关于PROFInet以太网现场总线的研究及应用

1、引言

　　代表全世界1200多家会员公司的PROFIBUS 国际组织推出了基于实时工业以太网的 PROFINET 自动化解决方案。该技术为当前的用户提供了一套完整高性能可伸缩的升级至工业以太网平台的解决方案。PROFINET是一项重大的并具有战略性的技术创新，它不仅能为PROFIBUS，而且能为其它现场总线网络系统提供以太网移植服务。

　　PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS由3个兼 容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。PROFIBUS规定一种串行现场总线系统的技术特性和功能，用这种系统可将现场中的分布式自动化设备在低和中等性能范围内（分别为传感器/执行器和单元层）相互连接成网络。PROFIBUS访问总线方法是符合欧洲标准EN 50 170标准规定的，即附属有主/从站轮询的令牌传递原理。

　　PROFIBUS现场总线技术在过程和制造工业的应用中，能节省大量线缆、槽架、连接件，减少了系统的设计、调试、维护时间，方便地实现了现场控制设备之间以及设备与控制管理层之间的联系，为控制信息进入公共数据网络创造了条件。与地点无关的控制、高速通信、灵活的拓扑结构、真正的可互操作性和开放性等高级功能的特征使其具有强大优势和广阔发展前景。因此，PROFInet包含了所有重要的方面，这些方面以开放的、一致的分散自动化为特点。由于显著地减少了用于机器及设备的组态和操作的时间和开销，因此这些系统具有许多重要的优点。

　　（1） 工业自动化的新前景

　　有效提高工厂生产力始终是永恒的目标。工厂希望投资使生产能够快速应对最新的市场需求，缩短新产品的上市时间，这就需要根据工厂范围内的连续信息流，用于战略决策： 从生产第一线，到工厂控制层，直到管理层。因此信息技术，特别是基于生产自动化的信息技术将成为推动生产效率、降低生产成本和企业创新的主要力量。

　　（2） 通过 PROFINET，实现创新的工业以太网标准

　　采用基于工业以太网的开放式、跨供应商标准的 PROFINET，即可从公司管理层直到现场层实现直接、透明的访问。PROFINET 基于现有成熟IT标准，并提供对TCP/IP 的全面支持。用户能够毫不费力地与现有系统进行扩展及便捷集成。

2、目标

　　在1999年，随着不同领域IT的融合，PROFIBUS国际组织抓住了这一契机，并开始寻求开放的PROFIBUS技术用于企业内生产和企业管理层的解决方案。

　　目标之一是寻找一种纵向扩展的结构，一方面这种结构允许现有的开放性能全面地良好地保存下来;另一方面，允许以广泛可用的传统的PROFIBUS技术为基础的系统各部分之间的无缝集成。对于PROFInet，由于它提供了与各种现场总线的开放的接口，其开放性已有了进一步的扩展。这就允许所有总线的解决方案容易地集成到PROFInet系统中。

　　进一步的目标是确保具有广泛的一致性，它使得各种层次的用户使用同样的机制进行通信和协同运行。这方面既包括自动化设备间的横向通信（自动化集成）也包括办公室、管理和现场层用户间的纵向通信（企业集成）。面向对象的部件模型提供了这一方案的基础。

　　PROFInet方案尤其注重基于统一数据模型的统一的、工厂范围的工程，并认为有必要通过图形、文本或基于脚本（script）的对象互连建立应用，因为这使处理工具既直观又容易。

　　PROFInet—办公室和自动化领域开放的、一致的连接

　　PROFInet方案覆盖了分散自动化系统的所有运行阶段。它包含下列主要方面：

　　·高度分散自动化系统的开放对象模型（结构模型）

　　·基于Ethernet的开放的、面向对象的运行期通信方案（功能单元间的通信关系）

　　·独立于制造商的工程设计方案（应用开发）

　　根据此方案，PROFIBUS国际组织现已开发了一种自动化解决方案，该方案不仅允许所有总线的供应商互相连接，而且也能与较高企业层的IT直接通信。

3、对象模型

　　PROFInet的结构方案基于微软定义的COM对象（Component Object Model 部件对象模型）。这就允许以成品部件为基础的应用开发。

　　部件以对象的形式建立，对象通过已定义的接口进行相互间的通信。一种COM接口具有指定数量的功能，在“接口定义语言”（IDL）中对这些功能作了描述。一个部件支持一个特定的接口（采用某些方法仔细定义的接口），这实际上就如人们所说的那样:以部件实现接口（这涉及已定义接口的实现和它的语义（服务））。就用户而言，COM部件只不过是一些接口的号码。通过调用一个接口的功能，客户可存取这类部件的服务。[page]

　　PROFInet辨别工程系统中的对象（ES对象）和运行期系统中的对象（RT对象）。在工程设计期间，ES对象代表RT对象。ES对象的示例、互连和参数化形成了一个特定工厂的自动化解决方案的模型。使用工程模型的评估，下装能触发运行期软件的生成。

