PROFINET技术和应用系统描述.pdf

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1、 技术和应用 系统描述 自动化领域的开放解决方案 2 引言引言引言引言 由于新产品的创新周期越来越短，因而自动化领域的发展日新月异。在这种形势下，近 年来现场总线技术的实现标志着重大的革新。 它使得自动化系统从集中转向分散。 作为该领 域中的市场引领者，PROFIBUS 现已经历了十五年的发展历程。 当今自动化技术的发展正日益受到信息技术（IT）以及已确立的标准（例如：TCP/IP 和 XML）的重大影响。现代自动化领域中的信息集成技术已经在以下方面产生了巨大的变 革：自动化系统之间的通信选择，扩展组态，诊断选择和远程服务功能。这些功能从一开始 就已经成为 PROFINET 的组成部分。 PR

2、OFINET 是基于工业以太网的用于工业自动化的开放标准是基于工业以太网的用于工业自动化的开放标准是基于工业以太网的用于工业自动化的开放标准是基于工业以太网的用于工业自动化的开放标准。 PROFINET 支持在工厂支持在工厂支持在工厂支持在工厂 自动化和运动控制中的解决方案的方便实现自动化和运动控制中的解决方案的方便实现自动化和运动控制中的解决方案的方便实现自动化和运动控制中的解决方案的方便实现。 由于 IT 技术的应用， 在 PROFINET 方案中保护投资也起着至关重要的作用。 PROFINET 使能集成现有的现场总线系统（例如 PROFIBUS） ，且无需修改现有设备。这就保护了工厂 操

3、作员/业主、机器/成套装备制造商和设备制造商的现有投资。 PROFINET 满足所有自动化的需求。PROFINET 还吸纳了多年积累的 PROFIBUS 和工 业以太网的技术决窍（know-how） 。开放标准的采用、现有设备的简单处理和集成，从一开 始就决定了 PROFINET 的定义。现在 PROFINET 已成为 IEC 61158 的组成部分（IEC 61158 第 10 部分） 。 PROFINET 持续不断的开发为用户带来了长远的前景。 对于装备/机械工程师来说，采用 PROFINET 可降低安装、工程和投运的成本。对于工 厂操作员/业主来说，由于运用了自治的子单元，PROFINE

4、T 简化了装备的扩展并提高了装 备的可用性。 此外，PROFIBUS 国际组织所制定的认证方法确保了 PROFINET 产品的高质量标准。 以下的系统描述将进行详细说明，告诉你如何在 PROFINET 中实现已开发并测试的 PROFIBUS 技术及其已确立的 PROFIBUS 标准。 分散的分散的分散的分散的 外围设备外围设备外围设备外围设备 分布式分布式分布式分布式 自动化自动化自动化自动化 PROFINET 通信通信通信通信 网络安装网络安装网络安装网络安装 IT集成集成集成集成 现场总线现场总线现场总线现场总线 系统的集成系统的集成系统的集成系统的集成 3 目目目目 录录录录 1 1 1

5、 1 PROFINET 概述概述概述概述5 1.1 分散式现场设备（PROFINET IO）5 1.2 分布式自动化（组件模型）5 1.3 通信6 1.4 网络安装 6 1.5 IT 集成 6 1.6 现场总线集成6 2 分散式现场设备分散式现场设备分散式现场设备分散式现场设备 7 2.1 功能的范围7 2.2 设备模型 8 2.3 设备描述 9 2.4 组态和数据交换9 2.5 诊断 10 3 分分分分布式自动化布式自动化布式自动化布式自动化10 3.1 工艺技术模块 10 3.2 PROFINET 组件 10 3.3 PROFINET 工程设计 11 3.4 组件描述(PCD) 12 3.

6、5 互连编辑器 12 3.6 PROFINET 运行期 13 4 PROFINET 通信通信通信通信13 4.1 使用 TCP/IP 的标准通信 13 4.2 实时通信 14 4.3 与 PROFINET IO 的通信 16 4.4 工艺技术模块之间的通信 16 5 网络安装网络安装网络安装网络安装17 5.1 网络拓扑 17 5.2 PROFINET 布线 18 5.3 插头连接器 19 5.4 转换开关 20 6 IT 集成集成集成集成21 6.1 网络管理 21 6.2 Web 服务 21 6.3 OPC 23 7 现场总线系统的集成现场总线系统的集成现场总线系统的集成现场总线系统的集成

