PROFINET: 整体的考虑定义了工业自动化

PROFINET: Holistic Thinking Now Defines Industrial Automation 

Geoff Hodgkinson 

    在1999年底，当初次考虑以太网与PROFIBUS相连接时，Profibus International最初想在以太网内部嵌入一个现场总线协议。但没过多久,人们就意识到这样做不论对开放性和有效性都是一条死路。一个基本的重新评估产生PROFINET：其中心价值注重的是“自动化解决方案”而不仅仅是“通信”。结果所带来的灵活性使自动化策略在速度和范围上有了根本的改变，每个用户可以自己决定。 
    在意识到突然的、量的飞跃是不现实的之后，Profibus International采用PROFINET来满足分散I/O当前的要求，这正如未来的发展趋势越来越趋于方便和完整一样，例如分散的自动化系统将要求面向对象的解决方案。国际标准都是互相融合的，这使PROFINET真正具有开放性。特别的是，PROFINET完全与现有的以太网TCP/IP兼容，这意味着它能容易地与更高层IT系统和设备集成。 
    还要考虑到扩展应覆盖自动化系统实时的需求，它需要有很多重要的革新。尤其与用于运动控制的硬实时需求有关，运动控制已经由新的软件/硬件解决方案进行处理，这个方案提供了前所未有的实时性能，对于PROFINET来说是独一无二的。今后，PROFINET也将寻求解决方案以满足机械安全和过程自动化的需求，虽然目前这两个还是公开讨论的话题。 
    最终，PROFINET意识到基于以太网的解决方案是不会成功的，除非它能为传统的现场总线系统提供向后兼容的连续性，从而保护客户的投资。PROFINET提供了简单方式的集成现有网络。它能包容任何现场总线系统，而不仅仅是Profibus。将Interbus现场总线接口与PROFINET集成的工作组近期宣布，已经可提供连接DeviceNet系统的第一批产品。 
    PROFINET具有一套自动化功能和服务，它们都是基于为适合许多应用环境而设计的以太网通信结构。不是所有的功能和服务必须在任何时间或所有应用中都使用，它们可以搭配组合。随着自动化用户的需求不断增加（尤其在运动控制中），随着竞争不断鼓励产品的独特性以及市场向着分散自动化的结构发展，这种灵活性在未来的几年中将会越来越明显。 
    PROFINET的核心是三个通信选择，覆盖了从管理层到工厂层的自动化范围：标准的TCP/IP和UDP提供了100ms的典型的循环时间，以及所有重要的纵向集成。实时性增强的第一阶段提供了5-10ms循环时间的通信同步。第二阶段使用等时同步技术，带来了响应时间为1ms的通信以及抖动为1μs的硬实时应用。 
    
    在标准的以太网结构中使用两个通道实现这三种选择，这两个通道共享带宽并能独立或同时运行。 
    上图指出了传输标准和实时数据的PROFINET“开放通道”。绿色部分表示有TCP/IP堆栈的以太网物理层。这是一种传统的以太网实现，通过与办公室网络相同的方式传输标准数据（1）。通过它使PROFINET能被外部系统访问并在纵向集成的企业结构中向上或向下传输数据或通过因特网传输数据。这个堆栈支持例如HTTP和SNMP的IT功能，它与UDP结合也用于控制器到控制器（或HMI）和非循环通信（用于设备参数化、组态、诊断和网络管理）。 
    在快速以太网中（100Mbps）,TCP/UDP堆栈传输数据的速度不能够满足典型的生产自动化的循环时间，即5-10ms。在第一阶段，同步化（2）绕过了堆栈，缩短了用于分散自动化和控制（包括设备和现场设备）的过程时间。这就提供了与当前现场总线技术同样的性能，并通过事件控制功能包含数据循环和高性能传输。通过消除TCP/IP层提供了控制数据量的快速跟踪功能，这和在快速通道上的专门总线路径相类似。标准化的Quality of Service参数用于区分数据的优先次序。 

硬实时 
    在更加严酷的自动化环境中，尤其在高端运动控制应用中,要求1ms的循环时间和1μs的抖动时间，这需要附加通信的支持。PROFINET引用了IRT概念，即等时同步实时（3）（Isochronous Real Time），它作为可选的第二个通信通道与开放的通道共存。等时同步是指在每个周期中每个以太网帧执行的功能应该精确地同时发生。这要求准确的同步性，如果系统要处理多个参与者的话，需要非常准确地控制多种同步化的数据流。 
          

