工業(yè)通信標準PROFInet及其應用

1 引言
　　
　　 隨著信息技術技術的飛速發(fā)展，當今自動化技術的發(fā)展正日益受到信息技術原理及其標準的重大影響。在自動化領域中集成信息技術可以為企業(yè)內(nèi)部自動化系統(tǒng)間的全局通信提供解決方案，基于工業(yè)以太網(wǎng)通信標準的PROFInet通信技術使這種集成成為可能。PROFInet是Process Field Net的縮寫，它是PROFIBUS客戶、生產(chǎn)商與系統(tǒng)集成聯(lián)盟協(xié)會推出的在PROFIBUS與以太網(wǎng)間全開放的通信協(xié)議。PROFInet是一種基于實時工業(yè)以太網(wǎng)的自動化解決方案，包括一整套完整高性能并可升級的解決方案，可以為PROFIBUS及其他各種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡提供以太網(wǎng)移植服務;PROFInet標準的開放性保證了其長遠的兼容性與擴展性，從而可以保護用戶的投資與利益。PROFInet可以使工程與組態(tài)、試運行、操作和維護更為便捷，并且能夠與PROFIBUS以及其它現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫集成與連接。工程實踐證明，在組建企業(yè)工控網(wǎng)絡時采用PROFInet通訊技術可以節(jié)省近15%的硬件投資。
　　
　　2 PROFInet通訊標準
　　 PROFInet可以提供辦公室和自動化領域開放的、一致的連接。PROFInet方案覆蓋了分散自動化系統(tǒng)的所有運行階段，它主要包含以下方面:(1)高度分散自動化系統(tǒng)的開放對象模型(結(jié)構(gòu)模型);(2)基于Ethernet的開放的、面向?qū)ο蟮倪\行期通信方案(功能單元間的通信關系);(3)獨立于制造商的工程設計方案(應用開發(fā))。PROFInet方案可以用一條等式簡單而明了地描述:
　　PROFInet=PROFIBUS+具有PROFIBUS和IT標準Ethernet的開放的、一致的通信
　　
　　2.1 PROFInet設備的軟件結(jié)構(gòu)
　　 PROFInet設備的軟件覆蓋了現(xiàn)場設備的整個運行期通信，基于模塊化設計的軟件包含若干通信層，每層都與系統(tǒng)環(huán)境一致。PROFInet軟件主要包括一個RPC(Remote Procedure Call)層，一個DCOM(Distributed Component Object Model)層和一個專門為PROFInet對象定義的層。PROFInet對象可以是ACCO(Active Connection Control Object)設備、RT auto(Runtime Automation)設備、物理設備或邏輯設備。軟件中定義的實時數(shù)據(jù)通道提供PROFInet對象與以太網(wǎng)間的實時通信服務。PROFInet通過系統(tǒng)接口連接到操作系統(tǒng)(如WinCE)，通過應用接口連接到控制器(如PLC)。
　　PROFInet的運行期軟件位于一個目錄固定的結(jié)構(gòu)中，可以分為核心目錄和系統(tǒng)應用目錄。若通信開始而核心目錄中的文件未改變，則系統(tǒng)應用目錄中的部分文件必須重建。所有的系統(tǒng)應用都是指向系統(tǒng)接口和應用接口，實現(xiàn)PROFInet設備的各項功能。PROFInet設備的軟件結(jié)構(gòu)可以用圖1描述如下:
　　
　　圖1 PROFInet設備軟件結(jié)構(gòu)
　　 PROFInet設備的軟件結(jié)構(gòu)決定了PROFInet設備可以從企業(yè)管理層到現(xiàn)場層直接、透明地訪問，并且提供對TCP/IP協(xié)議的絕對支持。PROFInet技術使企業(yè)用戶能夠方便地對現(xiàn)有的系統(tǒng)進行擴展和集成，是一種優(yōu)化的工業(yè)以太網(wǎng)通信標準。
　　
　　2.2 PROFInet在現(xiàn)場設備上的移植
