基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)PROFINET技術(shù)概覽

張丹丹

ZHANG Dan-dan

（現(xiàn)場總線專業(yè)委員會，北京 100120）

0 引言

隨著企業(yè)生產(chǎn)自動化水平的迅速提升和企業(yè)信息化進程的加快，企業(yè)的應(yīng)用需要將企業(yè)管理層與自動化系統(tǒng)連接，以實現(xiàn)縱向的透明通信和信息集成，要求采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以簡化工程設(shè)計、適應(yīng)迅速變化的市場，要求既能使用現(xiàn)有的IT技術(shù)又能保護原有的投資等。國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158中第10類型：Profinet較好地解決了這些問題。

1 PROFINET概述

Profinet是PI（PROFIBUS國際組織）提出的開放性標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成自動化解決方案。它包含兩個主要部分：Profinet IO（分布式I/O）和Profinet CBA（基于組件的分布式自動化系統(tǒng)）。使用Profinet，能使簡單的分布式I/O和嚴(yán)格時間要求的應(yīng)用以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)集成到以太網(wǎng)通信中。

2 Profinet I/O

Profinet IO是使用以太網(wǎng)連接和Profinet通信的分散的外圍設(shè)備。這些現(xiàn)場設(shè)備不僅能夠傳輸數(shù)字、模擬輸入和輸出信號，還具有預(yù)處理功能。Profinet IO的關(guān)注點是采用簡單的通信設(shè)備實現(xiàn)適合的數(shù)據(jù)傳輸。為了保護現(xiàn)有投資，從Profibus用戶觀點來看，將其與Profinet相結(jié)合。其中最重要的方面如下：

1）用于Profibus的外圍設(shè)備模塊的使用；

2）成套裝備工程設(shè)計過程；

3）安裝工程及現(xiàn)場設(shè)備的編程。

Profinet IO同Profibus類似，區(qū)分不同的設(shè)備角色，一個設(shè)備可能包含多個角色，如IO控制器、IO監(jiān)視器和IO設(shè)備。圖1展示了在Profinet IO中不同類型設(shè)備之間的通信路徑。

圖1 在Profinet IO中不同類型設(shè)備之間的通信路徑

Profinet IO現(xiàn)場設(shè)備總是通過作為網(wǎng)絡(luò)部件的交換機來連接。這樣，使用單獨的多端口交換機就可形成星型拓撲，或使用集成在現(xiàn)場設(shè)備中的交換機就形成線型拓撲。

其現(xiàn)場設(shè)備模型區(qū)分為兩種：緊湊型現(xiàn)場設(shè)備（只有1個模塊的單元化設(shè)備）和模塊化現(xiàn)場設(shè)備。設(shè)備訪問點是到以太網(wǎng)接口的總線接口（通信訪問點）和處理程序。

Profinet IO提供兩種數(shù)據(jù)通信方式：

1）循環(huán)數(shù)據(jù)通信：循環(huán)的I/O數(shù)據(jù)被作為提供者與消費者之間的實時數(shù)據(jù)的無確認傳輸。

2）非循環(huán)數(shù)據(jù)通信：非循環(huán)數(shù)據(jù)通信可以用來參數(shù)化和組態(tài)IO設(shè)備或讀出狀態(tài)信息。使用UDP/IP的標(biāo)準(zhǔn)IT服務(wù)read/write來完成。

Profinet IO傳輸高優(yōu)先權(quán)的事件，比如報警。它區(qū)分為兩種：過程報警（用于來自于相關(guān)過程的事件）和診斷報警（用于來自于設(shè)備內(nèi)部的錯誤或事件），二者均可以由用戶來區(qū)分不同的優(yōu)先級。

Profinet IO的工程設(shè)計使用多年來使用Profibus系統(tǒng)的集成商熟知的方法來完成。在組態(tài)期間，分布式現(xiàn)場設(shè)備被分配給一個或多個控制器。

3 Profinet CBA

Profinet CBA（Component-Based Automation），即基于組件的自動化，它滿足成套裝備構(gòu)造者和操作者對于系統(tǒng)級的工程設(shè)計過程與制造商無關(guān)的要求?，F(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與以太網(wǎng)的無縫集成是從企業(yè)級到現(xiàn)場級所需連續(xù)性的一個重要方面。

Profinet CBA以工藝技術(shù)模塊（許多自動化系統(tǒng)可分為多個自治工作段，在Profinet中，這些工作段成為工藝技術(shù)模塊。）的面向?qū)ο蟮哪Ｐ突癁榛A(chǔ)。這些模塊的功能采用統(tǒng)一的Profinet定義方式進行封裝。從外部，可通過統(tǒng)一的接口訪問Profinet組件，因此可以任意地進行連接。