7、25 4 7.1 转移策略 25 7.2 通过代理服务器集成 26 7.3 现场总线应用的集成 26 7.4 PROFINET 和其它现场总线系统 27 7.5 模块化机器的一则示例 27 8 PROFIBUS 国际组织提供的服务国际组织提供的服务国际组织提供的服务国际组织提供的服务28 8.1 技术发展 28 8.2 质量措施 29 8.3 技术支持 29 9 9 9 9 术语表术语表术语表术语表31 5 1、 PROFINET 概述概述概述概述 PROFINET 是 PROFIBUS 国际组织创新的自动化标准， 用于实现基于工业以太网的集成、 一致的自动化解决方案。 PROFINET 支持

8、用以太网通信的简单分散式现场设备和苛求时间的 应用的集成，以及基于组件的分布式自动化系统的集成。 1.11.11.11.1 分散式现场设备分散式现场设备分散式现场设备分散式现场设备（PROFINET IO） 分散式现场设备通过 PROFINET IO 集成。这采用通常的 PROFIBUS DP 的 IO 视点，从 而可将现场设备的 IO 循环地传输给 PLC 的过程映象。 PROFINET IO描述的设备模型，以PROFIBUS DP的关键特性为基础，并由槽和通道组成。 现场设备的特性通过基于XML的GSD(General Station Description)文件来描述。 所有的 PROF

9、IBUS DP 系统集成商对于 PROFINET IO 的工程设计应该是熟悉的，从而 可在组态期间将分散式自动化设备分配给控制器。 图图图图 1 1 1 1：PROFINET IO 的体系结构类似于的体系结构类似于的体系结构类似于的体系结构类似于 PROFIBUS DP 的体系结构的体系结构的体系结构的体系结构 1.21.21.21.2 分布式自动化分布式自动化分布式自动化分布式自动化（组件模型组件模型组件模型组件模型） PROFINET 组件模型在分布式装备中是非常高效的。 它对于具备可编程功能的智能现场 设备和自动化设备来说非常理想。 组件模型将机器或装备的自治模块描述为工艺技术模块。 基

10、于工艺技术模块而开发的分 布式自动化系统简化了装备和机器的模块化设计， 从而显著地简化了装备和机器零部件的重 复使用。因此大量地减少了工程设计成本。 基于组件模型的 PROFINET 通过 PCD（PROFINET Component Description）来描述。 它是一个 XML 文件， 并可以使用制造商特定的组态工具的组件生成器或 PROFINET 组件编 辑器来创建。 分布式自动化装备的工程设计分为： 各个工艺技术模块的控制逻辑的编程 （制造商特定 的组态工具）和整个装备的工艺技术组态，后者决定这些工艺技术模块之间的通信关系。 控制器与分散式 现场设备之间的 数据交换 分散式现场设备

11、：IO 设备 6 图图图图 2 2 2 2 将机械将机械将机械将机械、电气电气电气电气/ / / /电子和软件电子和软件电子和软件电子和软件组合在一起来创建工艺技术模块组合在一起来创建工艺技术模块组合在一起来创建工艺技术模块组合在一起来创建工艺技术模块 1.31.31.31.3 通信通信通信通信 PROFINET 根据通信目的不同而采用不同的性能等级： PROFINET 通过 TCP/UDP 和 IP 在标准通道上发送非苛求时间的数据， 例如： 参数、 组态数据和互连信息。这满足自动化层与其它网络（MES，ERP）的连接需求； 对于生产装备内苛求时间的过程数据的传输，它采用实时通道 SRT（软

12、实时） 。它是 作为基于可用控制器的软件来实现的； 对于同步应用，可采用等时同步实时通信（IRT） 。它允许在时钟速率为 1ms 时，抖 动精度为 1s。 1.4 1.4 1.4 1.4 网络安装网络安装网络安装网络安装 PROFINET 网络安装依据工业环境下以对太网网络的特殊要求。它们给设备制造商提 供清晰的设备接口规范和布线要求。 “PROFINET 安装导则” 给装备制造商/操作人员提供以 太网网络安装的简单规则。 1.51.51.51.5 IT 集成集成集成集成 网络管理覆盖了在以太网网络中 PROFINET 设备管理的所有功能。 这包括设备和网络组 态、网络诊断。 对于 Web 集

