基于以太網的工業網絡PROFINET技術概覽

2011-02-19 07:51:18張丹丹

制造業自動化 2011年3期

張丹丹

ZHANG Dan-dan

（現場總線專業委員會，北京 100120）

0 引言

隨著企業生產自動化水平的迅速提升和企業信息化進程的加快，企業的應用需要將企業管理層與自動化系統連接，以實現縱向的透明通信和信息集成，要求采用統一的網絡結構，以簡化工程設計、適應迅速變化的市場，要求既能使用現有的IT技術又能保護原有的投資等。國際標準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）提出的開放性標準，用于實現基于工業以太網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）。使用Profinet，能使簡單的分布式I/O和嚴格時間要求的應用以及基于組件的分布式自動化系統集成到以太網通信中。

2 Profinet I/O

Profinet IO是使用以太網連接和Profinet通信的分散的外圍設備。這些現場設備不僅能夠傳輸數字、模擬輸入和輸出信號，還具有預處理功能。Profinet IO的關注點是采用簡單的通信設備實現適合的數據傳輸。為了保護現有投資，從Profibus用戶觀點來看，將其與Profinet相結合。其中最重要的方面如下：

1）用于Profibus的外圍設備模塊的使用；

2）成套裝備工程設計過程；

3）安裝工程及現場設備的編程。

Profinet IO同Profibus類似，區分不同的設備角色，一個設備可能包含多個角色，如IO控制器、IO監視器和IO設備。圖1展示了在Profinet IO中不同類型設備之間的通信路徑。

圖1 在Profinet IO中不同類型設備之間的通信路徑

Profinet IO現場設備總是通過作為網絡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，或使用集成在現場設備中的交換機就形成線型拓撲。

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

Profinet IO提供兩種數據通信方式：

1）循環數據通信：循環的I/O數據被作為提供者與消費者之間的實時數據的無確認傳輸。

2）非循環數據通信：非循環數據通信可以用來參數化和組態IO設備或讀出狀態信息。使用UDP/IP的標準IT服務read/write來完成。

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

Profinet IO的工程設計使用多年來使用Profibus系統的集成商熟知的方法來完成。在組態期間，分布式現場設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，它滿足成套裝備構造者和操作者對于系統級的工程設計過程與制造商無關的要求。現有的現場總線系統與以太網的無縫集成是從企業級到現場級所需連續性的一個重要方面。

Profinet CBA以工藝技術模塊（許多自動化系統可分為多個自治工作段，在Profinet中，這些工作段成為工藝技術模塊。）的面向對象的模型化為基礎。這些模塊的功能采用統一的Profinet定義方式進行封裝。從外部，可通過統一的接口訪問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的一個自治部分

圖3 適用于任何領域的可伸縮的PROFINET通信

這種方法設計的分布式自動化系統可實現設備和機器的模塊化，因此，它們很容易再次應用于新的生產布局。這大大縮減了工程成本。

4 Profinet的三種通信方式

Profinet的通信基礎為以太網及TCP/UDP和IP。根據響應時間的不同，Profinet支持下列三種通訊方式：

1）TCP/IP標準通訊

Profinet的這種通訊方式基于工業以太網技術，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP 是IT 領域關于通信協議方面事實上的標準，盡管其響應時間大概在100 ms的量級，不過，對于工廠控制級的應用來說，這個響應時間就足夠了。

2）實時（RT）通訊

3）等時同步實時（IRT）通訊

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

5 網絡安裝

國際標準的ISO/IEC 11801和其歐洲等同標準EN 50173定義了應用中立信息技術標準的網絡連接，構建與應用無關的敷設系統。這些標準不考慮工業環境中Ethernet網絡的特定要求，例如安裝特定的配線，每臺設備/機器不同級別的聯網，線性的網絡結構，堅固的、工業兼用的電纜，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據和標準的TCP/IP數據。在其傳遞TCP/IP數據的公共通道中，各種業已驗證的IT技術都可以使用（如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的時候，我們可以使用這些IT標準服務加強對整個網絡的管理和維護，這意味著調試和維護中的成本的節省。

