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工业以太网专题">工业以太网是当今工业通信发展较为迅速的技术， PROFINET是真正的实时工业以太网，可以实现在各种不同场合的应用，完成各种不同需求的控制任务。从传输协议角度上，PROFINET将数据分为：NRT、RT、和IRT三种不同的类型；从应用角度上，PROFINET分为：CBA和I/O，以此来实现工业控制的一网到底的。

Key words: Profibus, Industry Ethernet, realtime, Industry Communication
关键词：PROFINET、工业以太网专题">工业以太网、实时、工业通信

    产品的生命周期越来越短，自动化领域的发展日新月异。当今自动化技术的发展正日益受到信息技术以及已确立的标准（例如：TCP/IP和XML）的重大影响。在这种形势下，近年来现场总线技术也不断在飞速发展，并发生着重大的革新。来自用户越来越多的需求，例如：项目的投资保护；工艺技术模块化；节约工程设计和投运的成本等等，在这种形式下，Profibus国际组织便提出了一个基于以太网的新的自动化标准 —— PROFINET。

    PROFINET是一个整体的解决方案，它使用TCP/IP 和IT 标准，符合基于工业以太网专题">工业以太网的实时自动化体系，覆盖了自动化技术的所有要求；能够实现与现场总线的无缝集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一条电缆中完成，IT 服务和TCP/IP 开放性没有任何限制；它可以满足.用于所有客户需要的统一的通信；从高性能到等时同步可以伸缩的实时通信。现在已经成为现场总线国际标准IEC-61158的*10类型。

    PROFINET用于实现基于工业以太网专题">工业以太网的集成、一致的自动化解决方案。支持用以太网通信的简单分散式现场设备和苛求时间的应用的集成，以及基于组件的分布式自动化系统的集成。为完成这一面向各种控制对象的需求，PROFINET在通信方式上根据通信目的不同而采用3种不同性能等级的通信方式：
- 通过TCP/UDP /IP 在标准通道上发送非苛求时间的数据，例如：参数、组态数据和互连信息。这满足自动化层与其它网络（MES，ERP）的连接需求。
PROFINET 使用以太网和TCP/UDP/IP 协议作为通信基础。TCP/UDP/IP 是IT 领域在通信协议方面的事实上的标准。TCP/UDP/IP 提供了使以太网设备能够通过本地和分布式网络的透明通道中进行数据交换的基础。
- 对于生产装备内苛求时间的过程数据的传输，它采用实时通道（RT：Realtime）。作为基于可用控制器的软件来实现的。
在工厂自动化领域，实时应用需要刷新/响应时间范围在5—10ms 内。 经验指出，与设备中的处理时间相比，快速（100Mbps）或更高速率的以太网线路上的传输时间是可以忽略不计的。在提供者的应用中可提供数据的时间是不受通信影响的。这就是说，在刷新时间以及实时响应中任何重大的改进主要可通过发布者和使用者通信栈的优化来达成。PROFINET 中的实时通信通道就为了能满足自动化中的实时要求，此通道基于以太网（层2）。此解决方案显著地减少了通信栈所占用的运行时间，从而提高了过程数据刷新速率方面的性能。PROFINET使用以太网，快速以太网中已集成全双工模式切换技术，并已进行了标准化。通过**级优化在PROFINET中，不仅较小化了控制器中的通信栈，而且也对网络中数据的传输进行了优化。为了能在这些情况下达到一种较佳结果，在PROFINET中按照IEEE 802.1Q将这些数据包区分**级。设备之间的数据流则由网络组件依据此**级进行处理。**级6（Priority 6）是用于实时数据的标准**级，由此也就确保了对其它应用的**级处理。
- 对于同步应用，PROFINET采用等时同步实时通信（IRT：Isochronous Realtime），它允许在时钟速率为1ms时，抖动精度为1μs。
实时通道RT解决方案对于运动控制应用还远远不够。运动控制应用要求刷新速率在1ms，100 节点的连续循环的抖动精度为1μm。为了满足这些需求，PROFINET 在快速以太网的层2 协议上已定义了时间间隔控制的传输方法IRT。通过具备上述精度的参与设备（网络组件和PROFINET 设备）的时间同步化，可在网络中规定时间片，在此时间间隔内传输自动化任务所必需的关键数据。通信循环被分成两个部分，即：时间确定性部分和开放性部分。循环的实时报文在时间确定性通道中传输，而TCP/IP 报文则在开放性通道中传输。等时同步的实现基于硬件。基于硬件的实现能够获得所要求的异常重要的顺序精度要求，同时也解放了承担PROFINET 设备通信任务的处理器。这就免除了烦琐的计算，从而可为自动化提供解决方案。

