作者：劉朝暉 南京菲尼克斯電氣有限公司自動化產品經理

Abstract: To meet the high speed development of industry communication, PROFINE is realtime solution on Automation application. PROFINET can cover, NRT, RT, IRT, different communication requirement. PROFINET is quick, simple, controllable, determinable industry communication.

摘要：工業以太網是當今工業通信發展最為迅速的技術， PROFINET是真正的實時工業以太網，可以實現在各種不同場合的應用，完成各種不同需求的控制任務。從傳輸協議角度上，PROFINET將數據分為：NRT、RT、和IRT三種不同的類型；從應用角度上，PROFINET分為：CBA和I/O，以此來實現工業控制的一網到底的革命。

Key words: PROFIBUS, Industry Ethernet, realtime, Industry Communication
關鍵詞：PROFINET、工業以太網、實時、工業通信

產品的生命周期越來越短，自動化領域的發展日新月異。當今自動化技術的發展正日益受到信息技術以及已確立的標準（例如：TCP/IP和XML）的重大影響。在這種形勢下，近年來現場總線技術也不斷在飛速發展，并發生著重大的革新。來自用戶越來越多的需求，例如：項目的投資保護；工藝技術模塊化；節約工程設計和投運的成本等等，在這種形式下，PROFIBUS國際組織便提出了一個基于以太網的新的自動化標準 —— PROFINET。

PROFINET是一個整體的解決方案，它使用TCP/IP 和IT 標準，符合基于工業以太網的實時自動化體系，覆蓋了自動化技術的所有要求；能夠實現與現場總線的無縫集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一條電纜中完成，IT 服務和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一的通信；從高性能到等時同步可以伸縮的實時通信。現在已經成為現場總線國際標準IEC-61158的第10類型。

PROFINET用于實現基于工業以太網的集成、一致的自動化解決方案。支持用以太網通信的簡單分散式現場設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在通信方式上根據通信目的不同而采用3種不同性能等級的通信方式：
s 通過TCP/UDP /IP 在標準通道上發送非苛求時間的數據，例如：參數、組態數據和互連信息。這滿足自動化層與其它網絡（MES，ERP）的連接需求。
PROFINET 使用以太網和TCP/UDP/IP 協議作為通信基礎。TCP/UDP/IP 是IT 領域在通信協議方面的事實上的標準。TCP/UDP/IP 提供了使以太網設備能夠通過本地和分布式網絡的透明通道中進行數據交換的基礎。
s 對于生產裝備內苛求時間的過程數據的傳輸，它采用實時通道（RT：Realtime）。作為基于可用控制器的軟件來實現的。
在工廠自動化領域，實時應用需要刷新/響應時間范圍在5—10ms 內。 經驗指出，與設備中的處理時間相比，快速（100Mbps）或更高速率的以太網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據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主要可通過發布者和使用者通信棧的優化來達成。PROFINET 中的實時通信通道就為了能滿足自動化中的實時要求，此通道基于以太網（層2）。此解決方案顯著地減少了通信棧所占用的運行時間，從而提高了過程數據刷新速率方面的性能。PROFINET使用快速以太網，快速以太網中已集成全雙工模式切換技術，并已進行了標準化。通過優先級優化數據傳輸在PROFINET中，不僅最小化了控制器中的通信棧，而且也對網絡中數據的傳輸進行了優化。為了能在這些情況下達到一種最佳結果，在PROFINET中按照IEEE 802.1Q將這些數據包區分優先級。設備之間的數據流則由網絡組件依據此優先級進行處理。優先級6（Priority 6）是用于實時數據的標準優先級，由此也就確保了對其它應用的優先級處理。
s 對于同步應用，PROFINET采用等時同步實時通信（IRT：Isochronous Realtime），它允許在時鐘速率為1ms時，抖動精度為1μs。
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 節點的連續循環的抖動精度為1μm。為了滿足這些需求，PROFINET 在快速以太網的層2 協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備（網絡組件和PROFINET 設備）的時間同步化，可在網絡中規定時間片，在此時間間隔內傳輸自動化任務所必需的關鍵數據。通信循環被分成兩個部分，即：時間確定性部分和開放性部分。循環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。等時同步數據傳輸的實現基于硬件。基于硬件的實現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 設備通信任務的處理器。這就免除了煩瑣的計算，從而可為自動化任務提供解決方案。

