自学工业控制网络之路2.2-PROFINET

PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

一、 PROFINET

1.1 PROFINET 网络连接

网络拓扑形式可以星型、树型、总线型、环型和混合型，但以交换机支持下的星型分段以太网为主。

电缆：Cu/Cu通信电缆或 Cu/FO铜缆/光缆，也可使用光缆。

电缆的插头连接器一般为RJ45 ，按照工业防护性能等级分IP20和IP67两种。 IP20 一般用于办公室，IP65/IP67用于条件恶劣的环境。

交换机：专用ASIC的交换机。

1.2 PROFINET 的IO设备及其数据交换

PROFINET 定义了两种数据交换方式：

分散式IO设备（PROFINET IO）：适用于具有简单I/O接口的现场设备的数据通信。
分散式自动化设备（PROFINET CBA）：适用于具有可编程功能的智能现场设备和自动化设备，以便对网络中的各种设备的交换数据进行组态、定义、集成和控制。

二、 PROFINET主要模块

PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

2.1 PROFINET实时通信

　根据响应时间的不同，PROFINET支持下列三种通讯方式：
（a）TCP/IP标准通讯

　PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP 是IT 领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100 ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。
（b）实时（RT）通讯

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，PROFINET实时通讯（RT）的典型响应时间是5－10ms

（c）同步实时（IRT）通讯

在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制（Motion Control），PROFINET的同步实时（Isochronous Real-Time, IRT）技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。

总结如下：

TCP/IP是针对PROFINET CBA及工厂调试用，其反应时间约为100ms。
RT（实时）通讯协定是针对PROFINET CBA及PROFINET IO的应用，其反应时间小于10ms。
IRT（等时实时）通讯协定是针对驱动系统的PROFINET IO通讯，其反应时间小于1ms。

2.2. PROFINET分布式现场设备：　　

通过集成PROFINET接口，分布式现场设备可以直接连接到PROFINET上。　　

对于现有的现场总线通讯系统，可以通过代理服务器实现与PROFINET的透明连接。

例如，通过IE/PB Link（PROFINET和PROFIBUS之间的代理服务器）可以强一个PROFIBUS网络透明的集成到PROFINET当中，PROFIBUS各种丰富的设备诊断功能同样也适用于PROFINET。对于其他类型的现场总线，可以通过同样的方式，使用一个代理服务器将现场总线网络接入到PROFINET当中。

2.3 PROFINET运动控制　　

通过PROFINET的同步实时（IRT）功能，可以轻松实现对伺服运动控制系统的控制。

在PROFINET同步实时通讯中，每个通讯周期被分成两个不同的部分，一个是循环的、确定的部分，称之为实时通道；另外一个是标准通道，标准的TCP/IP数据通过这个通道传输。

在实时通道中，为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗，而实时数据总是按固定的次序插入，因此，实时数据就在固定的间隔被传送，循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在PROFINET上传递，而且不会互相干扰。通过独立的实时数据通道，保证对伺服运动系统的可靠控制。　　

2.4 PROFINET与分布式自动化

随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统的分散程度也越来越高。工业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演进，因此，基于组件的自动化（Component Based Automation，CBA）成为新兴的趋势。工厂中的相关的机械部件、电气/电子部件和应用软件等具有独立工作能力的工艺模块抽象成为一个封装好的组件，各组件间使用PROFINET连接。通过SIMATIC iMap软件，即可用图形化组态的方式实现各组件间的通讯配置，不需要另外编程，大大简化了系统的配置及调试过程
通过模块化这一成功理念，可以显著降低机器和工厂建设中的组态与上线调试时间。在使用分布式智能系统或可编程现场设备、驱动系统和I/O时，还可以扩展使用模块化理念，从机械应用扩展到自动化解决方案。另外，也可以将一条生产线的单个机器作为生产线或过程中的一个"标准模块"进行定义。作为设备与工厂设计者，工艺模块化能够更容易、更好地对您的设备与系统进行标准化和再利用。使您能够对不同的客户要求更快、更具灵活性地作出反应。您可以对各台设备和厂区提前进行预先测试--极大地缩短系统上线调试阶段。作为系统操作者，从现场设备到管理层，你都可以从IT标准的通用通讯中获得好处。对现有系统进行扩展也很容易。

2.5 PROFINET网络安装　　

PROFINET支持除星形、总线形和环形拓扑结构。

为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便的实现PROFINET的安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并且在PROFINET框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。

2.6 PROFINET IT标准与网络安全　　

PROFINET的一个重要特征就是可以同时传递实时数据和标准的TCP/IP数据。在其传递TCP/IP数据的公共通道中，各种业已验证的IT技术都可以使用（如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的时候，我们可以使用这些IT标准服务加强对整个网络的管理和维护，这意味着调试和维护中的成本的节省。

PROFINET实现了从现场级到管理层的纵向通讯集成，一方面，方便管理层获取现场级的数据，另一方面，原本在管理层存在的数据安全性问题也延伸到了现场级。为了保证现场级控制数据的安全，PROFINET提供了特有的安全机制，通过使用专用的安全模块，可以保护自动化控制系统，使自动化通讯网络的安全风险最小化。

2.7 PROFINET故障安全　　

在过程自动化领域中，故障安全是相当重要的一个概念。所谓故障安全，即指当系统发生故障或出现致命错误时，系统能够恢复到安全状态（即"零"态），在这里，安全有两个方面的含义，一方面是指操作人员的安全，另一方面指整个系统的安全，因为在过程自动化领域中，系统出现故障或致命错误时很可能会导致整个系统的爆炸或毁坏。故障安全机制就是用来保证系统在故障后可以自动恢复到安全状态，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。

PROFINET集成了PROFISafe行规，实现了IEC61508中规定的SIL3等级的故障安全，很好的保证的整个系统的安全。

2.8 PROFINET与过程自动化　　

PROFINET不仅可以用于工厂自动化场合，也同时面对过程自动化的应用。工业界针对工业以太网总线供电，及以太网应用在本质安全区域的问题的讨论正在形成标准或解决方案。PROFIBUS国际组织计划在2006年的时候会提出PROFINET进入过程自动化现场级应用方案。
　　通过代理服务器技术，PROFINET可以无缝的集成现场总线PROFIBUS和其它总线标准。今天，PROFIBUS是世界范围内唯一可覆盖从工厂自动化场合到过程自动化应用的现场总线标准。集成PROFIBUS现场总线解决方案的PROFINET是过程自动化领域应用的完美体验。
　　作为国际标准IEC61158的重要组成部分，PROFINET是完全开放的协议，PROFIBUS国际组织的成员公司在2004年的汉诺威展览会上推出了大量的带有PROFINET接口的设备，为PROFINET技术的推广和普及起到了积极的作用。随着时间的流逝，作为面向未来的新一代工业通讯网络标准，PROFINET必将为您和您的自动化控制系统带来更大的收益和便利。

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