这3 种性能等级的PROFINET通信覆盖了自动化应用的全部范围。PROFINET 通信标准的特性包括以下方面：
- 在一根通信线路上同时使用实时通信和基于TCP 的IT 通信。
- 标准化的实时协议适用于所有应用、分布式系统中组件之间的通信以及控制器与分散式现场设备之间的通信。
- 从一般性能到高性能和时间同步的可缩放的实时通信。

    为实现这3种不同的通讯方式，满足工业控制的工程要求，PROFINET采用2种重要的应用方式：
- 在实现分布式过程采用基于组件的自动化概念（CBA）
PROFINET组件模型对于具备可编程功能的智能现场设备和自动化设备来说非常理想。组件模型将机器或装备的自治模块描述为工艺技术模块。基于工艺技术模块而开发的分布式自动化系统简化了装备和机器的模块化设计，从而显著地简化了装备和机器零部件的重复使用。因此大量地减少了工程设计成本。基于组件模型的PROFINET 通过PCD（PROFINET Component Debbbbbbion）来描述。它是一个XML文件，并可以使用制造商特定的组态工具的组件生成器或PROFINET 组件编辑器来创建。分布式自动化装备的工程设计分为：各个工艺技术模块的控制逻辑的编程（制造商特定的组态工具）和整个装备的工艺技术组态，后者决定这些工艺技术模块之间的通信关系。
- 分散式现场设备（PROFINET IO）
分散式现场设备通过PROFINET IO 集成。这采用通常的Profibus DP 的IO，从而可将现场设备的IO 循环地传输给PLC 的过程映象。在PROFINET IO描述的设备模型中，现场设备的特性通过基于XML的GSD(General Station Debbbbbbion)文件来描述。

在其他方面如：
- Web 功能的集成：Web集成允许在以太网上访问PROFInet设备：PROFInet选择使用已经实践证明的标准技术如： http, HTML 和XML。通过统一的站点（Web-Sites）来定义设备信息、诊断及报告功能，*工程工具就可以方便查询并确定差错。对于设备的访问可通过类似于微软的Internet Explorer那样的标准浏览器。
- IT 集成：网络管理覆盖了在以太网网络中PROFINET 设备管理的所有功能。这包括设备和网络组态、网络诊断。对于Web集成，PROFINET 采用基于以太网的技术，而且借助互联网的标准技术可访问PROFINET 组件。为了获得与其它系统范围的开放链接，PROFINET 采用OPC DA 和DX。
- 网络拓扑：针对要连网单元的要求而定。PROFINET网络拓扑有：星型、线型、树型和环型结构。实际的系统是由混合结构组成，可以用铜缆或光缆实现。
- 网络安装：PROFINET 网络安装依据工业环境下以对太网网络的特殊要求给设备制造商提供清晰的设备接口规范和布线要求。“PROFINET 安装导则”给装备制造商/操作提供以太网网络安装的简单规则。

    作为下一代的现场总线，PROFINET需要能够集成许多成熟的正在使用的现场总线。由于IT 技术的应用，在PROFINET方案中保护投资也起着至关重要的作用。PROFINET能集成现有的现场总线系统（例如INTERBUS、Profibus），且*修改现有设备。这就保护了所有投资者的现有投资。PROFINET可以从现有的现场总线解决方案（例如：INTERBUS、PROFIBUS DP）到基于以太网的PROFINET的无缝转换。
PROFINET 提供2种集成现场总线系统的方法：
- 通过代理服务器的现场总线设备集成：在此情况下，代理服务器代表以太网上较低层的现场设备。采用代理服务器方案，PROFINET 提供了从现有设备到新安装的设备之间的全透明转换。
- 整个现场总线应用的集成：一个现场总线段代表一个自包含的PROFINET 组件，该组件代表的是在较低层操作现场总线（例如：INTERBUS 、Profibus DP）的PROFINET设备。由此，较低层现场总线的所有功能以组件的形式保存在代理服务器内。然后这些功能就在以太网上可供使用了。

    为了满足所有自动化的需求，PROFINET 还吸纳了多年积累的现场总线和工业以太网专题">工业以太网的技术，从一开始就决定了PROFINET采用开放的标准、现有设备的简单处理和集成的定义。PROFINET 持续不断的开发为用户带来了长远的前景。对于用户来说，采用PROFINET 可降低安装、工程和投运的成本。对于业主来说，由于运用了自适应的子单元，PROFINET 简化了装备的扩展并提高了装备的可用性。
拥有PROFINET，作为系统和机械制造商：由于自适应的模块而具有更高的可用性；由于并行地投运，减少了投运时间；可管理的设备特定的详细提供简化的诊断，使从设计到运行更快捷。作为系统集成商：由于从现场级到企业管理级的开放性标准化的通信，可自由选择供应商；由于模块化，可容易地扩展开放的工程系统。由于自适应的子系统，具有高度的系统可用性；通过集成现有的系统和设备，投资得到了保护；由于采用已认证的设备而获得高质量标准。