　　 作為一種開放的資源，PROFInet軟件通過移植到設備上的TCP/IP協(xié)議棧來完成在其他設備制造商的產(chǎn)品中快速而簡單地實現(xiàn)。具體過程為:首先將開放資源的RPC接口連接到TCP/IP協(xié)議棧和設備操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)集成;然后再將PROFInet協(xié)議棧的DCOM(Discrete Component Object Module)機制集成到設備的操作系統(tǒng)中;最后實現(xiàn)物理設備和邏輯設備對象、運行期對象和活動控制連接對象的設備專用的DCOM應用。為單個部件組裝PROFInet設備時還必須用XML創(chuàng)建相應的描述。一個PROFInet設備的XML文件中應包括下列數(shù)據(jù):(1)PROFInet設備的名稱和ID號;(2)PROFInet設備的IP地址，診斷數(shù)據(jù)的訪問方式和設備連接方式;(3)PROFInet設備的硬件分配，設備接口以及為各接口定義的變量、數(shù)據(jù)類型與格式;(4)PROFInet設備在整個工程中的保存地址。
　　
　　 PROFInet設備將它的所有功能封裝到其軟件中，并提供變量接口與其它的PROFInet設備相連。變量接口的每個變量都代表一個確定的子功能，包括運行、輸入/輸出使能、復位、結(jié)束、停機、啟動和錯誤。一個PROFInet設備中封裝的可以是一個控制器、一個執(zhí)行器甚至是一個控制網(wǎng)絡。圖2所示的PROFInet設備中封裝了一個PROFIBUS-DP控制網(wǎng)絡。
　　
　　圖2 PROFInet設備的封裝
　　
　　 PROFInet設備之間通過DCOM模塊進行通信。在PROFInet設備連接編輯器的圖形界面中可以方便地實現(xiàn)各PROFInet設備間的連接。一個具有沖洗、灌裝、封口和包裝4個環(huán)節(jié)的飲料生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)流程可以用4個PROFInet設備串連連接實現(xiàn)(見圖3)。
　　
　　圖3 PROFInet設備的連接
　　 所有設備的接口都在PROFInet中做了一致的定義，因此都能夠靈活地組合和重新使用，用戶不必考慮各設備的內(nèi)部運行機制。此外，PROFInet還集成了故障安全通信標準行規(guī)PROFIsafe，滿足對人員、設備和環(huán)境的全面安全的需求，可用于故障安全應用。
　　3 PROFInet通信功能的實現(xiàn)
　　
　　 PROFInet設備通信功能的實現(xiàn)是基于傳統(tǒng)的Ethernet通信機制(如TCP或UDP)，同時又采用RPC和DCOM機制進行加強。DCOM可視為用于基于RPC分布式應用的COM技術的擴展，可以采用優(yōu)化的實時通信機制應用于對實時性要求苛刻的應用領域。在運行期間，PROFInet設備以DCOM對象的形式映像，通過對象協(xié)議機制確保了DCOM對象的通信。COM對象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在通信總線上。通過DCOM布線協(xié)議DCOM定義了對象的標識和具有有關接口和參數(shù)的方法，這樣就可以在通信總線上進行標準化的DCOM信息包的傳輸。對于更高層次上的通信，PROFInet可以采用集成OPC(OLE for Process Control)接口技術的方式。
　　
　　3.1 PROFInet的基本通信方式
　　 PROFInet根據(jù)不同的應用場合定義了三種不同的通信方式:使用TCP/IP的標準通信;實時RT(Real-time)通信和同步實時IRT通信。PROFInet設備能夠根據(jù)通信要求選擇合適的通信方式。
　　 PROFInet使用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為通信基礎，在任何場合下都提供對TCP/IP通信的絕對支持。由于絕大多數(shù)工廠自動化應用場合對實時響應時間要求較高，為了能夠滿足自動化中的實時要求，PROFInet中規(guī)定了基于以太網(wǎng)層2的優(yōu)化實時通信通道，該方案極大地減少了通信棧上占用的時間，提高了自動化數(shù)據(jù)刷新方面的性能。PROFInet不僅最小化了可編程控制器中的通信棧，而且對網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)也進行了優(yōu)化。采用PROFInet通信標準，系統(tǒng)對實時應用的響應時間可以縮短到5～10ms。PROFInet同時還支持高性能同步運動控制應用，在該應用場合PROFInet提供對100個節(jié)點響應時間低于1ms的同步實時(IRT)通信，該功能是由層2上內(nèi)嵌的同步實時交換芯片ERTEC提供的。PROFInet的通信循環(huán)如圖4所示。