    IRT与开放的通道将以太网帧分割成两个段，它们共享带宽。时间片段系统将IRT通道分解成固定的时间槽，每个都代表一个终端设备。上图就说明了这点，而其下的表格则指出了IRT通道的能力是如何取决于周期时间的。一个IRT循环周期时间为1ms的PROFINET系统，使用50/50的带宽划分来处理150个设备（即运动控制轴）。 

    现有的以太网切换技术不支持IRT的时间分割技术，因此它需要专用的硬件支持。目前正在开发两种新的嵌入式以太网芯片切换器。 

嵌入式IRT切换器 
    高端运动控制的市场可以分为两个部分——强大的运动控制器和复杂的驱动器或现场设备。因此可以设想两种IRT切换器：用于运动控制器的4端口切换器和用于现场设备的2端口切换器。下图指出了它们是如何使用的。每种类型都在芯片的基础上实现。当控制器或其它设备（例如HMI）横向通信或向上通信时，需要使用4端口的切换器。由于这种端口的价格不是太大的问题，因此它通常作为子模块安装在控制器上。对于价格更低廉的现场设备，可以将2端口的芯片嵌入在设备本身即可。 

     
    这两种芯片称为ERTEC 400（4端口切换器，在2004年第3季度推出样品）和ERTEC 200（2端口切换器，有望在明年5月问世）。它们通过响应IRT通道的时间分割技术，保证系统在精确的时间被连接，以便在指定的设备之间传输报文。通过简单的切换，数据就能传输给系统中指定的另外一个接收者。这两种类型都支持通常的以太网切换功能，它们取代了以太网的外部切换器，可以方便地创建复杂的自动化结构。上图右侧的环型连接描述了如何创造冗余子网络。 

    ERTEC200包括以太网物理层，其价格相当低，足以嵌入到一个驱动器内。ERTEC400将不包括以太网物理层，在运动控制器中可能作为PCI子系统连接。Siemens和NEC Electronics都已经公布了这两种产品。由于成本的降低，这两种ERTEC切换器将会在其它产品中出现。 

市场目标 
    对于PROFINET有两个主要的市场——分散控制和分散自动化。前者由目前传统的自动化观念所驱动，可能会有一个和PROFIBUS DP类似的传统解决方案。由于自动化系统中各个单独的部件级联到单个生产单位（如喷涂生产线可能将包括清洗站、喷涂站、烘烤、冷却和干燥，每个自动化系统都有自己的远程I/O和一个或多个控制器），后者将得到相当的发展。目前，只有少数的企业采用这种自动化的方式（例如机床），而更多的最终用户（尤其在汽车工业）将朝着这一方向发展。PROFINET支持这两种情况，分散控制的解决方案在未来的一段时间将处于领先地位。 
    分散控制的解决方案是PROFINET I/O，它提供了类似与PROFIBUS DP的分散I/O的解决方案，而且它还具有工业以太网的好处。本质上，它将提供和传统远程I/O块同样的I/O功能，因此能够长期地保证生产商的投资。然而，它将涉及一些问题，例如不同的通信结构、新的组态/维护工具，因此它牵涉到对最终用户的培训以及库存管理等问题。 
    和PROFIBUS一样，每个PROFINET I/O设备都将分配一个ID号并具有组态文件（类似GSD）。这个文件叫GSDML，在XML中。GSDML文件定义了控制器和现场设备之间的应用关系，允许基于PROFINET标准和实时通信选择来建立通信关系。在安装期间使用UDP，一旦完成，使用第一阶段同步方案，数据将在控制器和现场设备之间循环地传输。 
    分散的自动化系统是PROFINET的主要动力之一。基于多年来用于计算机行业中面向对象的技术，PROFINET把自动化模块看作大型系统的一个“对象”或是“部件”。但是，通过将每个部件描述成具有一套输入和输出的功能块，PROFINET简化了计算机世界中对象的概念。这很适合现实的自动化系统应用中功能的本质。例如在喷涂生产线中，清洗系统首先完成它的任务，然后以机械方式将产品推向涂漆池，在喷涂作业时，它发出喷涂信号。“机械、电气和控制”的混合意味着模块化的解决方案使事情对于OEM和用户来说变得简单。对于OEM，它意味着不同的机器和系统能使用同样的母“部件”，唯一不同的就是它们如何连接。 
    PROFINET将不同的自动化模块之间的接口进行标准化，允许运用通用的工程工具将自动化模块简易地连接。使用XML就是通过标准的编程方式允许从资源库中拷贝功能块，并将功能块放置在基于PC的Connection Editor中，可以象PCB互联一样地进行组态。应用CAD软件可以很好地剪切设计、组态和投运，尤其在需要考虑可重新使用的因素时。此外，这不需要具有通信知识，因为它隐藏了网络的复杂性，而且通信关系是自动执行的。 
    为了支持这个概念，对每个自动化的功能块都附有基于XML的PCD（PROFINET部件描述）文档，其中包括所使用的硬件和软件的描述。一旦完成组态，PROFINET程序就通过网络下载到硬件中并开始运行，通过屏幕的诊断可以方便地确定出错的位置。有了DCOM和RPC（远程过程调用）的附加帮助，PROFINET开放通道的通信可用于典型的基于部件的系统中。 