圖2 一個Profinet組件代表自動化系統(tǒng)的一個自治部分

圖3 適用于任何領(lǐng)域的可伸縮的PROFINET通信

這種方法設(shè)計的分布式自動化系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)備和機器的模塊化，因此，它們很容易再次應(yīng)用于新的生產(chǎn)布局。這大大縮減了工程成本。

4 Profinet的三種通信方式

Profinet的通信基礎(chǔ)為以太網(wǎng)及TCP/UDP和IP。根據(jù)響應(yīng)時間的不同，Profinet支持下列三種通訊方式：

1）TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊

Profinet的這種通訊方式基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP 是IT 領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時間大概在100 ms的量級，不過，對于工廠控制級的應(yīng)用來說，這個響應(yīng)時間就足夠了。

2）實時（RT）通訊

對于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應(yīng)時間的要求更為嚴(yán)格控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因此，Profinet提供了一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層（Layer 2）的實時通訊通道，通過該實時通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時間，Profinet實時通訊（RT）的典型響應(yīng)時間是5-10ms。

3）等時同步實時（IRT）通訊

在現(xiàn)場級通訊中，對通訊實時性要求最高的是運動控制（Motion Control），Profinet的同步實時技術(shù)可以滿足運動控制的高速通訊需求，在100個節(jié)點下，其響應(yīng)時間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs，以此來保證準(zhǔn)時的、確定的響應(yīng)。

5 網(wǎng)絡(luò)安裝

國際標(biāo)準(zhǔn)的ISO/IEC 11801和其歐洲等同標(biāo)準(zhǔn)EN 50173定義了應(yīng)用中立信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建與應(yīng)用無關(guān)的敷設(shè)系統(tǒng)。這些標(biāo)準(zhǔn)不考慮工業(yè)環(huán)境中Ethernet網(wǎng)絡(luò)的特定要求，例如安裝特定的配線，每臺設(shè)備/機器不同級別的聯(lián)網(wǎng)，線性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堅固的、工業(yè)兼用的電纜，滿足特殊EMC，溫度，濕度，灰塵或震動要求的插入連接器。

6 IT集成

Profinet的一個重要特征就是可以同時傳遞實時數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗證的IT技術(shù)都可以使用（如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的時候，我們可以使用這些IT標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)加強對整個網(wǎng)絡(luò)的管理和維護，這意味著調(diào)試和維護中的成本的節(jié)省。

7 網(wǎng)絡(luò)安全

自動化系統(tǒng)安全的核心是確保工業(yè)安裝和生產(chǎn)過程的可用性、可靠操作，保護工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程，以及操作人員人身安全。自動化系統(tǒng)內(nèi)潛在的危險來自于外界和內(nèi)界。

當(dāng)辦公室領(lǐng)域安全理念不能夠真正滿足自動化競技場上的特定需求時，必須開發(fā)自動化技術(shù)中的數(shù)據(jù)安全理念。Profinet安全理念包括通常的IT訪問控制，數(shù)據(jù)加密，授權(quán)以及安全性相關(guān)事件的記錄。

安全單元之間或客戶機和單元節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸也可加密，從而防止數(shù)據(jù)被竊取和數(shù)據(jù)被操縱。這在通過Internet為實現(xiàn)維護干預(yù)的遠程訪問時尤為顯著。

自動化技術(shù)的當(dāng)前趨勢和用于通過Internet遠程維護的Ethernet的不斷使用，相當(dāng)大程度上增加了來自黑客攻擊，數(shù)據(jù)操縱，間諜活動，病毒，蠕蟲和特洛伊木馬的潛在危險。

圖4 Profinet信息安全概念的核心是對自動化網(wǎng)絡(luò)進行有信息安全目的的分割

其安全的核心是自動化網(wǎng)絡(luò)的安全性分段。構(gòu)建受保護的自動化單元。專用安全網(wǎng)絡(luò)部件（例如交換機或安全器件）保護單元內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，該部件控制來往于單元的數(shù)據(jù)傳輸，并檢查訪問特權(quán)，僅允許授權(quán)的數(shù)據(jù)傳輸。采用一個特定的安全客戶機軟件，可執(zhí)行PC客戶機到安全自動化設(shè)備的訪問。因此，終端不再需要它們自身的安全功能。安全單元之間或客戶機和單元節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸也可加密，從而防止數(shù)據(jù)被竊取和數(shù)據(jù)被操縱。這在不可靠網(wǎng)絡(luò)中的通信情況下特別重要，例如通過Internet為實現(xiàn)維護干預(yù)的遠程訪問。

