總線專題：第六講 PROFINET（上）

在國(guó)際電工委員會(huì)IEC國(guó)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(gè)PROFINET究竟有沒(méi)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(cè)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(chǎng)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(guò)的國(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)際內(nèi)容為基于組件自動(dòng)化用的PROFINET CBA（Component Based Automation）；而在61784-2中的PROFINET，其實(shí)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(shí)時(shí)（NRT）通信的組件和基于實(shí)時(shí)（RT）通信的組件兩大部分組成；而PROFINET IO則由實(shí)時(shí)通信和等時(shí)同步實(shí)時(shí)IRT（Isochronous Real Time）組成。

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

1.將以太網(wǎng)用于實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域的原理

（1）要將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，確實(shí)存在著“先天不足”的問(wèn)題。

以太網(wǎng)所采用的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法即CSMA/CD載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)沖突檢測(cè)（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的方法，是一種非實(shí)時(shí)性也是一種在時(shí)間上沒(méi)有確定性的通信方式。其基本工作原理是：某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(jiān)聽(tīng)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(shí)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)；如果二個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，將發(fā)生碰撞，同時(shí)節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)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(diǎn)微處理器回報(bào)失敗信息。

在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)，以太網(wǎng)上存在的這種碰撞成了主要問(wèn)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(shí)，使他的實(shí)際性能下降。由于在一系列碰撞后，報(bào)文可能會(huì)丟失，因此節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無(wú)法得到保障，以太網(wǎng)的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制導(dǎo)致了通信的非實(shí)時(shí)性和響應(yīng)的不確定性。

而對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)要求來(lái)講，卻需要通信的實(shí)時(shí)性和時(shí)間上的確定性（time-deterministic）；而且在運(yùn)動(dòng)控制（motion control）方面來(lái)講，則要求更高，要求能達(dá)到等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）。

所謂實(shí)時(shí)（Raal Time）性，是指在一個(gè)非常短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)信息傳遞能完成所要求的各種功能。如當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中某處溫度升高時(shí)，溫度傳感器將信號(hào)立即傳送給控制器經(jīng)過(guò)一定的算法將控制信號(hào)傳送給執(zhí)行器，通過(guò)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(huì)引起參數(shù)振蕩，甚至?xí)Э亍?/p>

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

等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）是運(yùn)動(dòng)控制所必需的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制速度極快，除了實(shí)時(shí)性上的要求外，還要求運(yùn)動(dòng)控制的各軸，在時(shí)間上同步動(dòng)作。例如在快速彩色印刷機(jī)上，如果各軸在時(shí)間上不同步，會(huì)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(shí)時(shí)控制呢？

既然以太網(wǎng)用于實(shí)時(shí)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(shí)上以太網(wǎng)雖然有對(duì)實(shí)時(shí)控制有不足之處，但在IT應(yīng)用方面確具有不少優(yōu)點(diǎn)。

以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)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(chǎng)上容易購(gòu)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(jià)格便宜。由于從事的開(kāi)發(fā)商多，產(chǎn)量大，價(jià)格自然下降。

5）在企業(yè)網(wǎng)中（intranet），如果現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫的集成（因?yàn)榇蠹叶际且蕴W(wǎng)）。

由于以太網(wǎng)有上述的優(yōu)勢(shì)，因此不少?gòu)S商正在不遺余力地開(kāi)發(fā)基于實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性和時(shí)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(hào)占用傳輸介質(zhì)的時(shí)間，從這一角度出發(fā)，就為減少信號(hào)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(duì)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(duì)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(diǎn)是，網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的控制權(quán)是由令牌（token passing）來(lái)控制的。收到令牌的節(jié)點(diǎn)在一段規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的控制訪問(wèn)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(diǎn)的傳輸已經(jīng)完成或占用網(wǎng)絡(luò)的規(guī)定時(shí)間已經(jīng)到時(shí)，他就將令牌傳遞到下一節(jié)點(diǎn)。因此，傳輸過(guò)程就是由交替進(jìn)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(shí)間，擁有令牌的節(jié)點(diǎn)占用網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的時(shí)間是預(yù)先規(guī)定好的，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量一定的情況下，每個(gè)網(wǎng)給節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送的時(shí)間是可以預(yù)先估計(jì)出來(lái)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(shí)時(shí)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。