PROFIBUS與PROFINET現場總線比較與應用

張琦，尹嘉娃

（1.安徽中煙工業有限責任公司合肥卷煙廠，安徽合肥230000；2.南華大學衡陽三力高科技開發公司，湖南衡陽421001）

PROFIBUS與PROFINET現場總線比較與應用

張琦1，尹嘉娃2

（1.安徽中煙工業有限責任公司合肥卷煙廠，安徽合肥230000；2.南華大學衡陽三力高科技開發公司，湖南衡陽421001）

比較了PROFIBUS與PROFINET兩種現場總線技術，分析PROFIBUS與PROFINET在卷包工藝風力控制系統中的應用。實踐證明，PROFINET可以克服PROFIBUS控制網絡的低速、復雜以及診斷困難等缺點，具有系統響應速度快、跟蹤性能好、快速定位故障點、維護簡單等優點；PROFINET網絡控制適用于工藝風力等各種復雜的生產過程控制，具有較好的實用價值。

PROFIBUS；PROFINET；工藝風力

現場總線是近年來迅速發展起來的一種工業總線，它是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支的通信網絡。其促進了企業網絡的快速發展，為企業帶來新的效益，因而被廣泛應用。PROFIBUS和PROFINET是由PNO（Profibus National Organization）國際組織推出的兩種現場總線。本文先分析了PROFIBUS和PROFINET兩種現場總線技術的優缺點，再將PRFIBUS和PROFINET網絡控制方案應用到安徽某卷煙廠的卷煙機工藝風力控制系統中進行比較，實例分析說明了PROFIBUS網絡控制方案使控制系統具有更大的開放性、互操作性和實時性。

1 背景知識介紹

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。它是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，能實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供可行的解決方案。

PROFINET是國際組織推出的新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準[1]。該技術作為一項戰略性技術創新，為自動化通信領域提供了一個完整的工業網絡解決方案，囊括了諸如分布式自動化、運動控制、實時以太網、故障安全以及網絡安全等自動化領域的許多熱點話題，并且，作為跨供應商的技術，可完全兼容工業以太網或現有的現場總線技術等，可有效地保護客戶現有的投資[1-2]。

PROFINET分為兩類不同性能的實時周期通信。一種稱為實時（real-time，RT）通信，其沒有時間同步要求，一般要求響應時間為5～10 ms，主要用于工廠自動化；另一種為等時同步實時（isochronous realtime，IRT）通信，主要用于有苛刻時間同步要求的場合，例如電子齒輪、運動控制等。與此相對應的，PROFINET 提供兩類實時通信通道：RT 實時通道和IRT 實時通道。PROFINET RT和IRT通信協議及幀結構如圖1～2所示[3]。其中，PROFINET RT幀中的狀況信息域用來標識設備和數據的狀況（如運行、停止、出錯等）。

圖1 PROFINET RT通信協議及其幀結構Fig.1PROFINET RT protocol and frame structure

圖2 PROFINET IRT通信協議及其幀結構Fig.2PROFINET IRT protocol and frame structure

PROFIBUS和PROFINET兩者協議上由于介質完全不同，沒有任何關聯。PROFIBUS基于RS485串行總線。PROFINET基于工業以太網，因此，基于標準以太網的任何開發都可以直接應用在PROFINET網絡中，且基于以太網的解決方案的開發者遠遠多于PROFIBUS開發者，有更多的可用資源去創新技術[3-4]。在PROFINET IO中，使用IE/PB LINK PN IO 所連接的每一個PROFIBUS-DP 從站都可看作為PROFINET IO設備，這使得現有的模板或設備仍可以繼續使用，從而保護PROFIBUS用戶的投資[4-6]。

2 比較PROFINET與PROFIBUS

2.1 性能比較

PROFINET與PROFIBUS兩種網絡的性能比較[7-9]，如表1所示。

表1 PROFINET與PROFIBUS的性能比較Table 1Performance comparison of PROFINET and PROFIBUS

從表1可以看出，與PROFIBUS相比，PROFINET具有功能更加完善、傳輸速率更高、抗干擾能力更強、使用更方便等諸多優點。

2.2 通信比較

本文從通信協議的報文、數據傳輸時間以及總線循環時間3個方面來對PROFINET與PROFIBUS進行分析。表2列出了PROFINET與PROFIBUS兩種協議的報文的部分參數。

表2 PROFINET與PROFIBUS的報文比較Table 2PROFINET and PROFIBUS message comparison

從表2可以看出，PROFINET報文頭較長，能包含更多信息量，攜帶更多的數據。

PROFINET與PROFIBUS的傳輸時間比較如圖3所示。從圖可以看出，PROFIBUS的數據傳輸時間與其組態的傳輸速率成反比，即使在其最大傳輸速度100 Mb/s時，其數據的傳輸時間仍遠遠大于PROFINET。

圖3 PROFINET與PROFIBUS的傳輸時間比較Fig.3Transimission time of PROFINET and PROFIBUS

PROFINET與PROFIBUS的ET200總線循環時間時間比較如圖4所示。從圖可以看出，PROFIBUS總線技術也在不斷的改進之中，總線循環周期在逐年降低，但其總線循環時間仍遠遠大于PROFINET，最大甚至達到40倍以上。

