工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)PROFInet及其應(yīng)用

1、工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)PROFInet及其應(yīng)用發(fā)布日期：2011-09-27   瀏覽次數(shù)：2110 分享到： 0【摘 要】：隨著信息技術(shù)技術(shù)的飛速發(fā)展,當(dāng)今自動化技術(shù)的發(fā)展正日益受到信息技術(shù)原理及其標(biāo)準(zhǔn)的重大影響。在自動化領(lǐng)域中集成信息技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的PROFInet通信技術(shù)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。1 引言 隨著信息技術(shù)技術(shù)的飛速發(fā)展,當(dāng)今自動化技術(shù)的發(fā)展正日

2、益受到信息技術(shù)原理及其標(biāo)準(zhǔn)的重大影響。在自動化領(lǐng)域中集成信息技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的PROFInet通信技術(shù)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(luò)提供以太網(wǎng)移植服務(wù);PROFInet標(biāo)準(zhǔn)的開放性保證了其長遠(yuǎn)的兼容性與擴(kuò)展性,從而可以保護(hù)用戶的投資與利益。PRO

3、FInet可以使工程與組態(tài)、試運(yùn)行、操作和維護(hù)更為便捷,并且能夠與PROFIBUS以及其它現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)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(luò)時采用PROFInet通訊技術(shù)可以節(jié)省近15%的硬件投資。2 PROFInet通訊標(biāo)準(zhǔn) PROFInet可以提供辦公室和自動化領(lǐng)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(yùn)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\(yùn)行期通信方案（功能單元間的通信關(guān)系）;（3）獨(dú)立于制造商的工程設(shè)計方案（應(yīng)用開發(fā)）。PROFInet方案可以用一條等式簡

4、單而明了地描述:PROFInet=Profibus+具有PROFIBUS和IT標(biāo)準(zhǔn)Ethernet的開放的、一致的通信。2.1 PROFInet設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu) PROFInet設(shè)備的軟件覆蓋了現(xiàn)場設(shè)備的整個運(yùn)行期通信,基于模塊化設(shè)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(shè)備、

5、RT auto（Runtime Automation）設(shè)備、物理設(shè)備或邏輯設(shè)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(wù)。PROFInet通過系統(tǒng)接口連接到操作系統(tǒng)（如WinCE）,通過應(yīng)用接口連接到控制器（如PLC）。PROFInet的運(yùn)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(yīng)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(yīng)用目錄中的部分文件必須重建。所有的系統(tǒng)應(yīng)用都是指向系統(tǒng)接口和應(yīng)用接口,實現(xiàn)PROFInet設(shè)備的各項功能。PROFInet設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)可以用圖1描述如下: PROFInet設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)決定了PROFInet設(shè)備可以

6、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(shù)使企業(yè)用戶能夠方便地對現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和集成,是一種優(yōu)化的工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。2.2 PROFInet在現(xiàn)場設(shè)備上的移植 作為一種開放的資源,PROFInet軟件通過移植到設(shè)備上的TCP/IP協(xié)議棧來完成在其他設(shè)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(shè)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(jī)制集成到設(shè)備的操作系統(tǒng)中;最后實現(xiàn)物理設(shè)備和邏輯設(shè)備對象

7、、運(yùn)行期對象和活動控制連接對象的設(shè)備專用的DCOM應(yīng)用。為單個部件組裝PROFInet設(shè)備時還必須用XML創(chuàng)建相應(yīng)的描述。一個PROFInet設(shè)備的XML文件中應(yīng)包括下列數(shù)據(jù):（1）PROFInet設(shè)備的名稱和ID號;（2）PROFInet設(shè)備的IP地址,診斷數(shù)據(jù)的訪問方式和設(shè)備連接方式;（3）PROFInet設(shè)備的硬件分配,設(shè)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(shè)備在整個工程中的保存地址。 PROFInet設(shè)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(shè)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(yùn)行、輸入/輸出使能、復(fù)位、