13、成， PROFINET 采用基于以太网的技术， 而且借助互联网的标准技术可访问 PROFINET 组件。 为了获得与其它系统范围的开放链接，PROFINET 采用 OPC DA 和 DX。 1.6 1.6 1.6 1.6 现场总线集成现场总线集成现场总线集成现场总线集成 PROFINET 的一个关键特点是从现有的现场总线解决方案（例如：PROFIBUS DP）到 基于以太网的 PROFINET 的无缝转换。对于设备/装备/机器制造商和最终用户来说，这就是 对现有投资的重要保护。 PROFINET 提供两种集成现场总线系统的方法： 通过代理服务器的现场总线设备集成： 在此情况下， 代理服务器代表

14、以太网上较低层 的现场设备。采用代理服务器方案，PROFINET 提供了从现有设备到新安装的设备 之间的全透明转换。 整个现场总线应用的集成：一个现场总线段代表一个自包含的 PROFINET 组件，该 灌装 机械 控制软件 智能 现场设备 7 组件代表的是在较低层操作现场总线（例如：PROFIBUS DP）的 PROFINET 设备。由此，较低 层现场总线的所有功能以组件的形式保存在代理服务器内。 然后这些功能就在以太网上可供 使用了。 图图图图 3 3 3 3 采用代理服务器可将采用代理服务器可将采用代理服务器可将采用代理服务器可将 PROFIBUSPROFIBUSPROFIBUSPROFI

15、BUS 系统集成在系统集成在系统集成在系统集成在 PROFINET 中中中中 2、 分散式现场设备分散式现场设备分散式现场设备分散式现场设备 采用 PROFINET IO，分散式现场设备的集成可以直接在以太网上实现。为此，大家所熟 悉的 PROFIBUS DP 主-从访问方法转换成提供者-消费者模型。从通信的角度看，以太网上 的所有设备都被平等地对待。但是，使用组态过程来决定分配给中央控制器的现场设备，由 此所熟悉的 PROFIBUS 用户接口就转换成 PROFINET 的外围设备：分散布式外围设备读取 外围设备信号，并将它们发送给控制器。然后控制器处理这些信号，并将输出发送给分散式 外围设备

16、。 CR：通信关系通信关系通信关系通信关系 AR：应用关系应用关系应用关系应用关系 图图图图 4 消费者消费者消费者消费者/提供者模型用于提供者模型用于提供者模型用于提供者模型用于 PROFINET IO 中的通信关系中的通信关系中的通信关系中的通信关系 2.1 功能的范围功能的范围功能的范围功能的范围 PROFINET IO 分为 3 种设备类型：IO 控制器，IO 设备和 IO 监视器： IO 控制器：在 IO 控制器上运行自动化程序； IO 设备：分配给某个 IO 控制器的远程指定的现场设备， IO 监视器：具有投运和诊断功能的编程装置/PC 数据可在 IO 控制器与 IO 设备之间通过

17、下列通道传输： 循环 IO 数据：在实时通道上传输； IO设备设备设备设备 标准标准标准标准/UDP ! 组态数据组态数据组态数据组态数据 实时通道实时通道实时通道实时通道 !IO 数据数据数据数据 IO控制器控制器控制器控制器 实时通道实时通道实时通道实时通道 !报警报警报警报警 报警报警报警报警CR IO 数据数据数据数据CR 记录数据记录数据记录数据记录数据CR IO AR 以太网以太网以太网以太网 PROFIBUS 代理服务器代理服务器代理服务器代理服务器 8 事件控制的报警：在实时通道上传输； 参数分配、组态及读取诊断信息：在基于 UDP/IP 的标准通道上传输。 开始时，在 UDP

18、/IP 通道上建立 IO 控制器与 IO 设备之间的应用关系。它包含若干通信 关系（CR） ，组态、IO 数据和中断可通过这些通信关系进行传输。IO 控制器在 “记录通信 关系” （Record Data CR） 上发送指定的 IO 设备的参数化和组态数据。 IO 数据的循环传输在 “IO 通信关系”上实现；非循环事件在“报警通信关系” （alarm CR）上发送给 IO 控制器， 并且给予应答。PROFINET 报警类型有：upplug（拔） ，plug in（插） ， diagnostics（诊断） ， status（状况） ，update interrupt（更新中断） 。还可以有制造商