　　PROFInet方案跟随这样一个基本思想:运行期系统中的每个RT对象恰恰与工程系统中的ES对象相对应，这有利于工程领域映象到运行期领域，反之亦然。以这种方式，ES对象间的关系可容易地映象到相应的RT对象间的关系。这些语句适用于设备（ES设备）和软件（ES自动化）的典型工程。

　　在这个方案中，ES对象和RT对象被认为是两个不同的对象。因为第一，组态发生在运行期领域（设备）尚不可用的期间;第二，对象的功能不同，因为只有RT对象才能产生实际的自动化功能。

4、运行期通信

　　运行期通信通过COM对象的接口以基于草拟的对象模型的对象协议的形式进行。

　　运行期模型代表一台设备上可用的实际对象，该设备通过OLE自动化可从外部访问这些对象的接口、方式和各个对象相互间的关系。它并不作任何关于接口实现的假设，因此在实现期间保持了最大限度的灵活性（只要对象的映象保留在设备的通信线上）。

　　运行期概念基于传统的Ethernet通信机制，如TCP/IP或UDP。后来对这种基本的机制用RPC和DCOM机制进行了加强。DCOM可视为用于基于RPC分布式应用的COM技术的扩展。作为一种选择，现可采用优化的实时通信机制用于实时时间苛求的应用领域。

　　在运行期期间，PROFInet部件以DCOM对象的形式映象，这样通过对象协议机制确保了DCOM对象的通信。自动化对象即COM对象作为PDU以DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。通过“DCOM布线协议”，DCOM定义了对象的标识和具有有关接口和参数的方法。这就可在通信总线上进行标准化的DCOM信息包的传输，通信总线是通过接口定义确定的。这些信息包在客户方生成并在服务器评估和解释。其特点在于:在服务器内不需要有COM对象。它满足了在总线上实现生成“对象幻影”（illusion of an object）的需要。

　　连接对象活动控制（ACCO）确保了已组态的互相连接的设备间通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事件控制的。ACCO也负责故障后的恢复。这包括:质量代码和时间标记的传输、连接伙伴的监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试/诊断。

5、工程方案

　　用户友好的PROFInet工程方案是唯一的、特定的方案，这是通过任何其它现场总线或新兴的Ethernet解决方案所不可实现的自动化解决方案。

　　有了PROFInet，在PROFInet设备上运行的自动化对象，在运行期可互相通信。在工程设计过程中定义了边界条件和通信连接。为此目的，已定义了工程对象模型，它为使用工程系统自动化对象（ESAutos）确定了技术框架条件。这种统一的基础模型可使不同制造商的工程系统自动化对象和不同制造商的工程开发工具相结合。

　　这种工程对象模型不仅使用不同制造商部件的组态开发工具，而且还认可制造商的规范或用面（facet）的方法进行的面向应用的功能扩展。设备本身依赖于制造商的编程（部件生成）和用较高层的工程工具进行的所安装设备范围内互连（应用组态）之间的清晰的分离可实现在一个工厂中集成不同制造商的产品。

6、具体应用

　　目前在国内，PROFInet的应用还处于初级阶段，只有少数的公司和单位采用PROFInet结构布局。现在，我们正尝试在国内某家核电装备工厂采用PROFInet方案集成系统。

　　系统的最上层是INTERNET，工厂内部网络可以通过接口与外部网络通讯联系;中间层是PROFInet，包括工厂对于车间设备的管理控制单元或软件;最下层则是基于PROFIBUS的现场总线单元，具体包括车间自动化生产线上的各个工段、控制器、执行元件、现场设备（如传感器、仪表）、自动化设备（如车床、铣床）等。我们可以通过PROFInet与现场总线的接口来监控车间各设备的运行，达到对管理层和现场层流程化、理性化集成的目的。

　　具体系统方案如下图所示：

　　我们已经对该系统集成方案做了初步分析和论证，理论证明该方案确实可行。

7、结束语

　　本文作者创新点：通过对PROFInet以太网现场总线的研究，将其应用范围由单纯的通信机制向集成工业自动化方面纵向扩展，并通过具体的实际方案分析，证明PROFInet作为一种与PROFIBUS相结合的以太网现场总线。能够从宏观和微观的角度来改善对自动化设备网络的管理和监控，规范工业流程和生产秩序，在工业自动化系统中发挥巨大的作用。

[参考文献]

　　[1]冉全，杨志方.以太网在工业控制领域的应用探讨.微计算机信息.2002,（18）.

　　[2]李立.以太网和现场总线在工业网络中的应用.微计算机信息2001,（17）.

　　[3]习博,方彦军.工业以太网中网络通信技术的研究.微计算机信息2005,（21）.

　　[3]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].清华大学出版社.2003.

　　[4]杨金奇，刘学军.工业以太网技术及其应用现状与发展.四川工业学院学报.2002,（4）.

　　[5]贾东耀，汪仁皇.工业控制网络结构的发展趋势.工业仪表与自动化装置.2002,（5）.