工業(yè)通信標準PROFInet及其應用

1 引言
　　
　　 隨著(zhù)信息技術(shù)技術(shù)的飛速發(fā)展，當今自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展正日益受到信息技術(shù)原理及其標準的重大影響。在自動(dòng)化領(lǐng)域中集成信息技術(shù)可以為企業(yè)內部自動(dòng)化系統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(shù)使這種集成成為可能。PROFInet是Process Field Net的縮寫(xiě)，它是PROFIBUS客戶(hù)、生產(chǎn)商與系統集成聯(lián)盟協(xié)會(huì )推出的在PROFIBUS與以太網(wǎng)間全開(kāi)放的通信協(xié)議。PROFInet是一種基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)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及其他各種現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供以太網(wǎng)移植服務(wù);PROFInet標準的開(kāi)放性保證了其長(cháng)遠的兼容性與擴展性，從而可以保護用戶(hù)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以及其它現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)縫集成與連接。工程實(shí)踐證明，在組建企業(yè)工控網(wǎng)絡(luò )時(shí)采用PROFInet通訊技術(shù)可以節省近15%的硬件投資。
　　
　　2 PROFInet通訊標準
　　 PROFInet可以提供辦公室和自動(dòng)化領(lǐng)域開(kāi)放的、一致的連接。PROFInet方案覆蓋了分散自動(dòng)化系統的所有運行階段，它主要包含以下方面:(1)高度分散自動(dòng)化系統的開(kāi)放對象模型(結構模型);(2)基于Ethernet的開(kāi)放的、面向對象的運行期通信方案(功能單元間的通信關(guān)系);(3)獨立于制造商的工程設計方案(應用開(kāi)發(fā))。PROFInet方案可以用一條等式簡(jiǎn)單而明了地描述:
　　PROFInet=PROFIBUS+具有PROFIBUS和IT標準Ethernet的開(kāi)放的、一致的通信
　　
　　2.1 PROFInet設備的軟件結構
　　 PROFInet設備的軟件覆蓋了現場(chǎng)設備的整個(gè)運行期通信，基于模塊化設計的軟件包含若干通信層，每層都與系統環(huán)境一致。PROFInet軟件主要包括一個(gè)RPC(Remote Procedure Call)層，一個(gè)DCOM(Distributed Component Object Model)層和一個(gè)專(zhuān)門(mén)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(shí)時(shí)數據通道提供PROFInet對象與以太網(wǎng)間的實(shí)時(shí)通信服務(wù)。PROFInet通過(guò)系統接口連接到操作系統(如WinCE)，通過(guò)應用接口連接到控制器(如PLC)。
　　PROFInet的運行期軟件位于一個(gè)目錄固定的結構中，可以分為核心目錄和系統應用目錄。若通信開(kāi)始而核心目錄中的文件未改變，則系統應用目錄中的部分文件必須重建。所有的系統應用都是指向系統接口和應用接口，實(shí)現PROFInet設備的各項功能。PROFInet設備的軟件結構可以用圖1描述如下:
　　
　　圖1 PROFInet設備軟件結構
　　 PROFInet設備的軟件結構決定了PROFInet設備可以從企業(yè)管理層到現場(chǎng)層直接、透明地訪(fǎng)問(wèn)，并且提供對TCP/IP協(xié)議的絕對支持。PROFInet技術(shù)使企業(yè)用戶(hù)能夠方便地對現有的系統進(jìn)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在現場(chǎng)設備上的移植
　　 作為一種開(kāi)放的資源，PROFInet軟件通過(guò)移植到設備上的TCP/IP協(xié)議棧來(lái)完成在其他設備制造商的產(chǎn)品中快速而簡(jiǎn)單地實(shí)現。具體過(guò)程為:首先將開(kāi)放資源的RPC接口連接到TCP/IP協(xié)議棧和設備操作系統中的系統集成;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中;最后實(shí)現物理設備和邏輯設備對象、運行期對象和活動(dòng)控制連接對象的設備專(zhuān)用的DCOM應用。為單個(gè)部件組裝PROFInet設備時(shí)還必須用XML創(chuàng )建相應的描述。一個(gè)PROFInet設備的XML文件中應包括下列數據:(1)PROFInet設備的名稱(chēng)和ID號;(2)PROFInet設備的IP地址，診斷數據的訪(fǎng)問(wèn)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、數據類(lèi)型與格式;(4)PROFInet設備在整個(gè)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(gè)變量都代表一個(gè)確定的子功能，包括運行、輸入/輸出使能、復位、結束、停機、啟動(dòng)和錯誤。一個(gè)PROFInet設備中封裝的可以是一個(gè)控制器、一個(gè)執行器甚至是一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )。圖2所示的PROFInet設備中封裝了一個(gè)PROFIBUS-DP控制網(wǎng)絡(luò )。
　　
　　圖2 PROFInet設備的封裝
　　
　　 PROFInet設備之間通過(guò)DCOM模塊進(jìn)行通信。在PROFInet設備連接編輯器的圖形界面中可以方便地實(shí)現各PROFInet設備間的連接。一個(gè)具有沖洗、灌裝、封口和包裝4個(gè)環(huán)節的飲料生產(chǎn)廠(chǎng)家的生產(chǎn)流程可以用4個(gè)PROFInet設備串連連接實(shí)現(見(jiàn)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(hù)不必考慮各設備的內部運行機制。此外，PROFInet還集成了故障安全通信標準行規PROFIsafe，滿(mǎn)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(shí)現
　　
