PROFINET: 整體的考慮定義了工業自動化 PROFINET: Holistic Thinking Now Defines Industrial Automation Geoff Hodgkinson 在1999年底，當初次考慮以太網與PROFIBUS相連接時，Profibus International最初想在以太網內部嵌入一個現場總線協議。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、量的飛躍是不現實的之后，Profibus International采用PROFINET來滿足分散I/O當前的要求，這正如未來的發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將要求面向對象的解決方案。國際標準都是互相融合的，這使PROFINET真正具有開放性。特別的是，PROFINET完全與現有的以太網TCP/IP兼容，這意味著它能容易地與更高層IT系統和設備集成。 還要考慮到擴展應覆蓋自動化系統實時的需求，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，運動控制已經由新的軟件/硬件解決方案進行處理，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意識到基于以太網的解決方案是不會成功的，除非它能為傳統的現場總線系統提供向后兼容的連續性，從而保護客戶的投資。PROFINET提供了簡單方式的集成現有網絡。它能包容任何現場總線系統，而不僅僅是Profibus。將Interbus現場總線接口與PROFINET集成的工作組近期宣布，已經可提供連接DeviceNet系統的第一批產品。 PROFINET具有一套自動化功能和服務，它們都是基于為適合許多應用環境而設計的以太網通信結構。不是所有的功能和服務必須在任何時間或所有應用中都使用，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品的獨特性以及市場向著分散自動化的結構發展，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：標準的TCP/IP和UDP提供了100ms的典型的循環時間，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循環時間的通信同步。第二階段使用等時同步技術，帶來了響應時間為1ms的通信以及抖動為1μs的硬實時應用。 在標準的以太網結構中使用兩個通道實現這三種選擇，這兩個通道共享帶寬并能獨立或同時運行。 上圖指出了傳輸標準和實時數據的PROFINET“開放通道”。綠色部分表示有TCP/IP堆棧的以太網物理層。這是一種傳統的以太網實現，通過與辦公室網絡相同的方式傳輸標準數據（1）。通過它使PROFINET能被外部系統訪問并在縱向集成的企業結構中向上或向下傳輸數據或通過因特網傳輸數據。這個堆棧支持例如HTTP和SNMP的IT功能，它與UDP結合也用于控制器到控制器（或HMI）和非循環通信（用于設備參數化、組態、診斷和網絡管理）。 在快速以太網中（100Mbps）,TCP/UDP堆棧傳輸數據的速度不能夠滿足典型的生產自動化的循環時間，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（包括設備和現場設備）的過程時間。這就提供了與當前現場總線技術同樣的性能，并通過事件控制功能包含數據循環和高性能傳輸。通過消除TCP/IP層提供了控制數據量的快速跟蹤功能，這和在快速通道上的專門總線路徑相類似。標準化的Quality of Service參數用于區分數據的優先次序。 硬實時 在更加嚴酷的自動化環境中，尤其在高端運動控制應用中,要求1ms的循環時間和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幀執行的功能應該精確地同時發生。這要求準確的同步性，如果系統要處理多個參與者的話，需要非常準確地控制多種同步化的數據流。 IRT與開放的通道將以太網幀分割成兩個段，它們共享帶寬。時間片段系統將IRT通道分解成固定的時間槽，每個都代表一個終端設備。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循環周期時間為1ms的PROFINET系統，使用50/50的帶寬劃分來處理150個設備（即運動控制軸）。 現有的以太網切換技術不支持IRT的時間分割技術，因此它需要專用的硬件支持。目前正在開發兩種新的嵌入式以太網芯片切換器。 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雜的驅動器或現場設備。因此可以設想兩種IRT切換器：用于運動控制器的4端口切換器和用于現場設備的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上實現。當控制器或其它設備（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場設備，可以將2端口的芯片嵌入在設備本身即可。 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IRT通道的時間分割技術，保證系統在精確的時間被連接，以便在指定的設備之間傳輸報文。通過簡單的切換，數據就能傳輸給系統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切換功能，它們取代了以太網的外部切換器，可以方便地創建復雜的自動化結構。上圖右側的環型連接描述了如何創造冗余子網絡。 ERTEC200包括以太網物理層，其價格相當低，足以嵌入到一個驅動器內。ERTEC400將不包括以太網物理層，在運動控制器中可能作為PCI子系統連接。Siemens和NEC Electronics都已經公布了這兩種產品。