19、特定的中断。可给中断赋予高 /低优先权。 图图图图 5 PROFINET 的功能范围的功能范围的功能范围的功能范围 2.2 设备模型设备模型设备模型设备模型 对于 PROFINET IO 设备规定了统一的设备模型，这就使得模块化及紧凑型现场设备的 组态成为可能。这是以 PROFIBUS DP 的特点为目标的，对于模块化现场设备而言，它由模 块插入的槽组成。这些模块备有用于过程信号的输入和输出的 IO 通道。 图图图图 6 PROFINET IO 设备模型类似于设备模型类似于设备模型类似于设备模型类似于 PROFIBUS DP 设备模型设备模型设备模型设备模型 这样的模块化设计确保了现有的 PR

20、OFIBUS DP 范围的 IO 模块无需作任何修改也能融 以太网以太网以太网以太网 IO控制器控制器控制器控制器 ! 组态组态组态组态 ! 用户数据用户数据用户数据用户数据 !中断中断中断中断 ! 诊断上装诊断上装诊断上装诊断上装/下载下载下载下载 !诊断诊断诊断诊断 ! 状况状况状况状况/控制控制控制控制 !参数分配参数分配参数分配参数分配 过程信号的读取和写入 应用程序可通过PLC过程 映象访问过程信号 现场设备现场设备现场设备现场设备 IO设备设备设备设备 投运装备诊断 PG/PC IO 监视器监视器监视器监视器 槽槽槽槽 a槽槽槽槽 b槽槽槽槽 c 通道 0 通道 1 通道 2 通道

21、 x 通道 0 通道 1 通道 2 通道 x 通道 x IO模块IO模块IO模块接口模块 IO 地址 n IO 地址 n+1 IO 地址 n+2 IO 地址 n+3 9 入到 PROFINET 系统。这也就确保了设备制造商和操作员/业主的投资（例如：剩余的零部 件库存） 。 每个 IO 设备都被指定一个 PROFINET IO 框架内的唯一的设备 ID。 这种 32 位设备标识 号（Device-Ident-Number）分成 16 位制造商标识符（Manufacturer ID）和 16 位设备标识符 （Device ID） 。 制造商标识符由 PI 分配。设备标识符可分别由制造商指定，以适

22、合他们自己的产品发 展。 2.3 设备描述设备描述设备描述设备描述 可采用与 PROFIBUS DP 设备相同的方式（即通过设备描述）用组态工具来集成 PROFINET IO 设备。IO 设备的特点在 GSD(General Station Description),中描述，GSD 包 含现场设备所需要的下列所有信息： IO 设备的特性（例如：通信参数） ， 插入模块（数量及类型） ； 各个模块的组态数据（例如：模拟输入模块） ； 模块的参数（例如：4mA） ； 用于诊断的出错文本（例如：电缆断开，短路） 。 GSD 文件是 XML 格式的文本。事实上，XML 是一种开放的、被普遍应用和接受的

23、描 述数据的标准格式，它可提供强大的工具，并能导出一些特性： 通过标准工具的实现的创建和确认； 集成各国语言； 分层结构。 GSD 的结构符合 ISO 15745，它由包含模块的组态数据和参数的设备特定的部分和包含 传输速度和连接系统的通信特定的部分组成。 2.4 组态和数据交换组态和数据交换组态和数据交换组态和数据交换 IO 设备的描述文件被输入到组态工具。现场设备的各个 IO 通道都被赋予外围设备地 址。外围设备输入地址包含所接收的过程值。应用程序评估这些值，并对它们进行处理。应 用程序创建外围设备输出值，并将它们发送给过程。此外，各个 IO 模块或通道的参数化是 在组态工具中实现的，例如

24、：模拟通道的电流范围 4mA。 组态完成时， 将组态数据下载到 IO 控制器。 IO 设备自动地由 IO 控制器参数化和组态， 然后进入循环数据交换。 图图图图 7 从组态到数据交换从组态到数据交换从组态到数据交换从组态到数据交换 现场设备 1 2 3 GSD 输入到工程设计工具中 网络和设备组态，下载到控制器 IO-控制器与 IO-设备之间的自动数据交换 2 3 控制器 用工程设计组用工程设计组用工程设计组用工程设计组态态态态 以太网以太网以太网以太网 1 GSD 10 2.5 诊断诊断诊断诊断 PROFINET IO 支持多级诊断方案，这就能更高效地查找和排除故障。 当出现差错时，有故障的

