PROFINET自动化通信技术在工业自动化领域的应用研究

PROFINET技术的出现将为工业自动化领域提供一种全新的通信解决方案，即整个工厂全部使用一个网络连接在一起，并且满足用户通信实时性和确定性的要求。

图1 PROFINET解决方案提供基于工业以太网技术的工业自动化通信标准

PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International）推出，是新一代基于工业以太网技术的工业自动化通信标准。PROFINET解决方案囊括了诸如实时以太网、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话题，并且完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术。因此，PROFINET技术的出现将为工业自动化领域提供一种全新的通信解决方案，即整个工厂全部使用一个网络连接在一起。

1、需求的转变

过去的十几年间，在工厂自动化和过程自动化领域中，现场总线是现场级通信系统中的主流解决方案。不过，随着技术的不断进步和发展，传统现场总线越来越多地表现出了其本身的局限性。一方面，随着现场设备智能程度的不断提高，控制变得越来越分散，分布在工厂各处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制数据，这使得现场设备之间数据的交换量飞速增长；另一方面，随着计算机技术的发展，企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中，于是，企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据，并通过工业通信网络实现远程服务和维护，因此，纵向一致性也成为热门的话题，用户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通信方案，这样可以大大简化工厂控制系统的结构，节约系统实施和维护的成本。

图2 PROFINET适用于工厂的各种实时要求

基于这样的需求，以太网技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透，以太网技术开始广泛地应用于工厂的控制级通信。在自动化世界中使用以太网解决方案有几方面显著的优势：统一的架构、集成的通信以及强大的服务和诊断功能。从目前工业自动化控制领域的情况来看，以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势。

2、面对实时通信的挑战

不过，将以太网技术应用于工厂的生产控制过程中并不是一个简单的移植过程。在将以太网技术引入到控制级通信的过程中，为了满足工业控制系统的特殊需求，如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求，必须对普通的办公室以太网做出调整和补充，以保证以太网技术在工业现场应用的可靠性，即我们常说的工业以太网。目前，在控制级通信网络领域中，工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和接受，企业和工厂也充分享受到了高性能通信网络带来的便利和收益。尽管如此，工业以太网技术在向最底层的现场级控制系统渗透时遇到了难以克服的障碍——通信的实时性和确定性。

与普通的办公室网络和控制级的工业以太网不同，在现场级网络中传输的往往都是工业现场的I/O信号以及控制信号，从控制安全的角度来说，系统对这些来自于现场传感器的I/O信号要能够及时获取，并及时做出响应，将控制信号及时准确地传递到相应的动作单元中，因此，现场级通信网络对通信的实时性和确定性有极高的要求。这也正是普通的工业以太网技术在现场级通信网络中难以和现场总线技术抗衡的重要原因。

3、支持三种通信方式

在现场级通信网络中，传输时间是十分重要的衡量因素。为了保证通信的实时性，需要对信号的传输时间做精确的计算。当然，不同的现场应用对通信系统的实时性有不同的要求，在衡量系统实时性的时候，一般用响应时间作为系统实时性的标尺。

根据响应时间的不同，PROFINET支持下列三种通信方式：

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，尽管其响应时间大概在100 ms的量级，不过对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间已经足够了。

2）、实时（RT）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、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通信通道，通过该实时通道可极大地减少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

网络节点也包含在网络的同步过程之中，即交换机。同步的交换机在PROFINET概念中占有十分重要的位置。在传统的交换机中，要传递的信息必定在交换机中延迟一段时间，直到交换机翻译出信息的目的地址并转发该信息为止。这种基于地址的信息转发机制会对数据的传送时间产生不利的影响。为了解决这个问题，PROFINET在实时通道中使用一种优化的机制来实现信息的转发。

3）、等时同步实时（IRT）通信

现场级通信对通信实时性要求最高的是运动控制，PROFINET的等时同步实时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1ms，以此来保证及时的、确定的响应。

4 保障同步实时

对于PROFINET ，为了保证高质量的等时通信，所有的网络节点必须很好地实现同步，这样才能保证数据在精确相等的时间间隔内被传输，网络上的所有站点必须通过精确的时钟同步以实现同步实时以太网。例如：通过规律的同步数据实现通信循环的同步，其精度可以达到微秒级。这个同步过程可以精确记录其所控制的系统的所有时间参数，因此能够在每个循环的开始实现非常精确的时间同步。这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，想要获得这么高精度的同步实时，必须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子IRT等时实时ASIC芯片。

每个通信周期被分成两个不同的部分，一个是循环的、确定的部分，被称之为“实时通道”；另外一个是标准通道，标准的TCP/IP数据通过这个通道传输。

实时通道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。这样，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，实现了PROFINET技术对以太网技术的兼容。基于普通以太网技术的各种网络服务功能，如SNMP、HTML等，也同样可以在PROFINET上运行。用户在获得高性能实时网络的同时，还可以享受以太网技术和IT技术带来的便利。

图3 循环周期分为实时通道和开放通道

由于实时数据在确定的时刻以确定的顺序发送，因此，在交换机中建立一个时间表格，通过该时间表格，交换机就可以知道在什么时间来传送实时信息，信息的转发几乎没有延时。如果有发生冲突的危险，标准的TCP/IP信息就暂时保存在交换机中，在下一个开放通信周期再发送。这种机制很好地保证了系统响应时间。例如：使用PROFINET构建的实时通信网络可以在1ms的时间周期内实现对100多个轴的控制，其抖动误差小于1ms，可以很好地满足运动控制对通信实时性的要求。

5、开放的协议走向未来

作为国际标准IEC61158的重要组成部分，PROFINET是完全开放的协议，而且PROFINET和标准以太网完全兼容，集成IRT功能的交换机和一个普通交换机在平时工作起来是完全一样的，也就是说，IRT交换机可以和普通交换机一样使用，即使在使用实时通道时，它同样可以在它的开放通道使用其他标准功能，所以，根据环境的需求，自动化组件之间可以通过相同网络、相同的连接建立不同的通信链路，为用户的使用提供了极大的方便。

PROFINET基于以太网，使用TCP/IP和IT标准，是实时的自动化通信技术，能够与现有现场总线系统PROFIBUS等无缝地集成，能连接更多的站点，可用于运动控制应用中，使用工业局域网进行无线通信，且便于扩大规模和扩大新的应用领域。总之，PROFINET是基于以太网的完整解决方案。PROFIBUS国际组织主席Edgar Kuster先生认为这一技术将在市场上保持至少15年的技术领先优势。

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