由于成本的降低，這兩種ERTEC切換器將會在其它產品中出現。 市場目標 對于PROFINET有兩個主要的市場——分散控制和分散自動化。前者由目前傳統的自動化觀念所驅動，可能會有一個和PROFIBUS DP類似的傳統解決方案。由于自動化系統中各個單獨的部件級聯到單個生產單位（如噴涂生產線可能將包括清洗站、噴涂站、烘烤、冷卻和干燥，每個自動化系統都有自己的遠程I/O和一個或多個控制器），后者將得到相當的發展。目前，只有少數的企業采用這種自動化的方式（例如機床），而更多的最終用戶（尤其在汽車工業）將朝著這一方向發展。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，而且它還具有工業以太網的好處。本質上，它將提供和傳統遠程I/O塊同樣的I/O功能，因此能夠長期地保證生產商的投資。然而，它將涉及一些問題，例如不同的通信結構、新的組態/維護工具，因此它牽涉到對最終用戶的培訓以及庫存管理等問題。 和PROFIBUS一樣，每個PROFINET I/O設備都將分配一個ID號并具有組態文件（類似GSD）。這個文件叫GSDML，在XML中。GSDML文件定義了控制器和現場設備之間的應用關系，允許基于PROFINET標準和實時通信選擇來建立通信關系。在安裝期間使用UDP，一旦完成，使用第一階段同步方案，數據將在控制器和現場設備之間循環地傳輸。 分散的自動化系統是PROFINET的主要動力之一。基于多年來用于計算機行業中面向對象的技術，PROFINET把自動化模塊看作大型系統的一個“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簡化了計算機世界中對象的概念。這很適合現實的自動化系統應用中功能的本質。例如在噴涂生產線中，清洗系統首先完成它的任務，然后以機械方式將產品推向涂漆池，在噴涂作業時，它發出噴涂信號?！皺C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，它意味著不同的機器和系統能使用同樣的母“部件”，唯一不同的就是它們如何連接。 PROFINET將不同的自動化模塊之間的接口進行標準化，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就是通過標準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互聯一樣地進行組態。應用CAD軟件可以很好地剪切設計、組態和投運，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，因為它隱藏了網絡的復雜性，而且通信關系是自動執行的。 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，PROFINET程序就通過網絡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（遠程過程調用）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中。 與企業結合 基于以太網TCP/IP意味著PROFINET系統對于IT領域完全開放，也許更重要的是對于因特網以及基于網絡的服務和工具開放。例如，它能使用DHCP（分布式主機配置協議）自動地向網絡中的從站分配地址。SNMP可以用于網絡管理，允許對每個連接的設備進行遠程組態，并遠程地檢查狀態和診斷信息。 在PROFINET中定義網絡集成，允許使用通用的瀏覽器進行投運、診斷和維護。更進一步地協助與IT的集成就是把OPC作為通用接口用于提取數據。PROFINET定義了數據是如何在不同類型的激活設備中出現的。由OPC創建的跨現場總線分割的OPC DX（OPC數據交換）也用于PROFINET。 對傳統系統的影響 除了一些重疊的領域，在一段時間內，PROFINET要取代PROFIBUS是完全不可能的事情。市場分析預測轉折點將在2010年。原因很實際。即使以太網的誘惑力再大，用戶也不可能放棄已經在使用中的PROFIBUS系統。另外，現場總線將在未來的許多年中繼續滿足市場的需求，尤其在一些專門的領域例如機器安全和過程控制。市場調查顯示在未來四年中PROFIBUS的安裝節點將從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，逐步地轉到基于以太網的自動化解決方案的這一趨勢是不可避免的，因此，現有的系統和技術能簡單地與PROFINET結構集成，這點非常重要。已承認的有兩種解決方案—用代理服務器或基于部件。 基于部件的解決方案已經描述過了。但是代理服務器的解決方案對于PROFINET是獨一無二和值得關注的：它可以包含任何一種現場總線協議?；旧希粋€代理服務器是現場總線系統和PROFINET之間的網關。一半的設備面向的是PROFIBUS的世界（如PROFIBUS主站），而另一半的設備面向的是PROFINET世界。這兩個“世界”之間的透明通信允許代理服務器在以太網上代替從站設備。對于協議不要求有隧道，這使通信象純粹的PROFINET系統一樣有效率。 代理服務器技術可以與直接連接的系統和基于部件的子網絡一起使用。代理服務器的解決方案能靈活地適應任何現場總線系統，這意味著如果最終用戶要使設備移植到以太網的話，可以選擇PROFINET實現這個自動化的解決方案，而不用顧及正在使用的工業網絡。歐洲主要的汽車生產商一直呼吁工廠中統一的以太網解決方案，從這點看來，PROFINET能很好地滿足他們的要求。 但是，PROFINET具有一些強大的優勢。包含三個部分的通信解決方案為創新系統的設計和實現提供了有利的機會。IRT實時能力在自動化世界中有沖擊性的效應，尤其是它的新穎的切換技術?；赬ML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準化的工具和通用平臺降低成本。另外，代理服務器的概念已經證明其關聯性，實際上，PROFINET的“包容而不是替代”其它現場總線協議的能力是關鍵的因素。