實時通信在工業(yè)以太網(wǎng)進入現(xiàn)場級通信的中的應用
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圖1 PROFINET解決方案提供基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)自動化通信標準
PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)自動化通信標準。PROFINET解決方案囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當前自動化領(lǐng)域的熱點話題，并且完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術(shù)。因此，PROFINET技術(shù)的出現(xiàn)將為工業(yè)自動化領(lǐng)域提供一種全新的通信解決方案，即整個工廠全部使用一個網(wǎng)絡(luò)連接在一起。
需求的轉(zhuǎn)變
過去的十幾年間，在工廠自動化和過程自動化領(lǐng)域中，現(xiàn)場總線是現(xiàn)場級通信系統(tǒng)中的主流解決方案。不過，隨著技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線越來越多地表現(xiàn)出了其本身的局限性。一方面，隨著現(xiàn)場設(shè)備智能程度的不斷提高，控制變得越來越分散，分布在工廠各處的智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備和工廠控制層之間需要連續(xù)地交換控制數(shù)據(jù)，這使得現(xiàn)場設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換量飛速增長；另一方面，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)希望能夠?qū)⒌讓拥纳a(chǎn)信息整合到統(tǒng)一的全廠信息管理系統(tǒng)中，于是，企業(yè)的信息管理系統(tǒng)需要讀取現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程服務和維護，因此，縱向一致性也成為熱門的話題，用戶希望管理層和現(xiàn)場級能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動化技術(shù)兼容的通信方案，這樣可以大大簡化工廠控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約系統(tǒng)實施和維護的成本。
圖2 PROFINET適用于工廠的各種實時要求
基于這樣的需求，以太網(wǎng)技術(shù)開始逐漸從工廠和企業(yè)的信息管理層向底層滲透，以太網(wǎng)技術(shù)開始廣泛地應用于工廠的控制級通信。在自動化世界中使用以太網(wǎng)解決方案有幾方面顯著的優(yōu)勢：統(tǒng)一的架構(gòu)、集成的通信以及強大的服務和診斷功能。從目前工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的情況來看，以太網(wǎng)技術(shù)取代現(xiàn)場總線是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。
面對實時通信的挑戰(zhàn)
不過，將以太網(wǎng)技術(shù)應用于工廠的生產(chǎn)控制過程中并不是一個簡單的移植過程。在將以太網(wǎng)技術(shù)引入到控制級通信的過程中，為了滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的特殊需求，如現(xiàn)場環(huán)境、拓撲結(jié)構(gòu)、可靠性等要求，必須對普通的辦公室以太網(wǎng)做出調(diào)整和補充，以保證以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應用的可靠性，即我們常說的工業(yè)以太網(wǎng)。目前，在控制級通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)解決方案已經(jīng)得到了廣泛的認可和接受，企業(yè)和工廠也充分享受到了高性能通信網(wǎng)絡(luò)帶來的便利和收益。盡管如此，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在向最底層的現(xiàn)場級控制系統(tǒng)滲透時遇到了難以克服的障礙——通信的實時性和確定性。
與普通的辦公室網(wǎng)絡(luò)和控制級的工業(yè)以太網(wǎng)不同，在現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)耐际枪I(yè)現(xiàn)場的I/O信號以及控制信號，從控制安全的角度來說，系統(tǒng)對這些來自于現(xiàn)場傳感器的I/O信號要能夠及時獲取，并及時做出響應，將控制信號及時準確地傳遞到相應的動作單元中，因此，現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)對通信的實時性和確定性有極高的要求。這也正是普通的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)中難以和現(xiàn)場總線技術(shù)抗衡的重要原因。
支持三種通信方式
在現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)中，傳輸時間是十分重要的衡量因素。為了保證通信的實時性，需要對信號的傳輸時間做精確的計算。當然，不同的現(xiàn)場應用對通信系統(tǒng)的實時性有不同的要求，在衡量系統(tǒng)實時性的時候，一般用響應時間作為系統(tǒng)實時性的標尺。
根據(jù)響應時間的不同，PROFINET支持下列三種通信方式：
1、TCP/IP標準通信
PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP 是IT 領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)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，這個響應時間已經(jīng)足夠了。
2、實時（RT）通信
對于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應時間的要求更為嚴格，因此，PROFINET提供了一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層（Layer 2）的實時通信通道，通過該實時通道可極大地減少數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時間。PROFINET實時通信的典型響應時間是5～10ms網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也包含在網(wǎng)絡(luò)的同步過程之中，即交換機。同步的交換機在PROFINET概念中占有十分重要的位置。在傳統(tǒng)的交換機中，要傳遞的信息必定在交換機中延遲一段時間，直到交換機翻譯出信息的目的地址并轉(zhuǎn)發(fā)該信息為止。這種基于地址的信息轉(zhuǎn)發(fā)機制會對數(shù)據(jù)的傳送時間產(chǎn)生不利的影響。為了解決這個問題，PROFINET在實時通道中使用一種優(yōu)化的機制來實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。
3、等時同步實時（IRT）通信
現(xiàn)場級通信對通信實時性要求最高的是運動控制，PROFINET的等時同步實時技術(shù)可以滿足運動控制的高速通信需求，在100個節(jié)點下，其響應時間要小于1ms，抖動誤差要小于1ms，以此來保證及時的、確定的響應。
保障同步實時
對于PROFINET ，為了保證高質(zhì)量的等時通信，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須很好地實現(xiàn)同步，這樣才能保證數(shù)據(jù)在精確相等的時間間隔內(nèi)被傳輸，網(wǎng)絡(luò)上的所有站點必須通過精確的時鐘同步以實現(xiàn)同步實時以太網(wǎng)。例如：通過規(guī)律的同步數(shù)據(jù)實現(xiàn)通信循環(huán)的同步，其精度可以達到微秒級。這個同步過程可以精確記錄其所控制的系統(tǒng)的所有時間參數(shù)，因此能夠在每個循環(huán)的開始實現(xiàn)非常精確的時間同步。這么高的同步水平單純靠軟件是無法實現(xiàn)的，想要獲得這么高精度的同步實時，必須依靠網(wǎng)絡(luò)第二層中硬件的支持，即西門子IRT等時實時ASIC芯片。
每個通信周期被分成兩個不同的部分，一個是循環(huán)的、確定的部分，被稱之為“實時通道”；另外一個是標準通道，標準的TCP/IP數(shù)據(jù)通過這個通道傳輸。
實時通道為實時數(shù)據(jù)預留了固定循環(huán)間隔的時間窗，而實時數(shù)據(jù)總是按固定的次序插入，因此，實時數(shù)據(jù)就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時間用來傳遞標準的TCP/IP數(shù)據(jù)。這樣，兩種不同類型的數(shù)據(jù)就可以同時在PROFINET上傳遞，而且不會互相干擾，實現(xiàn)了PROFINET技術(shù)對以太網(wǎng)技術(shù)的兼容?；谄胀ㄒ蕴W(wǎng)技術(shù)的各種網(wǎng)絡(luò)服務功能，如SNMP、HTML等，也同樣可以在PROFINET上運行。用戶在獲得高性能實時網(wǎng)絡(luò)的同時，還可以享受以太網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)帶來的便利。
圖3 循環(huán)周期分為實時通道和開放通道
由于實時數(shù)據(jù)在確定的時刻以確定的順序發(fā)送，因此，在交換機中建立一個時間表格，通過該時間表格，交換機就可以知道在什么時間來傳送實時信息，信息的轉(zhuǎn)發(fā)幾乎沒有延時。如果有發(fā)生沖突的危險，標準的TCP/IP信息就暫時保存在交換機中，在下一個開放通信周期再發(fā)送。這種機制很好地保證了系統(tǒng)響應時間。例如：使用PROFINET構(gòu)建的實時通信網(wǎng)絡(luò)可以在1ms的時間周期內(nèi)實現(xiàn)對100多個軸的控制，其抖動誤差小于1ms，可以很好地滿足運動控制對通信實時性的要求。
開放的協(xié)議走向未來
作為國際標準IEC61158的重要組成部分，PROFINET是完全開放的協(xié)議，而且PROFINET和標準以太網(wǎng)完全兼容，集成IRT功能的交換機和一個普通交換機在平時工作起來是完全一樣的，也就是說，IRT交換機可以和普通交換機一樣使用，即使在使用實時通道時，它同樣可以在它的開放通道使用其他標準功能，所以，根據(jù)環(huán)境的需求，自動化組件之間可以通過相同網(wǎng)絡(luò)、相同的連接建立不同的通信鏈路，為用戶的使用提供了極大的方便。
PROFINET基于以太網(wǎng)，使用TCP/IP和IT標準，是實時的自動化通信技術(shù)，能夠與現(xiàn)有現(xiàn)場總線系統(tǒng)PROFIBUS等無縫地集成，能連接更多的站點，可用于運動控制應用中，使用工業(yè)局域網(wǎng)進行無線通信，且便于擴大規(guī)模和擴大新的應用領(lǐng)域?？傊琍ROFINET是基于以太網(wǎng)的完整解決方案。PROFIBUS國際組織主席Edgar Kuster先生認為這一技術(shù)將在市場上保持至少15年的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。
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