25、 IO 设备在 IO 控制器内生成一个诊断报警。此报警调用 PLC 程序中相应的子程序， 由此可对故障作出反应。 如果设备或模块故障说明必须对其进行彻底 更换，则 IO 控制器自动地执行新设备或模块的参数化和组态。 诊断信息是分层构造的： 槽号（模块） 通道号 通道类型（输入/输出） 故障的原因编码（例如：电缆断开，短路） 附加的制造商特定的信息 当通道上出现出错时，有故障的 IO 设备就在 IO 控制器生成一个诊断报警。此报警控制 启用程序中相应的出错子程序的调用。一旦实现出错子程序，IO 控制器就应答此 IO 设备中 的出错。这种应答机制确保了 IO 控制器中对出错的有序处理。 3 3 3

26、 3、 分布式自动化分布式自动化分布式自动化分布式自动化 自动化领域的发展已到达创建模块化装备或机器的阶段。这种构造推动自动化进一步发 展成为分布式自动化系统。 PROFINET 也具有用于此目的的解决方案， 它将设备分成若干个 工艺技术模块。 图图图图 8 PROFINET 基于多制造商的工程设计概念基于多制造商的工程设计概念基于多制造商的工程设计概念基于多制造商的工程设计概念 3.1 3.1 3.1 3.1 工艺技术模块工艺技术模块工艺技术模块工艺技术模块 在产品的制造过程中，自动化装备或机器的功能是通过所定义的机械、电气/电子和控 制逻辑/软件的相互作用来实现的。基于此原理，PROFIN

27、ET 依据功能定义了机械、电气/ 电子和控制逻辑/软件部分，从而形成了一种工艺技术模块（见图 2） 。 3.2 3.2 3.2 3.2 PROFINET 组件组件组件组件 在装备工程设计中工艺技术模块的代表被称为 PROFINET 组件。每个 PROFINET 组件 都有一个接口，它包含与其它组件交换的工艺技术变量。 PROFINET 组件采用标准的 COM 技术来建模。COM 是面向对象概念的进一步发展， 它允许基于预制组件的应用的开发。 组件的特点是， 它们形成自治的单元并能建立与其它组 独立于制造商 制造商专用 编 程 参 数 化 制造商专用 制造商专用 编 程 编 程 组 态组 态 组

28、 态 参 数 化 参 数 化 PROFInet 连接编辑器 制造商 A 制造商 C 制造商 B 11 件的关系。 组件可以象搭积木那样灵活地组合，而且易于重复使用，无需考虑它们的内部实现。 在 PROFINET 中统一地定义了访问组件接口的机制。 工艺技术模块的大小工艺技术模块的大小工艺技术模块的大小工艺技术模块的大小（Granularity） 在规定模块的大小大小大小大小时，重要的是从低成本和可用性方面来综合考虑在各种系统中它们 的可重复使用性。 其目的是尽可能灵活地采用模块化原理来组合各个组件来创建一个完整的 系统。 一方面， 若过程分得太细， 设备的工艺技术视图就太复杂， 由此增加了工程

29、设计成本； 另一方面，若划分得太粗糙又会减少可重复利用率，从而加大实现的成本。 软件组件由机器或装备的制造商创建。组件设计对于降低工程设计和硬件的成本以及 对自动化系统的时间有关的特性有着重要影响。 在组件定义期间， 组件的大小可从单台设备 伸展到具有多台设备的成套装置。 3.3 PROFINET 工程设计工程设计工程设计工程设计 所创建的独立于制造商的工程设计方案用于 PROFINET 系统的用户友好的组态。一方 面，可使用工程设计方案来开发可用于多制造商组件的组态工具；另一方面，它允许制造商 专用的或用户专用的功能扩展。 工程设计模型分为：编程各个工艺技术模块的控制逻辑以及整个系统的工艺技

30、术组态。 系统范围的应用分 3 个阶段创建。 创建组件创建组件创建组件创建组件 组件由机器或装备的制造商创建为工艺技术模块的映象。 与以前一样， 设备的编程和组 态由各制造商专用的工具来实现。这样，就可继续使用现有的用户程序，编程和维护人员可 继续发挥他们已有的技能。 图图图图 9 PROFINET 标准化的组件生成标准化的组件生成标准化的组件生成标准化的组件生成 最后，以PROFINET组件的形式封装用户软件，由此创建了组件描述PCD(PROFInet Component Description)，并将这些组件描述输入到连接编辑器的库内。 互连组件互连组件互连组件互连组件 使用 PROFIN