圖4 PROFINET與PROFIBUS的ET200總線循環時間時間比較Fig.4ET200 bus cycle time of PROFINET and PROFIBUS

綜上所述，PROFINET所具有的優勢如下[10-11]：

1）通信速度快，可實現以太網的實時通信。

2）不同的工藝段能就近連接，方便快捷。

3）PROFINET網絡可用于以太網的拓撲結構有星型、線型、樹型和環型結構等，而實際的系統一般由混合結構組成。

4） PROFINET網絡安全可靠，可依據工業環境下對以太網的特殊要求，給設備制造商提供清晰的設備接口規范和布線要求。

5）網絡管理覆蓋了在以太網中PROFINET設備管理的所有功能，包括設備和網絡組態、網絡診斷。對于Web 集成，PROFINET采用基于以太網的技術，且借助互聯網的標準技術可訪問PROFINET組件。

6）最上層網絡可通過TCP/IP 協議直接訪問和診斷到最底層的I/O設備，將底層設備控制網、車間主干網、集中監控網、生產管理網實現網絡層的統一。

3 PROFINET與PROFIBUS在工藝風力控制系統中的應用比較

卷接機組的工藝風力系統是指為實現通過負壓風機產生的負壓，為卷煙、接嘴及除塵等過程提供動力，同時收集各工藝過程中產生的粉塵等功能而建立的一整套設備及相關控制。工藝風力控制系統是一種非線性、時變大、強耦合的多變量系統。安徽某卷煙廠的工藝風力控制系統原來使用的現場總線技術為PROFIBUS，其網絡結構如圖5所示。

圖5 PROFIBUS網絡結構圖Fig.5The network of PROFIBUS

由圖5可以看出，當工藝風力控制系統的控制任務量大時，PROFIBUS現場總線技術具有網絡結構復雜、傳輸速率低、故障點不易定位以及調試不方便等諸多缺點。

該卷煙廠在異地搬遷技改中，順應新的技術要求，工藝風力控制系統采用了PROFINET網絡控制方案，其網絡結構如圖6所示。

由圖6可知：

1）該方案包含了S7-400系列PLC、ET200S I/O設備、變頻器、交換機、觸摸屏以及上位機等諸多類型的設備，采用星形網絡拓撲，其具有結構簡單、易于擴展等優點，真正實現了一網到底的控制理念。

2）系統調試方便，現場可就近選擇接入口。用一根普通的以太網線即可實現與PLC之間的連接，便于監控、調試及完善功能等。

3）通過PROFINET，分布式現場設備（如現場I/O設備中的信號模板）可直接連接到工業以太網，與PLC等設備通訊，且可達到與其它現場總線（如PROFIBUS等）相同甚至更優越的響應時間，典型的響應時間在10 ms的數量級，完全滿足現場級的使用。

盡管工藝風力控制系統是一種非線性、時變大、強耦合的多變量系統，但該系統調試完成之后，已經正常運行近3年。實踐證明：該系統穩定可靠，且各方面的性能均有顯著地提高，有力地保障了卷包車間正常的生產秩序。且該系統在后期還進行了一次改造，增加了若干系統及各種設備，改造工作量很大，但基于PROFINET的結構及控制方式，最大限度地降低了改造難度，使后期維護也非常方便。

4 結論

本文比較了PROFINET與PROFIBUS兩種網絡控制系統，并將其應用于卷包工藝風力控制系統中進行比較。本文將PROFINET網絡控制應用于生產制造業中是一種有益嘗試，對于此類應用具有一定的指導意義。通過PROFIBUS和PROFINET的比較與應用可知：

1） PROFINET網絡控制既具有傳統的實時性，也有適應新的控制要求的快速性，能克服PROFIBUS控制網絡的低速、復雜以及診斷困難等缺點。

2）在實際應用中，PROFINET網絡結構多樣，能實現一網到底。通過工藝風力的各指標性能，證明了本系統具有較好的控制效果。與原系統相比，其性能更好，響應時間更少，跟蹤性能更好，可快速定位故障點，系統的維護簡單。

3）PROFINET網絡控制能應用于工藝風力等各種復雜的生產過程控制中，具有較好的實用價值。

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（責任編輯：鄧彬）

Comparison and Application of PROFINET and PROFIBUS Fieldbus

Zhang Qi1，Yin Jiawa2
（1. Hefei Cigarette Factory，China Tobacco Anhui Industrial Co., Ltd.，Hefei 230000，China；2. Sunny High-Tech R&D Company，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Compares the fieldbus technology of PROFINET with PROFIBUS, and analyzes the application of PROFINET and PROFIBUS in the centralized air supplying control system. Practice proves that PROFINET overcomes the shortcomings of PROFIBUS control network, such as low-speed, complex and difficult to diagnose etc., and it has advantages of the system response quickly, good tracking performance, fast fault location and simple maintenance etc.. PROFINET network control is fully applicable to the production process such as the centralized air supplying and other complex control. It is valuable in practice.

PROFIBUS；PROFINET；centralized air supplying

TP393

A

1673-9833(2014)03-0060-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.013

2014-03-02

張琦（1969-），男，安徽阜陽人，安徽中煙工業有限責任公司工程師，主要研究方向為工藝風力與風力除塵系統，智能控制，工業自動化，E-mail：kqshj@foxmail.com