PROFInet与现场总线的集成应用
关键词：PROFInet; Profibus; 现场总线; 集成; 工业以太网
1. 引言
随着信息技术以及自动化领域的发展日新月异，当今自动化技术的发展日益受到信息技术（IT）以及已确立的标准（如TCP/IP等）的重大影响。在这种形势影响下，近年来现场总线技术也不断在飞速发展，并发生着重大的革新。表现为信息集成技术不仅可以使现场总线得到横向扩展，而且为企业内部自动化系统间的全局通信提供了纵向扩展的解决方案。在1999 年Profibus 国际组织抓住了这一契机,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。最终Profibus 国际组织开发出了一种自动化解决方案——PROFInet, 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。可以说ROFINET 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。
2. PROFInet简介
2.1 PROFInet概述
PROFInet是Process Field Net的缩写，它是Profibus客户、生产商与系统集成联盟协会推出的在Profibus与以太网间全开放的通信协议，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFInet为自动化通信领域提供了一个完整高性能并可升级的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如Profibus）技术，保护现有投资。PROFInet可以实现在各种不同场合的应用，完成各种不同需求的控制任务，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。总的来说可用一条等式简单而明了地描述PROFInet 方案：PROFInet = Profibus + 具有Profibus 和IT 标准Ethernet 的开放、一致的通信+独立于制造商的工程模型+通过开放对象模型的分散自动化。
根据响应时间的不同，PROFInet支持下列三种通讯方式：TCP/IP标准通讯、实时RT（Real-Time）通讯、 同步实时IRT（Isochronous Real-Time） ）通讯。这三种选择覆盖了从管理层到工厂成的自动化范围，是PROFInet的核心。
2.2 PROFInet与现场总线集成
由于PROFInet提供了与各种现场总线的开放的接口, 作为下一代的现场总线，不仅仅可以包容Profibus，而且 PROFInet可以从现有所有的现场总线解决方案到基于以太网的PROFInet的无缝转换，且无需修改现有设备，从而极大保护了设备制造商、成套装置或机器制造商和终端用户的投资，这是将基于以太网的 PROFInet 技术应用于过程自动化的首要目标。并且该方案确保了具有广泛的一致性, 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） 。
PROFInet提供了一个在PROFInet环境下协调现有Profibus和其它现场总线系统的模型。这表示，你可以构造一个由现场总线和基于以太网的子系统任意组合的混合系统。这就能够进行从基于现场总线的系统向PROFInet 的连续技术转移。
PROFInet 为连接现场总线提供了以下两种方法：
（1）通过代理服务器的现场总线设备集成：在以太网上，代理服务器是一个或多个现场设备（例如：Profibus 上的现场设备）的代表。每个现场设备代表一个独立的PROFInet组件。采用代理服务器方案，PROFInet 提供了从现有设备到新安装的设备之间的全透明转换。这种方法可以包含任何一种现场总线协议，在Profibus DP的情况下，一方面，代理服务器是Profibus主站，它协调Profibus节点的数据交换;另一方面，代理服务器是与PROFInet 通信的以太网设备。代理服务器可以作为（例如）PLC、基于PC 的控制或作为一个简单的网关实现。
（2）整个现场总线应用集成：每个现场总线段可以作为组件模型框架内的PROFInet 组件集成，该组件又成为PROFInet的设备，使别的现场总线（如Interbus 、Profibus DP）处于PROFInet系统的较低级别。为了现有的装备能够与PROFInet 通信，PROFInet 组件中的现场总线主站必须具备PROFInet功能。这表示，在组件中采用现有现场总线机制（如Profibus DP），而在该组件的外部则采用PROFInet 机制。采用上述集成方案，PROFInet 不仅可以集成Profibus， 而且还可以集成其它现场总线系统如：FF，DeviceNet，Interbus，CC-Link 等。其做法是，定义一个总线专用的组件接口（用于相应总线所选择的数据传输）的映像，并将它保存在代理服务器中。这就允许各种现场总线一下子就能与PROFInet 连接。
3. PROFInet与现场总线集成的具体应用