　　 PROFInet設備通信功能的實(shí)現是基于傳統的Ethernet通信機制(如TCP或UDP)，同時(shí)又采用RPC和DCOM機制進(jìn)行加強。DCOM可視為用于基于RPC分布式應用的COM技術(shù)的擴展，可以采用優(yōu)化的實(shí)時(shí)通信機制應用于對實(shí)時(shí)性要求苛刻的應用領(lǐng)域。在運行期間，PROFInet設備以DCOM對象的形式映像，通過(guò)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)議定義的形式出現在通信總線(xiàn)上。通過(guò)DCOM布線(xiàn)協(xié)議DCOM定義了對象的標識和具有有關(guān)接口和參數的方法，這樣就可以在通信總線(xiàn)上進(jìn)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(shù)的方式。
　　
　　3.1 PROFInet的基本通信方式
　　 PROFInet根據不同的應用場(chǎng)合定義了三種不同的通信方式:使用TCP/IP的標準通信;實(shí)時(shí)RT(Real-time)通信和同步實(shí)時(shí)IRT通信。PROFInet設備能夠根據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(chǎng)合下都提供對TCP/IP通信的絕對支持。由于絕大多數工廠(chǎng)自動(dòng)化應用場(chǎng)合對實(shí)時(shí)響應時(shí)間要求較高，為了能夠滿(mǎn)足自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)要求，PROFInet中規定了基于以太網(wǎng)層2的優(yōu)化實(shí)時(shí)通信通道，該方案極大地減少了通信棧上占用的時(shí)間，提高了自動(dòng)化數據刷新方面的性能。PROFInet不僅最小化了可編程控制器中的通信棧，而且對網(wǎng)絡(luò )中傳輸數據也進(jìn)行了優(yōu)化。采用PROFInet通信標準，系統對實(shí)時(shí)應用的響應時(shí)間可以縮短到5～10ms。PROFInet同時(shí)還支持高性能同步運動(dòng)控制應用，在該應用場(chǎng)合PROFInet提供對100個(gè)節點(diǎn)響應時(shí)間低于1ms的同步實(shí)時(shí)(IRT)通信，該功能是由層2上內嵌的同步實(shí)時(shí)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(gè)通信循環(huán)周期內，既包括IRT實(shí)時(shí)通信，又包括TCP/IP標準通信。PROFInet通信技術(shù)在很多應用場(chǎng)合都能體現出其極大的優(yōu)越性。工程實(shí)踐表明，在同步運動(dòng)控制場(chǎng)合采用PROFInet提供的IRT通信，系統性能將比采用現場(chǎng)總線(xiàn)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(shù)可以很容易地與OPC接口技術(shù)集成，以實(shí)現數據在更高通信層次上的交換。OPC接口設備在工控領(lǐng)域的應用十分廣泛，OPC接口技術(shù)定義了OPC DA(Data Access)與OPC DX(Data Exchange)兩個(gè)通信標準，分別應用于傳輸實(shí)時(shí)數據和實(shí)現異類(lèi)控制網(wǎng)絡(luò )間數據的交換。在PROFInet中集成OPC DX接口可以實(shí)現一個(gè)開(kāi)放的連接至其他系統，集成機制如下:
　　(1) 基于PROFInet的實(shí)時(shí)通信機制，每個(gè)PROFInet節點(diǎn)可以作為一個(gè)OPC服務(wù)器被尋址;
　　(2) 每個(gè)OPC服務(wù)器可以通過(guò)標準接口而作為一個(gè)PROFInet節點(diǎn)被操作。PROFInet的功能性遠比OPC優(yōu)越，PROFInet技術(shù)與OPC接口技術(shù)的集成不僅可以實(shí)現自動(dòng)化領(lǐng)域對實(shí)時(shí)通信的要求，還可以實(shí)現系統之間在更高層次上的交互。
　　4 PROFInet在自動(dòng)化領(lǐng)域的應用
　　
　　 PROFInet是一種優(yōu)越的通信技術(shù)，并已成功地應用于分布式智能控制。PROFInet為分布式自動(dòng)化系統結構的實(shí)現開(kāi)辟了新的前景，可以實(shí)現全廠(chǎng)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(luò )結構，使接線(xiàn)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(mǎn)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(jìn)入到過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域。在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，PROFInet針對工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)供電以及以太網(wǎng)本質(zhì)在安全領(lǐng)域應用的問(wèn)題正在形成標準或解決方案，采用PROFInet集成的PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)可以為過(guò)程自動(dòng)化工業(yè)提供優(yōu)越的解決方案(如圖5所示):
　　
　　圖5 PROFInet在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的應用
　　 采用PROFInet通訊技術(shù)，不僅可以集成PROFIBUS現場(chǎng)設備，還可以通過(guò)代理服務(wù)器(Proxy)實(shí)現其它種類(lèi)的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的集成。采用這種統一的面對未來(lái)的設計概念，工廠(chǎng)內各部件都可以作為獨立模塊預先組裝測試，然后在整個(gè)系統中輕松組裝或在其他項目中重復使用。譬如對于一個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)而言，PROFInet支持的實(shí)時(shí)解決方案完全可以滿(mǎn)足車(chē)體車(chē)間、噴漆車(chē)間和組裝部門(mén)等對響應時(shí)間的要求，在機械工程及發(fā)動(dòng)機和變速箱生產(chǎn)環(huán)節中的車(chē)床同步等方面則可使用PROFInet的同步實(shí)時(shí)功能。
　　
　　
　　5 結束語(yǔ)
　　
　　 PROFInet可以保證對現有系統投資的高度保護，并使工廠(chǎng)擁有創(chuàng )新標準的優(yōu)越性。鑒于PROFInet通訊技術(shù)的優(yōu)越性，目前已經(jīng)有部分生產(chǎn)廠(chǎng)家(如西門(mén)子，施奈德)開(kāi)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(jìn)入現場(chǎng)級的應用。