与企业结合 
    基于以太网TCP/IP意味着PROFINET系统对于IT领域完全开放，也许更重要的是对于因特网以及基于网络的服务和工具开放。例如，它能使用DHCP（分布式主机配置协议）自动地向网络中的从站分配地址。SNMP可以用于网络管理，允许对每个连接的设备进行远程组态，并远程地检查状态和诊断信息。 

    在PROFINET中定义网络集成，允许使用通用的浏览器进行投运、诊断和维护。更进一步地协助与IT的集成就是把OPC作为通用接口用于提取数据。PROFINET定义了数据是如何在不同类型的激活设备中出现的。由OPC创建的跨现场总线分割的OPC DX（OPC数据交换）也用于PROFINET。 
   

对传统系统的影响 
    除了一些重叠的领域，在一段时间内，PROFINET要取代PROFIBUS是完全不可能的事情。市场分析预测转折点将在2010年。原因很实际。即使以太网的诱惑力再大，用户也不可能放弃已经在使用中的PROFIBUS系统。另外，现场总线将在未来的许多年中继续满足市场的需求，尤其在一些专门的领域例如机器安全和过程控制。市场调查显示在未来四年中PROFIBUS的安装节点将从1千万翻倍到2千万。最终，PROFINET的成本要低于PROFIBUS还是需要一段时间的。 

    但是，逐步地转到基于以太网的自动化解决方案的这一趋势是不可避免的，因此，现有的系统和技术能简单地与PROFINET结构集成，这点非常重要。已承认的有两种解决方案—用代理服务器或基于部件。 
    基于部件的解决方案已经描述过了。但是代理服务器的解决方案对于PROFINET是独一无二和值得关注的：它可以包含任何一种现场总线协议。基本上，一个代理服务器是现场总线系统和PROFINET之间的网关。一半的设备面向的是PROFIBUS的世界（如PROFIBUS主站），而另一半的设备面向的是PROFINET世界。这两个“世界”之间的透明通信允许代理服务器在以太网上代替从站设备。对于协议不要求有隧道，这使通信象纯粹的PROFINET系统一样有效率。 
    代理服务器技术可以与直接连接的系统和基于部件的子网络一起使用。代理服务器的解决方案能灵活地适应任何现场总线系统，这意味着如果最终用户要使设备移植到以太网的话，可以选择PROFINET实现这个自动化的解决方案，而不用顾及正在使用的工业网络。欧洲主要的汽车生产商一直呼吁工厂中统一的以太网解决方案，从这点看来，PROFINET能很好地满足他们的要求。 
    但是，PROFINET具有一些强大的优势。包含三个部分的通信解决方案为创新系统的设计和实现提供了有利的机会。IRT实时能力在自动化世界中有冲击性的效应，尤其是它的新颖的切换技术。基于XML的工程能力保证了通用的支持。分散的自动化部件的解决方案保证了安全的发展方向。TCP/IP兼容性意味着使集成更加开放、工厂管理更为简单并通过标准化的工具和通用平台降低成本。另外，代理服务器的概念已经证明其关联性，实际上，PROFINET的“包容而不是替代”其它现场总线协议的能力是关键的因素。