31、ET连接编辑器，只需点击鼠标就可以将已创建的 PROFINET 组件从库内 取出，并将它们互连以构成一个应用。 这种使用简单的图形组态的互连代替了以前费时的通信关系的编程。 编程需要设备内通 信功能的集成及顺序的详细知识。编程时，必须对以下情况了如指掌：哪些设备能够彼此通 信，何时发生通信，以及通信在哪个总线系统上发生。但是，在这种组态期间不必了解通信 功能，因为这些工作是在设备中自动进行的。 制造商专用的制造商专用的制造商专用的制造商专用的 编程和组态工具编程和组态工具编程和组态工具编程和组态工具 制造商制造商制造商制造商 A 制造商制造商制造商制造商 B 制造商制造商制造商制造商 C 部件

32、编 辑器接口 部件编 辑器接口 部件编 辑器接口 PROFInet 连接编辑器 XML 文件 12 图图图图 10 组态后互连通信下载现场设备组态后互连通信下载现场设备组态后互连通信下载现场设备组态后互连通信下载现场设备 互连编辑器将贯穿整个系统的各个分布式应用进行互连。 它独立于任何制造商工作， 换 句话说，它可组态任何品牌的 PROFINET 组件。 下载下载下载下载 这些组件互连后，点击鼠标就可将连接信息、代码以及这些组件的组态数据下载到 PROFINET 设备。因此，每台设备都熟悉其所有的通信伙伴、通信关系和可交换的信息。从 而可执行该分布式应用。 图图图图 11：使用连接编辑器来组态

33、通信使用连接编辑器来组态通信使用连接编辑器来组态通信使用连接编辑器来组态通信 3.4 组件描述组件描述组件描述组件描述(PCD) PROFINET 组件描述（PCD）是 XML 文件。它是采用制造商特定的工具创建的，假定 这些工具具有组件生成器。另一个方法是，采用多制造商“PROFINET 组件编辑器”来创建 PCD 文件，该编辑器可从 PROFIBUS 网站（）下载。 PCD 文件包含 PROFINET 组件的功能和对象的信息。这些信息包括： 作为库元素的组件描述：组件标识符，组件名称 硬件描述：IP 地址，对诊断数据的访问，互连（信息）的下载 软件功能描述：软件对于硬件的分配，组件接口，变

34、量的特性，例如：它们的工艺 技术名称、数据类型，和方向（输入或输出） 组件项目的缓存器 构成组件库以支持可重复使用性。 3.5 互连编辑器互连编辑器互连编辑器互连编辑器 互连编辑器通常提供两种视图：系统视图和网络视图。 在系统视图中，从库中输入必要的组件并把它们放到屏幕上，并建立各种连接。这样 就在系统内创建了工艺技术结构及其逻辑关系。 在网络视图 中创建自动化系统的拓扑 结构。 在此情况下， 现场设备和可编程控制器被 分配给一个总线系统，设备地址是固定的，它们符合其下面的该总线系统的规则。 装装装装 载载载载 互互互互 连连连连 信信信信 息息息息 13 图图图图 12 在互连编辑器中系统视

35、图在互连编辑器中系统视图在互连编辑器中系统视图在互连编辑器中系统视图 图图图图 13 在互连编辑器中的网络视图在互连编辑器中的网络视图在互连编辑器中的网络视图在互连编辑器中的网络视图 显示互连的组件显示互连的组件显示互连的组件显示互连的组件 显示接入的现场设备显示接入的现场设备显示接入的现场设备显示接入的现场设备 3.6 PROFINET 运行期运行期运行期运行期 PROFINET 运行期模型定义了一些功能和实用程序， 它们需要协调自动化组件以完成自 动化任务。它建立并监控由工程设计工具所组态的 PROFINET 组件之间的互连。它建立提 供者消费者模型，在此模型中提供者生产并发送数据，消费者

36、接收并处理这些数据。 4 4 4 4、 PROFINET 通信通信通信通信 在 PROFINET 中基于以太网的通信是可以缩放的。它具有 3 种性能等级： 1 用于非苛求时间数据的 TCP/UDP 和 IP，例如：参数赋值和组态； 2 用于苛求时间过程数据的软实时（SRT） ，它用于工厂自动化领域， 3 用于时间要求特别严格的等时同步实时（IRT） ，例如：运动控制应用 这 3 种性能等级的 PROFINET 通信覆盖了自动化应用的全部范围。 PROFINET 通信标准 的关键特性包括以下方面： 在一根线上同时使用实时通信和基于 TCP 的 IT 通信； 标准化的实时协议适用于所有应用、 分布