8、結(jié)束、停機(jī)、啟動和錯誤。一個PROFInet設(shè)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(luò)。圖2所示的PROFInet設(shè)備中封裝了一個Profibus-DP控制網(wǎng)絡(luò)。 PROFInet設(shè)備之間通過DCOM模塊進(jìn)行通信。在PROFInet設(shè)備連接編輯器的圖形界面中可以方便地實現(xiàn)各PROFInet設(shè)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(shè)備串連連接實現(xiàn)（見圖3）。    所有設(shè)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(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。此外,P

9、ROFInet還集成了故障安全通信標(biāo)準(zhǔn)行規(guī)PROFIsafe,滿足對人員、設(shè)備和環(huán)境的全面安全的需求,可用于故障安全應(yīng)用。3 PROFInet通信功能的實現(xiàn) PROFInet設(shè)備通信功能的實現(xiàn)是基于傳統(tǒng)的Ethernet通信機(jī)制（如TCP或UDP）,同時又采用RPC和DCOM機(jī)制進(jìn)行加強(qiáng)。DCOM可視為用于基于RPC分布式應(yīng)用的COM技術(shù)的擴(kuò)展,可以采用優(yōu)化的實時通信機(jī)制應(yīng)用于對實時性要求苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域。在運(yùn)行期間,PROFInet設(shè)備以DCOM對象的形式映像,通過對象協(xié)議機(jī)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

10、義了對象的標(biāo)識和具有有關(guān)接口和參數(shù)的方法,這樣就可以在通信總線上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(jù)不同的應(yīng)用場合定義了三種不同的通信方式:使用TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)通信;實時RT（Real-time）通信和同步實時IRT通信。PROFInet設(shè)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(chǔ),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(yīng)用場合對

11、實時響應(yīng)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(luò)中傳輸數(shù)據(jù)也進(jìn)行了優(yōu)化。采用PROFInet通信標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)對實時應(yīng)用的響應(yīng)時間可以縮短到510ms。PROFInet同時還支持高性能同步運(yùn)動控制應(yīng)用,在該應(yīng)用場合PROFInet提供對100個節(jié)點(diǎn)響應(yīng)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。 在PROFInet設(shè)

12、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(biāo)準(zhǔn)通信。PROFInet通信技術(shù)在很多應(yīng)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(yùn)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(jī)制,因此PROFInet通訊技術(shù)可以很容易地與OPC接口技術(shù)集成,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在更高通信層次上的交換。OPC接口設(shè)備在工控領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,OPC接口技術(shù)定義了OPC DA（Data Access）與OPC DX（Data Exchange）兩個通信標(biāo)準(zhǔn),分

13、別應(yīng)用于傳輸實時數(shù)據(jù)和實現(xiàn)異類控制網(wǎng)絡(luò)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(jī)制如下:（1） 基于PROFInet的實時通信機(jī)制,每個PROFInet節(jié)點(diǎn)可以作為一個OPC服務(wù)器被尋址;（2） 每個OPC服務(wù)器可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口而作為一個PROFInet節(jié)點(diǎn)被操作。PROFInet的功能性遠(yuǎn)比OPC優(yōu)越,PROFInet技術(shù)與OPC接口技術(shù)的集成不僅可以實現(xiàn)自動化領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)用 PROFInet是一種優(yōu)越的通信技術(shù),并已成功地應(yīng)用于分布式智能控制。PROFIn

14、et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(jī)械部件、電氣/電子部件和應(yīng)用軟件。PROFInet支持各種形式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使接線費(fèi)用最小化,并保證高度的可用性。此外,特別設(shè)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(biāo)準(zhǔn),保證了不同制造設(shè)備之間的兼容性。 PROFInet不僅可以應(yīng)用于分布式智能控制,而且還逐漸進(jìn)入到過程自動化領(lǐng)域。在過程自動化領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)用的問題正在形成標(biāo)準(zhǔn)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）: 采用PROFInet通訊技術(shù),不僅可以集成Profibus現(xiàn)場設(shè)備,還可以通過代理服務(wù)器（Proxy）實現(xiàn)其它種類的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的集成。采用這種統(tǒng)一的面對未來的設(shè)計概念,工廠內(nèi)各部件都可以作為獨(dú)立模塊預(yù)先組裝測試,然后在整個系統(tǒng)中輕松