總線專題：第六講 PROFINET（上）

在國際電工委員會IEC國際標(biāo)準(zhǔn)中我們可以在IEC61158（第三版）看到其中總線類型10為PROFINET，而在其后發(fā)表的IEC61784-2中又看到有PROFINET（CPF3），那么這兩個PROFINET究竟有沒有區(qū)別呢？答案是有所區(qū)別的。因此我們首先要了解兩種標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容是什么？

IEC61158的名稱是“測量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信--工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線”。其中有10種類型，包括了FF,Control Net,PROFIBUS,P-Net World FIP,INTERBUS和PROFINET等。這是目前正式通過的國際標(biāo)準(zhǔn)。

IEC61784的名稱是“與工業(yè)控制系統(tǒng)中使用的現(xiàn)場總線有關(guān)的用于連續(xù)和離散制造的行規(guī)集”，他描述IEC61158（和其他標(biāo)準(zhǔn)）中規(guī)定的“服務(wù)”集的子集，該子集用于特定的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的通信或基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的通信。用這種方法定義的特定的“通信行規(guī)”被組合在“通信行規(guī)簇”CPF（Commanication Profile Family）中。

目前在IEC61158中的PROFINET，其實際內(nèi)容為基于組件自動化用的PROFINET CBA（Component Based Automation）；而在61784-2中的PROFINET，其實際內(nèi)容為用于集成分布式I/O（輸入/輸出）的PROFINET IO。其功能分布如圖1所示。圖中CBA分別由基于非實時（NRT）通信的組件和基于實時（RT）通信的組件兩大部分組成；而PROFINET IO則由實時通信和等時同步實時IRT（Isochronous Real Time）組成。

目前PROFINET IO還在不斷開發(fā)完善之中，到2007年IEC61784-2中的所有CPF經(jīng)過投票表決，其中表決通過的CRF，將正式進入到IEC61158成為正式標(biāo)準(zhǔn)。

1.將以太網(wǎng)用于實時控制領(lǐng)域的原理

（1）要將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于實時控制領(lǐng)域，確實存在著“先天不足”的問題。

以太網(wǎng)所采用的介質(zhì)訪問控制方法即CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的方法，是一種非實時性也是一種在時間上沒有確定性的通信方式。其基本工作原理是：某節(jié)點要發(fā)送報文時，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)；如果二個或更多的節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時發(fā)送報文時，將發(fā)生碰撞，同時節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機長度的時間后重新發(fā)送；16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點微處理器回報失敗信息。

在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時，以太網(wǎng)上存在的這種碰撞成了主要問題，因此極大地影響了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時，使他的實際性能下降。由于在一系列碰撞后，報文可能會丟失，因此節(jié)點與節(jié)點之間的通信將無法得到保障，以太網(wǎng)的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問機制導(dǎo)致了通信的非實時性和響應(yīng)的不確定性。

而對于工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)要求來講，卻需要通信的實時性和時間上的確定性（time-deterministic）；而且在運動控制（motion control）方面來講，則要求更高，要求能達到等時同步實時（IRT）。

所謂實時（Raal Time）性，是指在一個非常短的時間內(nèi)，通過信息傳遞能完成所要求的各種功能。如當(dāng)生產(chǎn)過程中某處溫度升高時，溫度傳感器將信號立即傳送給控制器經(jīng)過一定的算法將控制信號傳送給執(zhí)行器，通過調(diào)節(jié)所供應(yīng)的能源，使溫度恢復(fù)到其正常值。否則就會引起參數(shù)振蕩，甚至?xí)Э亍?/p>

所謂時間上的確定性是指在確定的時間內(nèi)完成所規(guī)定的任務(wù)。如生產(chǎn)過程中的報警信號，必須在確定的時間內(nèi)，將信號送到規(guī)定的地點，否則將會導(dǎo)致事故的發(fā)生，甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的事件。

等時同步實時（IRT）是運動控制所必需的，因為運動控制速度極快，除了實時性上的要求外，還要求運動控制的各軸，在時間上同步動作。例如在快速彩色印刷機上，如果各軸在時間上不同步，會使各種顏色串色而影響彩印質(zhì)量。

（2）為什么還要求將以太網(wǎng)用于實時控制呢？

既然以太網(wǎng)用于實時控制存在著“先天不足”的缺陷，那么為什么還要用呢？豈不是“趕鴨子上架”，甚至“削足就屨”呢？

事實上以太網(wǎng)雖然有對實時控制有不足之處，但在IT應(yīng)用方面確具有不少優(yōu)點。

以太網(wǎng)的優(yōu)勢在于：

1）技術(shù)上成熟，軟硬件資源豐富，應(yīng)用廣泛。

2）產(chǎn)品的種類齊全。市場上容易購得。

3）通信速率高。目前已有100～1000M，而且發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

4）價格便宜。由于從事的開發(fā)商多，產(chǎn)量大，價格自然下降。

5）在企業(yè)網(wǎng)中（intranet），如果現(xiàn)場層能采用以太網(wǎng)，那么與企業(yè)內(nèi)部的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）和ERP（企業(yè)資源管理）層，就容易實現(xiàn)無縫的集成（因為大家都是以太網(wǎng)）。

由于以太網(wǎng)有上述的優(yōu)勢，因此不少廠商正在不遺余力地開發(fā)基于實時的工業(yè)以太網(wǎng)，目前列入IEC61784-2中的CPF已經(jīng)有16種之多。

（3）要使以太網(wǎng)具有實時性和時間上的確定性，需要采取哪些措施呢？

1）提高通信速率。在相同通信量的條件下，提高通信速率可以減少通信信號占用傳輸介質(zhì)的時間，從這一角度出發(fā)，就為減少信號的碰撞沖突，解決以太網(wǎng)通信的非確定性提供了途徑。以太網(wǎng)的通信速率已一再提高，從10Mbps,100Mbps到1000Mbps的成功應(yīng)用，相對于控制網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的通信速率的幾十kpbs到5Mbps而言，提高通信速率的效果是明顯的，對減少碰撞沖突也是有效的。一般在控制領(lǐng)域中采用的是100M。

2）降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

我們知道，令牌總線控制方式在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的較多，其特點是，網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點對總線的控制權(quán)是由令牌（token passing）來控制的。收到令牌的節(jié)點在一段規(guī)定的時間內(nèi)擁有網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的控制訪問權(quán)，并向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一幀或多幀信息，當(dāng)該節(jié)點的傳輸已經(jīng)完成或占用網(wǎng)絡(luò)的規(guī)定時間已經(jīng)到時，他就將令牌傳遞到下一節(jié)點。因此，傳輸過程就是由交替進行的數(shù)據(jù)傳輸階段和令牌傳送階段所組成。由于令牌的傳遞時間，擁有令牌的節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的時間是預(yù)先規(guī)定好的，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量一定的情況下，每個網(wǎng)給節(jié)點的信息發(fā)送的時間是可以預(yù)先估計出來的，因此，令牌又稱為“確定性”網(wǎng)路。顯然，這種確定性比較適合通信確定性和響應(yīng)實時性要求較高的工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。其中Arcnet網(wǎng)絡(luò)就是比較著名的令牌總線之一。