37、式系统中组件之间的通信以及控制器与分散 式现场设备之间的通信； 从一般性能到高性能和时间同步的可缩放的实时通信。 图图图图 14 PROFINET 基于以太网的通信是可以缩放的基于以太网的通信是可以缩放的基于以太网的通信是可以缩放的基于以太网的通信是可以缩放的 可缩放的、标准化的通信基础的特点是 PROFINET 的关键优势之一。它们确保了直至企 业管理层的一致性和自动化过程中的快速响应时间。 控制器和 HMI 工厂自动化 运动控制 100ms 10ms 1ms TCP/IP SRT IRT 实时实时实时实时 14 4.14.14.14.1 使用使用使用使用 TCP/UDPTCP/UDPTCP

38、/UDPTCP/UDP 的标准通信的标准通信的标准通信的标准通信 PROFINET 使用以太网和 TCP/UDP/IP 协议作为通信基础。就 TCP/UDP/IP 而论， TCP/UDP/IP 是 IT 领域在通信协议方面的事实上的标准。但是，对于不同应用的互操作性， 它还不足以在现场设备上建立一个基于 TCP/UDP 的公共通信通道（层 4） 。事实是， TCP/UDP/IP 只提供了使以太网设备能够通过本地和分布式网络的透明通道中进行数据交换 的基础。 因此， 在较高层上则需要其它的规范和协议 （亦称为应用层协议） ， 而不是 TCP/UDP。 那么，只有对于所有设备都使用相同的应用层协议

39、时，才能保证互操作性。典型的应用层协 议有：例如 SMTP（用于电子邮件） ，FTP（用于文件传输）和 HTTP（用于互联网） 。 4.2 实时通信实时通信实时通信实时通信 在工厂自动化领域，实时应用需要刷新/响应时间范围在 510ms 内。刷新时间系指以 下过程所经历的时间： 在一台设备应用程序中创建一个变量， 然后通过通信系统将该变量发 送给一个伙伴设备，其后可在此伙伴设备中再次获得该变量。 为了确保优先连续处理应用程序， 应尽量使设备处理器用于实现实时通信的负载减少到 最小。 经验指出，与设备中的处理时间相比，快速（100Mbps）或更高速率的以太网线路上的 传输时间是可以忽略不计的。

40、在提供者的应用中可提供数据的时间是不受通信影响的。 这也 适用于消费者中所接收的数据的处理。 这就是说， 在刷新时间以及实时响应中任何重大的改 进主要可通过提供者和消费者通信栈的优化来达成。 图图图图 15 PROFINET 中的通信通道中的通信通道中的通信通道中的通信通道 软实时软实时软实时软实时（SRT） 为了能满足自动化中的实时要求，PROFINET 有一个优化的实时通道 软件实时 （SRT）通道。 此通道基于以太网（层 2） 。此解决方案显著地减少了通信栈所占用的运行时间，从而 提高了过程数据刷新速率方面的性能。一方面，若干个协议层的去除减少了报文长度；另一 方面，在需要传输的数据准备

41、就绪发送（即：应用准备就绪处理）之前，只需较少的时间。 同时，可大量地减少设备用于通信所需的处理器能力。 以太网以太网以太网以太网 在 IEEE802.3 中对以太网进行了标准化。这些规范涵盖了如：传统以太网（10Mbps） 、快速以太 网（100Mbps）以及千兆位以太网（1Gbps）的存取技术、传输方法和传输介质。PROFINET 使用快 速以太网。 100Mbps 快速以太网是与 10 Mbps 以太网兼容的扩展。在快速以太网中已集成全双工模式切换 技术，并已进行了标准化。 实 时 实 时 实 时 实 时 实时通道实时通道实时通道实时通道 标准通道标准通道标准通道标准通道 PROFINE

42、T 应用应用应用应用 IT 应用， 例如： HTTP SNMP DHCP SRT TCP/UDP IP 以太网以太网以太网以太网 15 通过优先级优化数据传输通过优先级优化数据传输通过优先级优化数据传输通过优先级优化数据传输 在 PROFINET 中，不仅最小化了可编程控制器中的通信栈，而且也对网络中数据的传 输进行了优化。为了能在这些情况下达到一种最佳结果，在 PROFINET 中按照 IEEE 802.1Q 将这些数据包区分优先级。 设备之间的数据流则由网络组件依据此优先级进行处理。 优先级 6（Priority 6）是用于实时数据的标准优先级。由此也就确保了对其它应用的优先级处理， 例如

