工業通信標準PROFInet及其應用

隨著信息技術技術的飛速發展,當今自動化技術的發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內部自動化系統間的全局通信提供解決方案,基于工業以太網通信標準的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、生產商與系統集成聯盟協會推出的在PROFIBUS與以太網間全開放的通信協議。PROFInet是一種基于實時工業以太網的自動化解決方案,包括一整套完整高性能并可升級的解決方案,可以為PROFIBUS及其他各種現場總線網絡提供以太網移植服務;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、試運行、操作和維護更為便捷,并且能夠與PROFIBUS以及其它現場總線網絡實現無縫集成與連接。工程實踐證明,在組建企業工控網絡時采用PROFInet通訊技術可以節省近15%的硬件投資。
　　
　　2 PROFInet通訊標準
　　 PROFInet可以提供辦公室和自動化領域開放的、一致的連接。PROFInet方案覆蓋了分散自動化系統的所有運行階段,它主要包含以下方面:(1)高度分散自動化系統的開放對象模型(結構模型);(2)基于Ethernet的開放的、面向對象的運行期通信方案(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)。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設備的軟件結構
　　 PROFInet設備的軟件覆蓋了現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,每層都與系統環境一致。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據通道提供PROFInet對象與以太網間的實時通信服務。PROFInet通過系統接口連接到操作系統(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構中,可以分為核心目錄和系統應用目錄。若通信開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:
　　

>　　 PROFInet設備的軟件結構決定了PROFInet設備可以從企業管理層到現場層直接、透明地訪問,并且提供對TCP/IP協議的絕對支持。PROFInet技術使企業用戶能夠方便地對現有的系統進行擴展和集成,是一種優化的工業以太網通信標準。
　　
　　2.2 PROFInet在現場設備上的移植
　　 作為一種開放的資源,PROFInet軟件通過移植到設備上的TCP/IP協議棧來完成在其他設備制造商的產品中快速而簡單地實現。具體過程為:首先將開放資源的RPC接口連接到TCP/IP協議棧和設備操作系統中的系統集成;然后再將PROFInet協議棧的DCOM(Discrete Component Object Module)機制集成到設備的操作系統中;最后實現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創建相應的描述。一個PROFInet設備的XML文件中應包括下列數據:(1)PROFInet設備的名稱和ID號;(2)PROFInet設備的IP地址,診斷數據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、數據類型與格式;(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、一個執行器甚至是一個控制網絡。圖2所示的PROFInet設備中封裝了一個PROFIBUS-DP控制網絡。
　　
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　　 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各PROFInet設備間的連接。一個具有沖洗、灌裝、封口和包裝4個環節的飲料生產廠家的生產流程可以用4個PROFInet設備串連連接實現(見圖3)。
　　
>　　 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部運行機制。此外,PROFInet還集成了故障安全通信標準行規PROFIsafe,滿足對人員、設備和環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
　　
　　 PROFInet設備通信功能的實現是基于傳統的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,通過對象協議機制確保了DCOM對象的通信。COM對象作為PDU以DCOM協議定義的形式出現在通信總線上。通過DCOM布線協議DCOM定義了對象的標識和具有有關接口和參數的方法,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設備能夠根據通信要求選擇合適的通信方式。
　　 PROFInet使用以太網和TCP/IP協議作為通信基礎,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中規定了基于以太網層2的優化實時通信通道,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,而且對網絡中傳輸數據也進行了優化。采用PROFInet通信標準,系統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上內嵌的同步實時交換芯片ERTEC提供的。PROFInet的通信循環如圖4所示。
　　
>　　 在PROFInet設備的一個通信循環周期內,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出其極大的優越性。工程實踐表明,在同步運動控制場合采用PROFInet提供的IRT通信,系統性能將比采用現場總線方案提升近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,以實現數據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據和實現異類控制網絡間數據的交換。在PROFInet中集成OPC DX接口可以實現一個開放的連接至其他系統,集成機制如下:
　　(1) 基于PROFInet的實時通信機制,每個PROFInet節點可以作為一個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節點被操作。PROFInet的功能性遠比OPC優越,PROFInet技術與OPC接口技術的集成不僅可以實現自動化領域對實時通信的要求,還可以實現系統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結構的實現開辟了新的前景,可以實現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支持各種形式的網絡結構,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針對工業以太網總線供電以及以太網本質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現場總線可以為過程自動化工業提供優越的解決方案(如圖5所示):
　　
>　　 采用PROFInet通訊技術,不僅可以集成PROFIBUS現場設備,還可以通過代理服務器(Proxy)實現其它種類的現場總線網絡的集成。采用這種統一的面對未來的設計概念,工廠內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企業而言,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,在機械工程及發動機和變速箱生產環節中的車床同步等方面則可使用PROFInet的同步實時功能。
　　
>　　5 結束語
　　
　　 PROFInet可以保證對現有系統投資的高度保護,并使工廠擁有創新標準的優越性。鑒于PROFInet通訊技術的優越性,目前已經有部分生產廠家(如西門子,施奈德)開始為他們生產的設備提供PROFInet接口。作為新一代的工業以太網通信標準,PROFInet正在以前所未有的速度進入現場級的應用。