    PROFINET——远远不仅仅是以太网，而是自动化领域的开放的解决方案。

- PROFINET规定了强大功能，从网络安装到基于web诊断的整个自动化解决方案的实现。
- PROFINET的模块化结构可非常容易地扩展和包含其它功能。
- PROFINET提供标准化的独立于制造商的工程接口。它能够方便地把各个制造商的设备和组件集成到单一系统中。设备之间的通信链接以图形形式组态，*编程。

在IEC61158有关现场总线的定义中提到了现场装置。现场装置包括多类工业产品，它们是流量、压力、温度、振动、转速等或其它各种过程量的转换器或变送器；包括转角发送器和ON-OFF开关；还包括控制阀、执行器和电子马达等。另外也包括现场的简单PLC和远方单回路调节器。

这里应该说明的是，上述提到的各类工业产品，与在DCS系统中配套使用的，和上述产品同名称的现场装置，有着本质上的差别。例如：与DCS系统配套使用的，输出为4--20mA的压力变送器和在FCS系统中安装于现场的压力变送器有质的不同。

除了满足对所有现场装置的共性要求外，FCS系统中的现场装置还必须符合下列要求：**，无论是那个公司生产的现场装置，它必须与它所处的现场总线控制系统具有统一的总线协议，或者是必须遵守相关的通信规约。所以有此要求，这是因为现场总线技术的关键就是自动控制装置与现场装

置之间的双向数字通信现场总线信号制。只有遵循统一的总线协议或通信规约，才能做到开放，完全互操作。*二，用于FCS系统的现场装置必须是多功能智能化的，这是因为现场总线的一大特点就是要增加现场一级的控制功能，大大简化系统集成，方便设计，利于维护。

数字通信是一种有力的工具，一个相互可操作的现场总线产生一种巨大的推动力量，加速了现场装置与控制室仪表的变革，现场装置智能化的趋势越来越明显。同时我们也看到，正是由于现场装置智能化的进展和完善，它已成为现场总线控制系统有力的硬件支撑，是现场总线控制系统的基础。

多功能智能化控制装置产品中，目前已开发有下列一些功能：

1、与自动控制装置之间的双向数字通信功能。这一点是的（前述）。

2、多变量输出，例如，一个变送器可以同时测量温度、压力与流量，可输出三个独立的信号，或称为“三合一”变送器。

3、多功能。智能化现场装置可以完成诸如信号线性化、工程单位转换、阀门特性补偿、补偿以及过程装置监视与诊断等功能。

4、信息差错检测功能。这些信息差错会使测量值不准确或阻止执行机构响应。在每次传送的数据帧中增加“状态”数据值就能达到检测差错的目的。状态可以指示数据是否正确或错误。它也能检测到接线回路中短路或开路情况。状态信息也能帮助技术缩短检找故障的时间。

5、提供诊断信息。它可以提供预防维修（PM：以时间间隔为基础）的信息，也可以提供预测维修（PDM：以设备状态为基础）的信息。例如，一台具有多变量输出的气动执行器，当阀门的过程**过一定的距离，如2Km（PDM），或腐蚀性介质流过阀门达一定数量，如200m3时（PDM），或运行的时间**过2年（PM），或阀门已经损坏时（PDM）。当上述4种情况中任一种情况或几种情况同时出现时，该智能执行器都可以将信息发送到控制室主机，主机接受到PM与PDM信息后，结合企业对主动维修（PAM：以故障根源分析为基础）的安排，合理采取对阀门的维护措施。通过对维修方式综合平衡地运用，改变和优化企业以往的设备故障处理机制，既由对现场装置的故障检修改变为合理的状态维修。

6、控制器功能。可以将PID控制模块植入变送器或执行器中，使智能现场装置具有控制器的功能，这样就使得系统的硬件组态更为灵活。由于控制可在主机（控制器）或智能现场装置中执行，一种较好的选择是将一些简单的控制功能放在智能现场装置之中，以减轻主机（控制器）的工作负担，而主机（控制器）将主要考虑多个回路的协调操作和优化控制功能。使得整个控制系统更为简化和完善