化和工程模型，将通信系统、以太网转换为适应于工业应用的系统。

1.PROFINET的系统结构

PROFINET提供标准化的独立于制造商的工程接口。它能够方便地把各个制造商的设备和组件集成到单一系统中。设备之间的通信链接以图形形式组态，无需编程。PROFINET最早建立自动化工程系统与微软操作系统及其软件的接口标准，使自动化行业的工程应用能够被Windows NT/2000所接收，将工程系统、实时系统以及Windows操作系统结合为一个整体，如图1-21所示。

图1-21 PROFINET的系统结构图

PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，包括诸如实时以太网、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问题。PROFI-NET包括八大主要模块，分别为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准集成与信息安全、故障安全和过程自动化。同时，PROFINET也实现了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的数据；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。为了保证现场网络控制数据的安全，PROFINET提供了特有的安全机制，通过使用专用的安全模块，可以保护自动化控制系统，使自动化通信网络的安全风险最小化。

PROFINET是一个整体的解决方案，PROFINET的通信协议模型如图1-22所示。

在PROFINET通信协议模型中，RT（实时）通道能够实现高性能传输循环数据和时间控制信号、报警信号；IRT（同步实时）通道能够实现等时同步方式下的数据高性能传输；PROFINET使用了TCP/IP和IT标准，并符合基于工业以太网的实时自动化体系，覆盖了自动化技术的所有要求，能够实现与现场总线的无缝集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一条总线电缆中完成，IT服务和TCP/IP开放性没有任何限制，它能满足用于所有客户从高性能到等时同步可以伸缩的实时通信需要的统一的通信。

从图1-22中可以看出，PROFINET提供了一个标准通信通道和两类实时通信通道。标准通信通道是使用TCP/IP协议的非实时通信通道，主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。各种已验证的IT技术都可以使用（HTTP、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的时候，可以使用这些IT标准服务加强对整个网络的管理和维护，这意味着调试和维护中成本的节省。RT通道是软实时SRT（SoftwareRT）方案，主要用于过程数据的高性能循环传输、事件控制信号与报警信号等。它跳过第3层和第4层，提供精确通信能力。为优化通信功能，PROFINET根据IEEE 802.1P定义了报文的优先级，最多可用7级。IRT采用了IRT同步实时的ASIC芯片解决方案，以进一步缩短通信栈软件的处理时间，特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输，以及快速的时钟同步运动控制应用。在实时通道中，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的次序插入，因此，实时数据就在固定的间隔被传送，循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据，两种不同类型的数据就可以同时在PROFINET上传递，而且不会互相干扰。通过独立的实时数据通道，保证对伺服运动系统的可靠控制。

PROFINET现场总线支持开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使用的Ether-net TCP/IP基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要求。PROFINET的对象模型如图1-23所示。

图1-22 PROFINET通信协议模型

图1-23 PROFINET对象模型

基于对象应用的DCOM（Distributed Component Object Model，分布式对象模型）通信协议是通过该协议标准建立的，以对象的形式表示的PROFINET组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象即COM对象作为PDU以DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。活动连接控制对象（ACCO）确保已组态的互相连接的设备间通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事件控制的，ACCO也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输，连接的监视，连接丢失后的再建立，以及相互连接性的测试和诊断。

在实时对象模型中，物理设备（Physical Device）即硬件设备，允许接入一个或多个IP网络。每个物理设备包含一个或多个逻辑设备（Logical Device），但每个逻辑设备只能表示一个软件。逻辑设备可以作为执行器、传感器、控制器的组成部分，通过OLE自动控制的调用来实现分布式自动化系统。物理设备通过标签或者索引来识别逻辑设备。通过活动连接控制对象实现实时自动控制对象之间的连接。扩展逻辑设备（Extended Logical Device）对象或者其他对象用来实现不同制造商生产的逻辑设备之间的互连，并且实现通用对象模型中的所有附加服务。

2.PROFINET的实时通信(www.chuimin.cn)

PROFINET的实时通信根据响应时间不同，可分为以下3种通信方式：

（1）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，其响应时间约为100ms的量级。TCP/IP只提供了基础通信，用于以太网设备通过面向连接和安全的传输通道在本地分布式网络中进行数据交换。在较高层上则需要其他的规范和协议（也称为应用层协议），而不是TCP或UDP。那么，在设备上使用相同的应用层协议时，只能保证互操作性。典型的应用层协议有HTTP、SNMP和DHCP等。