43、：优先级 5 是互联网电话。 等时同步实时等时同步实时等时同步实时等时同步实时（IRT） 然而， 上述解决方案对于运动控制应用还远远不够。 运动控制应用要求刷新速率在 1ms， 100 节点的连续循环的抖动精度为 1m。为了满足这些需求，PROFINET 在快速以太网的层 2 协议上已定义了时间间隔控制的传输方法 IRT。 图图图图 16 IRT 通信系统的时间表通信系统的时间表通信系统的时间表通信系统的时间表 通过具备上述精度的参与设备（网络组件和 PROFINET 设备）的时间同步化，可在网 络中规定时间槽， 在此时间间隔内传输自动化任务所必需的关键数据。 通信循环被分成两个 部分，即：时

44、间确定性部分和开放性部分。循环的实时报文在时间确定性通道中传输，而 TCP/IP 报文则在开放性通道中传输。这种处理方法可与高速公路媲美，最左边的车道总是 为时间要求最紧迫的车辆（实时通信）而保留的，由此防止其它车道上的用户（TCP/IP 通 信） 占用此车道。 甚至在右边车道交通拥塞的情况下也绝不能影响时间要求紧迫 （苛求时间） 的车辆的交通（通信） 。 TCP TCP（）保证将数据以正确的顺序完整并准确无误地从发送方传输给接收方。TCP 是面 向连接的，也就是说，传输数据块之前就在两个站之间建立连接，然后在传输之后再关闭此 连接。TCP 对已建立的连接有连续监视的机制。 UDP UDP（）

45、保证将数据以正确的顺序完整并准确无误地从发送方传输给接收方。但是，与 TCP 相反，UDP 是无连接的，也就是说，对待每个数据包作为单个报文看待，而且没有传输 应答。由于没有超时监控，也没有连接建立/清除，因此，UDP 比 TCP 更适合于苛求时间的应 用。对于 UDP 而言，数据打包和通信监控（对于 TCP，这是隐式的）可在应用层完成，例如： 通过 RPC（远程程序调用） 。 IP 采用 IP（互联网协议）的传输表现为 IP 源与 IP 目的之间的一种 “不可靠”的信息包传 输（数据报） 。由于传输通道上的干扰，或网络的过载，数据报可能被多次传送，或者所送达 的与它们原来发送的顺序不同。但却

46、认为，所送达的数据报是正确的。由于采用用以太网信 息包 32 位校验和的方法进行检查，因此它与检查信息包中的出错完全不同。 IRT 通道 开放通道 IRT 通道 开放通道 周期 1 周期 2周期 n 同步化 IRT 数据 时间确定性通信 开 放 通 信 例如：1ms 位置控制周期 TCP/IP 数据 16 等时同步数据传输的实现基于硬件。 具备此功能的 ASIC 包括用于实时数据的循环同步 和时间间隔保留功能。 基于硬件的实现能够获得所要求的异常重要的顺序精度要求， 同时也 解放了承担 PROFINET 设备通信任务的处理器。这就免除了烦琐的计算，从而可为自动化 任务提供解决方案。 4.3 P

47、ROFINET IO 的通信的通信的通信的通信 对于 PROFINET IO，在建立时采用基于 UDP/IP 的 RPC 来初启设备之间的数据交换、 分散式现场设备的参数赋值和诊断。由于开放的、标准化的 RPC 协议，HMI 站和工程系统 （IO 监视器）也可访问 PROFINET IO 设备。由此，PROFINET 运行期通道用于 IO 和报警 的传输。 在典型的 IO 组态中，IO 控制器通过通信关系与若干台分散式现场设备（IO 设备）交 换循环 IO。在每个扫描周期中，将输入数据从指定的现场设备发送给 IO 控制器，对此的反 应是，输出数据被回送给相应的现场设备。通信关系通过监视所接收的循环报文来监控。例 如：如果输入帧不能在 3 个周期内到达，那么，IO 控制器就检测出相应的 IO 设备已发生故 障。 PROFINET 的数据传输层在 IEEE 802.3 中定义，它描述协议和故障监控的组态。用户 数据报文最少有 64 字节，最大有 1500