　　
　　圖4 PROFInet通信循環(huán)
　　 在PROFInet設備的一個通信循環(huán)周期內(nèi)，既包括IRT實時通信，又包括TCP/IP標準通信。PROFInet通信技術在很多應用場合都能體現(xiàn)出其極大的優(yōu)越性。工程實踐表明，在同步運動控制場合采用PROFInet提供的IRT通信，系統(tǒng)性能將比采用現(xiàn)場總線方案提升近100倍。
　　
　　3.2 PROFInet與OPC的集成
　　 由于PROFInet與OPC均采用了DCOM通訊機制，因此PROFInet通訊技術可以很容易地與OPC接口技術集成，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在更高通信層次上的交換。OPC接口設備在工控領域的應用十分廣泛，OPC接口技術定義了OPC DA(Data Access)與OPC DX(Data Exchange)兩個通信標準，分別應用于傳輸實時數(shù)據(jù)和實現(xiàn)異類控制網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)的交換。在PROFInet中集成OPC DX接口可以實現(xiàn)一個開放的連接至其他系統(tǒng)，集成機制如下:
　　(1) 基于PROFInet的實時通信機制，每個PROFInet節(jié)點可以作為一個OPC服務器被尋址;
　　(2) 每個OPC服務器可以通過標準接口而作為一個PROFInet節(jié)點被操作。PROFInet的功能性遠比OPC優(yōu)越，PROFInet技術與OPC接口技術的集成不僅可以實現(xiàn)自動化領域?qū)崟r通信的要求，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)之間在更高層次上的交互。
　　4 PROFInet在自動化領域的應用
　　
　　 PROFInet是一種優(yōu)越的通信技術，并已成功地應用于分布式智能控制。PROFInet為分布式自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)開辟了新的前景，可以實現(xiàn)全廠工程徹底模塊化，包括機械部件、電氣/電子部件和應用軟件。PROFInet支持各種形式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使接線費用最小化，并保證高度的可用性。此外，特別設計的工業(yè)電纜和耐用的連接器滿足EMC和溫度要求并形成標準，保證了不同制造設備之間的兼容性。
　　
　　 PROFInet不僅可以應用于分布式智能控制，而且還逐漸進入到過程自動化領域。在過程自動化領域，PROFInet針對工業(yè)以太網(wǎng)總線供電以及以太網(wǎng)本質(zhì)在安全領域應用的問題正在形成標準或解決方案，采用PROFInet集成的PROFIBUS現(xiàn)場總線可以為過程自動化工業(yè)提供優(yōu)越的解決方案(如圖5所示):
　　
　　圖5 PROFInet在過程自動化領域中的應用
　　 采用PROFInet通訊技術，不僅可以集成PROFIBUS現(xiàn)場設備，還可以通過代理服務器(Proxy)實現(xiàn)其它種類的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的集成。采用這種統(tǒng)一的面對未來的設計概念，工廠內(nèi)各部件都可以作為獨立模塊預先組裝測試，然后在整個系統(tǒng)中輕松組裝或在其他項目中重復使用。譬如對于一個汽車生產(chǎn)企業(yè)而言，PROFInet支持的實時解決方案完全可以滿足車體車間、噴漆車間和組裝部門等對響應時間的要求，在機械工程及發(fā)動機和變速箱生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的車床同步等方面則可使用PROFInet的同步實時功能。
　　
　　
　　5 結(jié)束語
　　
　　 PROFInet可以保證對現(xiàn)有系統(tǒng)投資的高度保護，并使工廠擁有創(chuàng)新標準的優(yōu)越性。鑒于PROFInet通訊技術的優(yōu)越性，目前已經(jīng)有部分生產(chǎn)廠家(如西門子，施奈德)開始為他們生產(chǎn)的設備提供PROFInet接口。作為新一代的工業(yè)以太網(wǎng)通信標準，PROFInet正在以前所未有的速度進入現(xiàn)場級的應用。