8 功能安全

對于安全相關(guān)應(yīng)用，Profibus使用了PROFIsafe，那么，相對于同樣的應(yīng)用，Profinet也可使用該行規(guī)的一部分。它定義了面向安全的設(shè)備（應(yīng)急切斷開關(guān)，光柵，溢出保護系統(tǒng)等）如何通過一個足夠安全的網(wǎng)絡(luò)，傳輸安全控制信息，它們能夠用于達到EN954 KAT4，AK6或SIL3（Safety Integrity Level安全完整性等級）安全等級的面向安全的自動化任務(wù)。采用一種行規(guī)，可實現(xiàn)安全通信，即使用特定格式的用戶數(shù)據(jù)和一個專用的協(xié)議。

9 Profinet和MES

自動化系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計劃（ERP）的結(jié)合是公司范圍內(nèi)集成信息系統(tǒng)的一個熱門話題。雖然在IEC 62264規(guī)范中定義了MES和ERP之間的接口，但迄今為止，還沒有MES和自動化系統(tǒng)之間的接口的規(guī)范。隨著“維護”這個主題在工廠和過程自動化中越來越重要，Profinet便首先支持維護操作。

在維護中，基于狀態(tài)維護的過程成為當(dāng)前的重點。它基于設(shè)備和部件的能力，來確定其狀態(tài)并通過約定的機制進行傳輸。

除了維護狀態(tài)外，設(shè)備和部件能提供最新“類型平臺信息”，以及功能和本地賦值所需要的信息，這是MES維護操作的一個重要先決條件。

10 驅(qū)動應(yīng)用

PROFIdrive驅(qū)動行規(guī)應(yīng)用層描述了來自控制應(yīng)用的驅(qū)動接口，以及映射到Profibus和Profinet通信網(wǎng)絡(luò)。行規(guī)包括從簡單變頻器到高端的動態(tài)伺服驅(qū)動器的應(yīng)用情況。

11 現(xiàn)場總線的集成

為了實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線和Ethernet網(wǎng)段構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任意混合，Profinet規(guī)定了一個模型，用于集成已有Profibus和其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如Interbus和DeviceNet。由于保護投資的原因，支持大量現(xiàn)有現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成是必須的。

使用代理服務(wù)器，現(xiàn)場總線方案可無縫連接到Profinet系統(tǒng)中。代理服務(wù)器可作為Ethernet上的現(xiàn)場總線設(shè)備的代表運行。它可將連接到下方現(xiàn)場總線系統(tǒng)的節(jié)點集成到Profinet系統(tǒng)。這使得現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，比如高動態(tài)性，本地精確診斷，以及自動系統(tǒng)組態(tài)，能夠用于Profinet領(lǐng)域，而無需在設(shè)備內(nèi)進行設(shè)置。通過使用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的診斷能力，傳輸簡化了規(guī)劃編制。也可支持通常的設(shè)備和軟件工具，并將其集成在系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)中。

12 結(jié)束語

Profinet適用于所有先進制造業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)，是自動化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的“未來”。在輕松地集成現(xiàn)有系統(tǒng)及設(shè)備的同時，將以太網(wǎng)的多樣性功能帶入工廠車間級。它促進了更快、更安全、更加低成本、更高品質(zhì)的生產(chǎn)制造。在中國，Profinet CBA部分已成為我國國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件（GB/Z 20541-2006），《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線規(guī)范 類型10：PROFINET IO規(guī)范》也在2010年11月正式成為國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件，其標(biāo)準(zhǔn)號為：GB/Z 25105.1–.3-2010。

[1]PROFINET快速入門.中國現(xiàn)場總線專業(yè)委員會（CPO）.

[2]www.profinet.com,PI White Paper Strategic Overview：PROFIBUS + PROFINET.

[3]www.profinet.com，PI White Paper：PROFINET and IT.

[4]www.profinet.com,PROFINET Technology and Application -System Description.

[5]www.profinet.com,MES and PROFINET.

[6]www.profinet.com，F(xiàn)ieldbus Integration into PROFINET IO.

[7]www.profinet.com，PROFINET Installation Guide.

[8]www.profinet.com，PROFINET IO and CBA Specification.

[9]PROFINET技術(shù)和應(yīng)用（系統(tǒng)描述）.中國現(xiàn)場總線專業(yè)委員會（CPO）.