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

為實現這3種不同的通訊方式，滿足工業控制的工程要求，PROFINET采用2種重要的應用方式：
s 在實現分布式過程采用基于組件的自動化概念（CBA）
PROFINET組件模型對于具備可編程功能的智能現場設備和自動化設備來說非常理想。組件模型將機器或裝備的自治模塊描述為工藝技術模塊。基于工藝技術模塊而開發的分布式自動化系統簡化了裝備和機器的模塊化設計，從而顯著地簡化了裝備和機器零部件的重復使用。因此大量地減少了工程設計成本。基于組件模型的PROFINET 通過PCD（PROFINET Component Description）來描述。它是一個XML文件，并可以使用制造商特定的組態工具的組件生成器或PROFINET 組件編輯器來創建。分布式自動化裝備的工程設計分為：各個工藝技術模塊的控制邏輯的編程（制造商特定的組態工具）和整個裝備的工藝技術組態，后者決定這些工藝技術模塊之間的通信關系。
s 分散式現場設備（PROFINET IO）
分散式現場設備通過PROFINET IO 集成。這采用通常的PROFIBUS DP 的IO，從而可將現場設備的IO 循環地傳輸給PLC 的過程映象。在PROFINET IO描述的設備模型中，現場設備的特性通過基于XML的GSD(General Station Description)文件來描述。

在其他方面如：
s Web 功能的集成：Web集成允許在以太網上訪問PROFInet設備：PROFInet選擇使用已經實踐證明的標準技術如： http, HTML 和XML。通過統一的站點（Web-Sites）來定義設備信息、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。對于設備的訪問可通過類似于微軟的Internet Explorer那樣的標準瀏覽器。
s IT 集成：網絡管理覆蓋了在以太網網絡中PROFINET 設備管理的所有功能。這包括設備和網絡組態、網絡診斷。對于Web集成，PROFINET 采用基于以太網的技術，而且借助互聯網的標準技術可訪問PROFINET 組件。為了獲得與其它系統范圍的開放鏈接，PROFINET 采用OPC DA 和DX。
s 網絡拓撲：針對要連網單元的要求而定。PROFINET網絡拓撲有：星型、線型、樹型和環型結構。實際的系統是由混合結構組成，可以用銅纜或光纜實現。
s 網絡安裝：PROFINET 網絡安裝依據工業環境下以對太網網絡的特殊要求給設備制造商提供清晰的設備接口規范和布線要求。“PROFINET 安裝導則”給裝備制造商/操作人員提供以太網網絡安裝的簡單規則。

作為下一代的現場總線，PROFINET需要能夠集成許多成熟的正在使用的現場總線。由于IT 技術的應用，在PROFINET方案中保護投資也起著至關重要的作用。PROFINET能集成現有的現場總線系統（例如INTERBUS、PROFIBUS），且無需修改現有設備。這就保護了所有投資者的現有投資。PROFINET可以從現有的現場總線解決方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP）到基于以太網的PROFINET的無縫轉換。
PROFINET 提供2種集成現場總線系統的方法：
s 通過代理服務器的現場總線設備集成：在此情況下，代理服務器代表以太網上較低層的現場設備。采用代理服務器方案，PROFINET 提供了從現有設備到新安裝的設備之間的全透明轉換。
s 整個現場總線應用的集成：一個現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場總線（例如：INTERBUS 、PROFIBUS DP）的PROFINET設備。由此，較低層現場總線的所有功能以組件的形式保存在代理服務器內。然后這些功能就在以太網上可供使用了。

為了滿足所有自動化的需求，PROFINET 還吸納了多年積累的現場總線和工業以太網的技術，從一開始就決定了PROFINET采用開放的標準、現有設備的簡單處理和集成的定義。PROFINET 持續不斷的開發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。對于業主來說，由于運用了自適應的子單元，PROFINET 簡化了裝備的擴展并提高了裝備的可用性。
擁有PROFINET，作為系統和機械制造商：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；可管理的設備特定的詳細信息提供簡化的診斷，使從設計到運行更快捷。作為系統集成商：由于從現場級到企業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。由于自適應的子系統，具有高度的系統可用性；通過集成現有的系統和設備，投資得到了保護；由于采用已認證的設備而獲得高質量標準。

PROFINET——遠遠不僅僅是以太網，而是自動化領域的開放的解決方案。
s PROFINET規定了強大功能，從網絡安裝到基于web診斷的整個自動化解決方案的實現。
s PROFINET的模塊化結構可非常容易地擴展和包含其它功能。
s 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備和組件集成到單一系統中。設備之間的通信鏈接以圖形形式組態，無需編程。