PROFINET —— 面向自动化未来的以太网现场总线解决方案 自动化技术总是处于一种不断的动态变化进程中。来自降低成本的压力甚至比提高过程流和产品质量的期盼还要强烈，而且对柔性生产资源的要求也来自市场驱动的需求，因此设备、系统和成套装置的制造商必须以飞速的创新来应对这些需求。更多来自市场和用户对信息技术的需求推动着IT 技术在自动化领域的普及。 市场需求和发展趋势 最重要的一个因素是成套装置较好的结构性，因此自动化技术进一步发展成为分布式自动化系统。这与用户要求即日益复杂技术的开放性、一致性和易于使用性携手并进。对与公司管理层接口的要求反映了希望直接交换订单和生产数据的能力。因特网的连接性可使订单的发送以及在装备上执行远程服务和维护措施成为可能。简单且经济地满足这些要求的惟一途径是基于一种统一的通信技术。 同时，为了能够比过去更快捷、更高效地转变为生产一种新产品就需要制造装备更具有灵活性。此要求对自动化系统的体系结构和工程设计有着巨大的影响。只有在工业通信中寻求新的途径才能同时满足所有这些要求。未来自动化方案需要新的技术。如果自动化系统旨在满足用户的上述要求，则它们必须能集成和互连在自动化金字塔中现有的各个层和段。 目前可以看清楚的一个趋势是自动化系统的结构(图1)。由于微处理器的功能日益强大以及计算机的成本相当低廉，越来越多的自动化过程中过去由集中点完成的功能现正逐步由带有预处理功能（分散化智能）的现场设备、传感器和执行器所取代。 到目前为止，自动化解决方案已主要由分布式布局的带执行器、传感器或智能现场设备的一套集中处理单元（PLC、PC、IPC）组成，通过现场总线进行连接。在此情况下，总线系统代替了传统的并行布线，并提供了传输附加参数化数据和诊断数据的能力；电子代替了机械，软件代替了硬件。 实现未来自动化解决方案的另一大进步是使用了分布式自动化结构，即将集中处理能力分散到需要完成此项工作或需要满足此技术要求的场所（驱动器、阀、控制台等）。其结果是产生了可以根据应用而进行组合的各个具有独立控制能力的功能单元。具有独立控制能力的功能单元具有以下几大优点： 1 通过具有独立控制能力的运行应用程序而具有较高的可用性（创建已定义的过程状态）。 2 用户软件的易于重复使用性（软件的构造与模块化）。 3 直接在OEM进行模块的预测试（设置传感器、驱动器和调节器）。 4 通过并行启动显著地减少投运时间（并行I/O 检查、功能测试、部分启动）。 5 装备/机器的标准化（客户定制的装备/机器的组态）。 对于这些要求交互作用的功能单元，具有开放和独立于制造商体系结构的模型是势在必行的，这种模型不仅定义了装备（用于创建应用）的工程设计，而且定义了功能单元和它们的设备（如PLC、驱动器、开关柜和现场设备）之间的通信。 另一个趋势源于用户出于读取订单和自动化层的生产数据并执行远程服务和维护措施等目的对纵向一致性的需求（图2左侧）。这样，已经在办公室领域标准化和成熟的IT 技术也能用于自动化领域。因而不需要巨大的费用就可能从企业资源计划层（ERP）经由制造执行系统层（MES）直至现场层存取数据和交换信息。 在过去的几年中，开放标准的使用已在所有领域和所有层确立。在现场领域，目前这牵涉到使用PROFIBUS 标准、以太网标准和TCP/IP。现今，面向应用的通信是使用OPC、COM/DCOM（图2 右侧）执行的。支持面向对象的方法的开放标准（如ActiveX 和XML）用于结构和接口的描述。这和微软的Office应用程序在工业领域中的使用情况差不多。 PROFINET 概述 工业以太网在现场层面的应用已经崭露头角，虽然这与起初对这一技术的乐观预期尚存距离。接下来，以太网用户自然会期望在办公环境中所能享有的种种优势在工业现场总线解决方案中同样可得以实现。所有这些的实现还不应对以太网的开放性产生任何影响。 PROFINET是源自PROFIBUS 现场总线国际标准组织 (PI)的开放的自动化总线标准；基于工业以太网标准；使用TCP/IP 协议和 IT标准；实现自动化技术与实时以太网技术的统一；能够无缝集成其他现场总线系统。 PROFINET 可将所有工厂自动化功能甚至高性能驱动技术应用均包括在内。开放式标准可适用于工业自动化的所有相关要求：工业可兼容安装技术、简单网络管理和诊断、实时功能、通过工业以太网集成分布式现场设备以及高效的与制造商无关的工程与组态等。 PROFINET 符合已有IT标准，并支持 TCP/IP，确保了公司范围内各部门间的通信交流。