工业以太网的安装,调试和诊断技术(八) 中

专家：杜品圣 领域：工业以太网 行业：综合 日期：08-04-14 13:26 点击数：7812

8.2 PROFINET技术

PROFINET是PROFIBUS国际组织提出的基于工业以太网的自动化标准，用于实现基于工业以太网的集成、一致的自动化解决方案。INTERBUS Club曾对各个制造商和组织所开发的以太网协议性能特性及其相关规范进行了深入分析与详尽研究，所得的结论是PROFINET能最好地满足工业通信的需要。

PROFINET提供适应各种类型设备的三种通信信道：标准通道（TCP/IP, UPD/IP），实时通道RT（Real Time），和等时同步通道IRT（Isochronous Real Time）。这三种通道在同一个网络或设备上能够同时运行。

                                                图8-4  PROFINET系统通信通道

标准通道适用于具有100ms典型响应时间的简单设备。它能够用于设备的参数化和组态，例如读取诊断数据。对于典型循环时间低于10ms的场合，RT通道具有与最新现场总线系统相同级别的性能，在设备中RT通道能够采用软件方案实现，通道支持用户数据、事件驱动报文和报警等高性能周期传输。循环时间小于1ms和抖动低于1us的IRT通道用于高动态的运动控制应用。IRT基于一个以太网芯片，用它在IRT网络中创建高动态特性。

图8-5  PROFINET的实时性和通信通道

为了实现制造过程最佳化，可直接访问控制和生产级的所有自动化数据应该是生产计划管理系统最重要的因素。PROFINET使用以太网标准通信技术和IT技术，如OPC、XML、COM/DCOM、DHCP、SNMP、FTP和HTTP，与TCP/IP和RT技术一起共同将上述需求付诸实践。

8.2.1分布式自动化（PROFINET CBA）

PROFINET CBA（Component Based Automation）基于组件的体系结构模型，由于其定义了子系统及其设备之间的工程设计和通信，所以它支持将自动化功能分散于各个智能子系统的发展趋势。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、电气/电子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它组件交换数据。

在PROFINET工程设计分三个阶段创建系统范围的应用，即：

（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，就可继续使用现有的用户程序，编程和维护人员可继续发挥他们已有的技能。完成后，以PROFINET组件的形式封装用户软件，并以XML文件的形式创建了组件描述（PCD），在PROFINET协议中对该文件的格式做了规定，这些组件描述将输入到连接编辑器的组件库内。

（2）互连组件

使用PROFINET连接编辑器i-Map，只需点击鼠标就可以将已创建的PROFINET组件从库内取出，并将它们互连以应用。应用简单的图形组态，连接代替了以前费时的通信关系的编程。连接编辑器将贯穿整个系统的各个分布式应用进行互连。它独立于任何制造商工作，并可组态任何厂家的PROFINET组件。

（3）下载连接数据

将这些组件连接后，点击鼠标就可将连接数据、代码以及这些组件的组态数据下载到PROFINET设备中。因此，每台设备都熟悉其所有的通信伙伴、通信关系和可交换的信息，从而可执行该分布式应用。

图8-6  PROFINET基于多制造商的工程设计概念

8.2.2 分散式现场设备（PROFINET IO）

由于有PROFINET IO，PROFINET规范就能为简单的现场总线设备提供一种集成模型，该简单设备相当于通常所说的分散I/O。在工程设计时，设备以熟悉的现场总线环境方式编址，通过设备描述和逻辑上分配控制器，使用指定的工程工具（PCWORX, STEP7等）实现集成。

由于网络上所有的以太网设备具有相同的通信权，现场总线技术的主站/从站处理方式要转换成PROFINET IO提供者/消费者模型。提供者是一个发送器，它传送非请求型数据给通信伙伴，然后由消费者处理数据。

在PROFINET IO架构中，有如下不同的设备类型：IO控制器，IO设备，IO监视器。

IO控制器是一个访问与其相连的指定IO装置的设备。在分布式功能单元内，它通常是一个顺序控制器，它与指定的现场设备交换输入和输出信息。

IO设备是一个分布式现场装置（如远程I/O、驱动、阀岛、开关等），它被分配给一个或多个IO控制器。它不仅发送过程和组态数据，而且也发送报警信号。IO设备之间数据交换通信量由提供者/消费者子模块的组态控制。

IO监视器可以是一个编程设备或是一台工业PC，它像IO控制器一样能够访问所有的过程和参数数据。

在IO控制器、IO监视器和IO设备之间存在应用关系。这些关系同样也包括用于组态数据（标准通道）、过程数据（实时通道）和报警（实时通道）信号传输的通信关系。使用上下文管理系统（Context Management System）创建这些关系，管理系统也用于设置通信关系的相关通信参数，该参数被用于建立和消除设备的标识。

为了便于寻址，上下文管理系统使用设备模型来描述从PROFINET IO视点所看到的一个指定现场设备的功能。对所有的现场设备来说，该视点必须是一致的，从而允许不同制造商的产品和不同设备之间通信。由于一个设备可包含多个IO逻辑设备，所以PROFINET系统中IO设备与物理现场设备不必要相对应。IO设备自己定义槽位，只要它们至少由一个代表实际功能的子模块组成，该槽的模块就能被集成。

图8-7  PROFINET IO设备模型

8.2.3 现场总线的集成

使用代理服务器（Proxy），能够很容易地将现场总线方案集成到PROFINET系统。代理服务器在这里被看作是以太网中现场总线设备的代表，它把连接到下一级的现场总线系统（INTERBUS，Profibus等）的设备集成到较高级的PROFINET系统。这样，在PROFINET环境中仍能发挥现场总线的优越性，例如INTERBUS总线的高动态性能、本地化诊断以及无需设置设备系统自动组态功能等。

PROFINET使用基于XML语言GSDML（类站描述标记性语言）对设备进行描述。把所有相关的现场设备数据（包括技术特性和通信信息）进行描述从而使得设备能在PROFINET网络中获得地址。以下是一个在STEP 7环境下集成的例子，其中在硬件配置器中把INTERBUS 代理服务器作为下层INTERBUS系统的代表进行集成。可选择从不同开发环境中进行设备集成，这也表明不同厂家设备组网的互操作性。在下面的例子中，这些信息对组态而言非常重要：

l         A代理服务器 FL PN/IBS

l         B INTERBUS 代理服务器的FL PN/IBS的GSD文件

l         C INTERBUS 代理服务器集成为PROFINET IO设备

l         D INTERBUS 代理服务器的IP地址

为了使PROFINET IO符合现场总线的要求，采用模块映射的概念将现场总线系统集成到PROFINET IO中。这意味着用户不需要其它单独的现场总线配置器。设备组态可以在PROFINET组态软件工具中完成，比如采用西门子SIMATIC STEP7或菲尼克斯电气PC WorX软件。

一个INTERBUS的结构通过一个PROFINET IO 代理服务器（INTERBUS 代理服务器/总线耦合器）集成到PROFINET网络中。这个代理服务器是基于以太网的PROFINET系统和INTERBUS现场总线系统之间的网关。设备专用的GSD文件不仅包含了预定义的INTERBUS设备（设备描述），还包含了所有适用于通用模块的INTERBUS设备描述和变量信息。这意味着在INTERBUS 代理服务器下的设备都可以添加到硬件目录中去。一旦这个“代表”集成之后，低层的设备也可通过拖曳的方式移到代理服务器中的空闲槽中。INTERBUS设备主站占用1号槽。槽号与其在INTERBUS物理设备位置+1相对应，集成是用槽/子槽机制描述的。