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)絡安全等當前自動化領域的熱點話題，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。因此，PROFINET技術的出現(xiàn)將為工業(yè)自動化領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)絡連接在一起。
需求的轉變
過去的十幾年間，在工廠自動化和過程自動化領域中，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備之間以及智能設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，隨著計算機技術的發(fā)展，企業(yè)希望能夠將底層的生產信息整合到統(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)場的生產數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)通信網(wǎng)絡實現(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、與辦公自動化技術兼容的通信方案，這樣可以大大簡化工廠控制系統(tǒng)的結構，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、集成的通信以及強大的服務和診斷功能。從目前工業(yè)自動化控制領域的情況來看，以太網(wǎng)技術取代現(xiàn)場總線是工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。
面對實時通信的挑戰(zhàn)
不過，將以太網(wǎng)技術應用于工廠的生產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、拓撲結構、可靠性等要求，必須對普通的辦公室以太網(wǎng)做出調整和補充，以保證以太網(wǎng)技術在工業(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)絡領域中，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)絡帶來的便利和收益。盡管如此，工業(yè)以太網(wǎng)技術在向最底層的現(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)絡和控制級的工業(yè)以太網(wǎng)不同，在現(xiàn)場級網(wǎng)絡中傳輸?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)技術在現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡中難以和現(xiàn)場總線技術抗衡的重要原因。
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，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP 是IT 領域關于通信協(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)絡節(jié)點也包含在網(wǎng)絡的同步過程之中，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發(fā)該信息為止。這種基于地址的信息轉發(fā)機制會對數(shù)據(jù)的傳送時間產生不利的影響。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 ，為了保證高質量的等時通信，所有的網(wǎng)絡節(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被傳輸，網(wǎng)絡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技術對以太網(wǎng)技術的兼容?；谄胀ㄒ蕴W(wǎng)技術的各種網(wǎng)絡服務功能，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)絡的同時，還可以享受以太網(wǎng)技術和IT技術帶來的便利。
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構建的實時通信網(wǎng)絡可以在1ms的時間周期內實現(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、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，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域。總之，PROFINET是基于以太網(wǎng)的完整解決方案。PROFIBUS國際組織主席Edgar Kuster先生認為這一技術將在市場上保持至少15年的技術領先優(yōu)勢。
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