（2）实时通信

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格。因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第2层（Layer 2）的实时通信通道。通过该通道，极大地减少了数据在通信栈中的处理时间。PROFINET实时通信的典型响应时间是5～10ms。该解决方案使通信栈上的吞吐时间缩减为最小，提高了过程数据刷新率方面的性能。由于去除了几个通信协议层，信息帧的长度缩减。此外，数据得到更快地传输，或者应用准备就绪需要更少的时间。同时，这样极大地减少了设备通信所需的处理器功能。除了最小化、自动化设备的通信栈，PROFINET网络中数据传输也被优化。为获得最佳的结果，PROFINET中的数据包按照IEEE 802.1Q规范被分配传输优先级。网络组件使用这种优先级来控制设备间的数据流，操作其他应用的优先级。

（3）同步实时通信

在现场级通信中，对通信实时性要求最高的是运动控制（Motion Control）。PROFINET的同步实时（Isochronous Real-Time，IRT）技术可以满足运动控制的高速通信需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。PROFINET在第2层上为实时以太网定义了IRT时间槽控制传送过程。通过设备（网络组件和PROFINET设备）的同步，时间槽能够制定对时间要求苛刻的数据传输。通信循环被分离为实时通道和标准通道，循环传输的实时信息帧在实时通道中分配，而TCP/IP信息帧在标准通道中传输。这就如同在高速公路上，预留左车道用于实时通信传递，并且禁止其他的公路使用者（TCP/IP通信）切换到这个车道。这样一来即使右车道发生通信堵塞，也不会影响到左车道的实时通信传递。这种传输模式由实时转换开关ASIC ERTEC实现，该芯片为实时数据提供了循环同步和时间槽预留功能。循环同步化将时间点通知给要通过RT帧传递的转换器。

3.PROFINET IO

简单的现场设备使用PROFINET IO集成到PROFINET，并用PROFIBUS DP中熟悉的IO来描述。这种集成的本质特征是使用分散式现场设备的输入和输出数据，然后由PLC用户程序进行处理。PROFINET IO模型与PROFIBUS DP中的模型类似，设备属性用基于XML的描述文件来描述。PROFINET IO设备的系统集成方法与PROFIBUS DP的系统集成方法是相同的，包括在组态过程中将分散式现场设备分配给一个控制器。这样过程数据就能在控制器和现场设备间交换。分散式现场设备在以太网中直接通过使用PROFINET IO实现集成。为实现该方案，PROFIBUS DP系统中常见的主/从规程被移植到供应商/消费者规程中。以太网上所有的设备有同等的通信权利，因而组态时要明确哪些现场设备被分配给主控制器。在这种方式下，PROFIBUS系统中常见的运作方法转变为PROFINET IO模式，I/O信号读入PLC，并在其中得到处理，然后传送给分散的现场设备。

PROFINET网络节点分为4种类型：I/O设备、I/O控制器、I/O监视器和网络组件设备。I/O设备是指分配给I/O控制器的分散式现场设备，如远程I/O、终端设备、频率转换器等；I/O控制器即PLC，自动化程序在其中运行；I/O监视器是指拥有代理和诊断功能的编程设备或PC；网络组件设备是连接各节点的网络设备，如交换机、路由器等。循环用户数据和事件触发中断（诊断）通过实时通道传输。参数分配、组态或读取诊断信息通过基于UDP/IP的标准通道实现，在基于非循环UDP/IP通道中的I/O控制器与I/O设备间建立被称为应用关联（IO-AR）的通信关系。接着I/O控制器通过该稳定信道为I/O设备传输组态信息。组态信息决定正确的操作模式，如I/O设备得到独一无二的设备识别号。基于组态信息，高速、循环的过程数据通过实时信道（I/O-CR）执行互换。如果有故障发生（如电缆断裂），中断信息通过高速、非循环的实时通道（中断CR）传送给IO控制器，该中断信息在IO控制器的PLC程序中进行处理。

4.PROFINET系统集成

PROFINET系统集成如图1-24所示。

PROFINET节点之间的通信是通过Microsoft DCOM实现的，通过以太网TCP/IP传输和寻址。PROFINET不需要考虑下层的总线系统而直接运用TCP/IP或UDP/IP作为通信接口，尽管可以使用不同类型的现场总线系统，但PROFINET为了提高系统的数据传输速度，采用了以太网连接现场设备。PROFINET可以通过代理服务器（Proxy）很容易地实现与PROFI-BUS或者其他现场总线系统的集成。

PROFINET为集成现场总线系统提供两个解决方案。

1）现场总线设备通过代理服务器集成每台现场设备代表一个独立的PROFINET组件。通过代理服务器规范，PROFINET提供一个从已有的工厂单元到新安装的工厂单元完全透明的转换。

2）现场总线应用集成的每个现场总线段代表一个自成体系的组件。而这种组件又成为PROFINET中的设备，使PROFIBUS DP系统在PROFINET系统中处于较低的级别。因此，低级别现场总线功能以代理服务器的组件形式得以实现。

图1-24 PROFINET系统集成

PROFINET-现场总线与工业以太网及其应用技术

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