7 網絡安全

自動化系統安全的核心是確保工業安裝和生產過程的可用性、可靠操作，保護工業設備和生產過程，以及操作人員人身安全。自動化系統內潛在的危險來自于外界和內界。

當辦公室領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，必須開發自動化技術中的數據安全理念。Profinet安全理念包括通常的IT訪問控制，數據加密，授權以及安全性相關事件的記錄。

安全單元之間或客戶機和單元節點之間的數據傳輸也可加密，從而防止數據被竊取和數據被操縱。這在通過Internet為實現維護干預的遠程訪問時尤為顯著。

自動化技術的當前趨勢和用于通過Internet遠程維護的Ethernet的不斷使用，相當大程度上增加了來自黑客攻擊，數據操縱，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絡進行有信息安全目的的分割

其安全的核心是自動化網絡的安全性分段。構建受保護的自動化單元。專用安全網絡部件（例如交換機或安全器件）保護單元內的網絡節點，該部件控制來往于單元的數據傳輸，并檢查訪問特權，僅允許授權的數據傳輸。采用一個特定的安全客戶機軟件，可執行PC客戶機到安全自動化設備的訪問。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點之間的數據傳輸也可加密，從而防止數據被竊取和數據被操縱。這在不可靠網絡中的通信情況下特別重要，例如通過Internet為實現維護干預的遠程訪問。

8 功能安全

對于安全相關應用，Profibus使用了PROFIsafe，那么，相對于同樣的應用，Profinet也可使用該行規的一部分。它定義了面向安全的設備（應急切斷開關，光柵，溢出保護系統等）如何通過一個足夠安全的網絡，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。采用一種行規，可實現安全通信，即使用特定格式的用戶數據和一個專用的協議。

9 Profinet和MES

自動化系統與制造執行系統（MES）、企業資源計劃（ERP）的結合是公司范圍內集成信息系統的一個熱門話題。雖然在IEC 62264規范中定義了MES和ERP之間的接口，但迄今為止，還沒有MES和自動化系統之間的接口的規范。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，基于狀態維護的過程成為當前的重點。它基于設備和部件的能力，來確定其狀態并通過約定的機制進行傳輸。

除了維護狀態外，設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 驅動應用

PROFIdrive驅動行規應用層描述了來自控制應用的驅動接口，以及映射到Profibus和Profinet通信網絡。行規包括從簡單變頻器到高端的動態伺服驅動器的應用情況。

11 現場總線的集成

為了實現基于現場總線和Ethernet網段構成的系統結構的任意混合，Profinet規定了一個模型，用于集成已有Profibus和其它現場總線系統，如Interbus和DeviceNet。由于保護投資的原因，支持大量現有現場總線系統的集成是必須的。

使用代理服務器，現場總線方案可無縫連接到Profinet系統中。代理服務器可作為Ethernet上的現場總線設備的代表運行。它可將連接到下方現場總線系統的節點集成到Profinet系統。這使得現場總線的優勢，比如高動態性，本地精確診斷，以及自動系統組態，能夠用于Profinet領域，而無需在設備內進行設置。通過使用現場總線系統的診斷能力，傳輸簡化了規劃編制。也可支持通常的設備和軟件工具，并將其集成在系統管理結構中。

12 結束語

Profinet適用于所有先進制造業的工業以太網，是自動化工業網絡的“未來”。在輕松地集成現有系統及設備的同時，將以太網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、更高品質的生產制造。在中國，Profinet CBA部分已成為我國國家標準化指導性技術文件（GB/Z 20541-2006），《工業通信網絡現場總線規范類型10：PROFINET IO規范》也在2010年11月正式成為國家標準指導性技術文件，其標準號為：GB/Z 25105.1–.3-2010。

[1]PROFINET快速入門.中國現場總線專業委員會（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，Fieldbus Integration into PROFINET IO.

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

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

[9]PROFINET技術和應用（系統描述）.中國現場總線專業委員會（CPO）.