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PROFINET——面向未来的新一代工业通讯网络

李凯,西门子(中国)自动化与驱动集团工业自动化系统部产品经理2004.08.01阅读 2736

  PROFINET源自PROFIBUS现场总线国际组织(PI)的开放的自动化总线标准,是新一代基于以太网技术的工业通讯解决方案。
  在办公网络世界中,以太网(Ethernet)是毫无争议的领先者,其市场占有率远远超过其他类型的局域网技术。不过,过去的十几年间,在工厂自动化和过程自动化领域中,现场总线才是现场级通讯系统中主流的解决方案。现场总线技术能够保证控制器之间以及控制器和分布式I/O之间实现快速、可靠的数据传输,同时可以大大地节约布线、调试及维护的成本。
  不过,随着技术的不断进步和发展控制工程网版权所有,传统现场总线越来越多的表现出了其本身的局限性。一方面,随着现场设备智能程度的不断提高,控制变得越来越分散,分布在工厂各处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续的交换控制数据,导致现场设备之间数据的交换量飞速增长;另一方面,随着计算机技术的发展,企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统当中,于是企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据,并通过工业通讯网络实现远程服务和维护,因此纵向一致性成为热门的话题控制工程网版权所有,客户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通讯方
案,这样可以大大的简化工厂控制系统的结构,节约系统实施和维护的成本。
图1:PROFINET适用于工…如图1
图1:PROFINET适用于工厂的各种实时要求

  基于这样的需求,以太网技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透,以太网技术开始广泛的应用于工厂的控制级通讯。在自动化世界中使用以太网解决方案有几个显著的优势:统一的架构、集成的通讯以及强大的服务和诊断功能。从目前工业自动化控制领域的情况来看,以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势。
  不过,将以太网技术应用于工厂的生产控制过程中并不是一个简单的移植过程。在将以太网技术引入到控制级通讯的过程中,为了满足工业控制系统的特殊需求,如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求,对普通的办公室以太网作出了许多重要的调整和补充,以保证以太网技术在工业现场应用的可靠性,即我们常说的工业以太网。目前,在控制级通讯网络领域中,工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和接受,企业和工厂也充分享受到了高性能的通讯网络带来的便利和收益。尽管如此,工业以太网技术在向最底层的现场级控制系统渗透时遇到了难以克服的障碍-通讯的实时性和确定性。
  与普通的办公室网络和控制级的工业以太网不同,在现场级网络中传输的往往都是工业现场的I/O信号以及控制信号,从控制安全的角度来说,系统对这些来自于现场传感器的I/O信号要能够及时获取,并及时的作出相应的响应,将控制信号及时准确的传递到相应的动作单元中,因此,现场级通讯网络对通讯的实时性和确定性有极高的要求。这也正是普通的工业以太网技术在现场级通讯网络中难以和现场总线技术抗衡的重要原因。
  在现场级通讯网络中,传输时间是十分重要的衡量因素。为了保证通讯的实时性,需要对信号的传输时间做精确的计算。当然控制工程网版权所有,不同的现场应用对通讯系统的实时性有不同的要求,在衡量系统实时性的时候,我们一般使用响应时间作为系统实时性的一个标尺。
  根据响应时间的不同,我们把工厂内的应用分为三大类:
  对大多数的工厂应用来说,10~100 ms的响应时间就足够了,这个要求使用工业以太网技术及适当的软件驱动就可以实现。PROFINET V1就使用这样的技术来实现分布式控制。
  对于传感器和执行器设备之间的数据交换,5~10ms的响应时间就可以满足系统的要求。为此,PROFINET V2提供了提供了一个优化的、基于软件的通讯通道,通过这个通讯通道,PROFINET可以获得等同、甚至超过传统现场总线系统的实时性能。我们使用RT(Real-Time)来标识基于软件的实时技术。
  在现场级设备中,对通讯实时性要求最高的是运动控制(Motion Control)。运动控制对通讯网络提出了极高的要求,例如在包装机械和印刷机械中,其循环时间要小于1ms,抖动误差要小于1祍CONTROL ENGINEERING China版权所有,以此来保证及时的、确定的响应。对于这样苛刻的实时要求,我们使用基于PROFINET V3的解决方案。
  PROFINET V3的实现基于等时实时(Isochronous Real-Time, IRT) 技术。对于PROFINET V3网络,为了保证高质量的等时通讯,所有的网络节点必须很好的实现同步。这样才能保证数据在精确相等的时间间隔内被传输,网络上的所有站点必须通过精确的时钟同步以实现同步实时以太网。例如:通过规律的同步数据实现通讯循环的同步,其精度可以达到微秒级。这个同步过程可以精确的记录其所控制的系统的所有时间参数,因此能够在每个循环的开始实现非常精确的时间同步。这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的控制工程网版权所有,想要获得这么高精度的同步实时,必须依靠网络第二层中硬件的支持,即西门子IRT等时实时ASIC












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