现有技术或现场总线系统与该一致性基础设施在管理层面和现场层面均可集成。这样，分布式现场设备可通过PROFINET与工业以太网直接相连。设备网络结构的一致性同时可确保整个生产厂的通信一致性。 通过 PROFINET，无需任何专业知识，即可根据“PROFINET 安装指南”实现工业可兼容布线网络。对于地址分配和设备网络诊断等问题，PROFINET 使用的 IT 标准 为 DCP（Discovery and Basic Configuration）、SNMP（简单网络管理协议，Simple Network Management Protocol）、HTML 以及 XML。所有这些设备的集成为用户在试车和维修等方面提供了更高效、更经济的可能性。 1.实时、运动控制、安全解决方案 通过实现分布式现场设备与以太网的相互联接，可以提高整个系统的协同性，从公司管理层直到现场设备均是如此。这使得以太网可适用于严峻的工业环境（高温场和杂散发射 /EMC）。此外，实时功能也是完成最新通信任务的当务之急，以太网从前并不使用这一功能。 PROFINET 支持两类实时通信，其一是工厂自动化的简单应用，其二是实时数据交换的反应时间取决于现代日常现场总线的性能。软件解决方案 RT（实时）可实现生产自动化系统所必需的 5～10 ms的时间周期。对于运动控制这一具有最大要求的领域，西门子采用了IRT同步实时的 ASIC 芯片解决方案．所谓同步实时(IRT)，即极短的反应时间，特别适用于快速的时钟同步运动控制应用的要求。在 1 ms时间周期内，实现对 100 多个轴的控制，而抖动不足 1ms时间。通过标准以太网连接的各元件之间的通信不会受到影响。 根据 Profidrive 通信行规，可实现运动控制系统和驱动间的通信功能，与生产商无关，而不受总线系统的影响，PROFINET 或 PROFIBUS 均可实现。 随着两年前 Profisafe 上市，在同一总线即 PROFIBUS 总线上同时实现标准应用和安全相关应用的技术已经确立。这些安全相关应用两年内也将在 PROFINET 下成为现实。根据 Profisafe 安全行规，PROFINET 可确保完美的安全性，可用于标准和故障安全应用。 2.CBA-基于组件的自动化 PROFINET 将 PROFIBUS 和其他现场总线集成为一种通用的通讯概念，并且通过基于组件的自动化技术 (CBA)，还可实现一种统一的面对未来的设计概念。这样，工厂各组件可作为独立模块预先组装测试，之后在整个系统中轻松组装，或在其他项目中重复使用。根据 PROFINET 标准设计的一款最新设计软件可实现一项关键功能，即通过图形组态替代以往自动化设备和智能现场设备之间必要的通信编程环节。西门子的 Simatic iMap 即可提供这样的软件。 基于组件的自动化是基于“组件”原理实现的。所谓“组件”就是实现基于开放标准的模块化、分布式应用的一种统一的软件结构。具体讲，就是将机械组件、电力电子器件和用户程序也就是一个具有独立工作能力的工艺模块抽象成一个可以反复使用的“组件封装”。组件可以独立运行，并且可以方便地与其他组件交换数据。 (1)PROFINET 组件模型 这些系统通常由几个子单元组成，这些子单元作为工艺模块 自治地运行，通过可管理的一系列同步化、顺序控制和信息交换信号协调它们的交互作用。PROFINET 组件模型使用这样的技术模块作为其基础。这些技术模块是下列几方面的结合：机械、电子和用户程序，即属于一个智能功能单元的那些部分。 PROFINET使用了已成功应用于IT 领域的组件技术，也就是将一个工艺模块的全部功能封装在一个有关的软件组件内。对这样一种组件建模为一个对象，并视其为一个黑匣子。 为了与分布式系统内的其他组件进行通信，定义了对外部的工艺模块接口。在此接口上，只可存取需要与其他组件发生交互作用的那些变量。在系统的工程设计阶段，这些组件和它们的设备之间的通信关系由其接口和一个专用的应用程序之间的组态连接进行定义。以这些方式设计的一个分布式自动化系统是成套装备和机器模块化的前提，从而可重复使用该成套装备和机器的组件。很显然，这样就可以大幅度地降低工程设计成本。 (2)PROFINET 工程设计模型分为：编程各个工艺模块的控制逻辑以及整个系统的工艺组态。分3个阶段创建系统范围的应用程序。 1）创建组件 机器或设备的制造商创建组件（作为工艺模块的通信封装）。与以前一样，采用有关的制造商专用的工具对这些组件进行编程和组态。这样，就可继续使用现有