目前全世界范围内，PROFInet应用还不广泛，特别是在我国才刚刚起步，只有少数的公司和单位采用PROFInet方案。若要使PROFInet在自动化领域占有一席之地不能以替代现有系统作为解决方法，而应该能够使这些系统简单地融入PROFInet。因为最终用户的控制系统都是经过了长期调试而比较稳定的，他们想要的只是通过更新生产线或扩展设备来升级现有的总线结构（无需因修改而发生任何额外费用），以达到提高生产力，降低成本等目的;且装备和机器制造商希望能够将其经过现场考验的和文档化的系列设备用在PROFInet 自动化项目中（无需作任何修改）。因此开发研究PROFInet与现有总线的集成应用成为PROFInet的关键技术之一。
由于Profibus在现场总线的应用中占有相当大的比例，所以本例以它为代表介绍PROFInet的集成研究。
通过下面的具体项目来说明如何实现PROFInet与PORFIBUS的集成：
现场被控设备有两台三容器液位装置、两个皮带传输机、三台立式电炉。三容器液位控制系统是一个双输入双输出的系统，通过控制水泵阀位的开度使三容器的液位达到我们的设定值。皮带传输机是通过控制变频器的频率来改变皮带传输机传输速度。立式电炉是一个双输入双输出的温度场控制对象，通过控制占空比来控制电炉的温度。
原先整个系统由三层网络构成：底层是现场设备层，中间层为监控层，上层为信息管理层。现场设备层是以Profibus-DP总线为基础，现场设备互连，集成了PLC系统的现场层分布式控制网络Infranet;监控层是处于环形工业以太网Ethernet中。用三路Profibus-DP总线分别控制这三个对象：DP总站为西门子SIMATIC S7系列PLC;智能传感器、执行器、变频器等现场级设备等作为DP从站。
为了满足现场层到管理层通信的连续性以增加生产过程的透明度优化公司的运作，现将具有Profibus和IT标准的开放透明的PROFInet引入到该系统中，用PROFInet替代Ethernet作为中间层，包括工厂对于车间设备的管理控制单元或软件，通过上层信息管理层可与Internet相连。为了保证自动化系统的可靠性可以通过构成冗余的双环形网络来实现，这也是PROFInet的优势之一：能够创建灵活的网络结构。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。具体解决方案：原先用于控制三容器和电炉的Profibus 系统继续使用，而皮带传输机单元直接在PROFInet上进行更新和扩展。这样原先的Profibus现场总线段以组件形式处于较低层，可看作是PROFInet上的现场设备，具体包括各被控对象的各个工段、控制器、执行元件、现场设备（如传感器、仪表）、自动化设备等。在PROFInet标准中，对代理服务器能够连接的Profibus设备（或别的总线设备）数目没有限制，例如西门子产品支持64台Profibus设备。原先的Profibus的现场设备则通过代理服务器与PROFInet通信。此时，一方面，代理服务器是Profibus主站，它协调Profibus节点的数据交换;另一方面，代理服务器是与PROFInet 通信的以太网设备。代理服务器可以作为PLC、基于PC 的控制或作为一个简单的网关实现。
图1 PROFInet与Profibus的集成应用网络构架片断
通信程序的独立和代理服务器技术的使用使得已经存在的Profibus 系统可以无需作任何修改而完全保留下来继续使用。所需要的就是在该新机器组态的工程设计时将这些组件之间的通信关系进行互连。当然，负责Profibus 系统的控制器（PLC）必须由以太网模块（硬件和软件）和代理服务器功能（软件）来扩展。代理服务器功能确保了PROFInet 专用的视图作为控制系统内的一个工艺技术模块封装。组件由机器或装备的制造商创建为工艺技术模块的映像。
通过本例可以说明Profibus和PROFInet 可相互独立地共存于整个系统中;而且它突出表现出已经存在的子设备的简单易行的集成。
今天，Profibus是世界范围内唯一可覆盖从工厂自动化场合到过程自动化应用的现场总线标准。集成Profibus现场总线解决方案的PROFInet是过程自动化领域应用的完美体验。而且PROFInet成功地实现了工业以太网和实时以太网技术的统一，使得工业以太网技术向底层现场级控制的延伸成为可能。由于PROFInet完全透明的兼容传统工业以太网和办公室以太网，因此，通过使用PROFInet就可以在整个工厂内实现统一的网络架构，真正实现了一网到底，为企业的信息化提供了坚实的通讯平台，大大地提高了工厂的生产率。
4. 结论
尽管PROFInet在概念上不同于像Profibus那样的现场总线系统，但是它已经成功地定义了从现场总线向以太网的全透明网络转换策略。可在基于PROFInet的系统中使用其Profibus产品，而不必做任何更改。目前已装过程仪表在将来仍可在 PROFInet 环境中使用。起初，只有 Profibus DP 将被 PROFInet 所取代，Profibus PA、HART 和 FF 网络保持不变。但现今各总线都可以融入到PROFInet。“用于过程自动化的 PROFInet”这一中心主题在 2006 年的一次 PI 顾问委员会会议中首先被提出。PI 的目标是在 2006年年末时，完成用于连接 Profibus PA 和 HART 设备的技术规范;FF 连接将在 2007 年讨论。用于过程自动化、具有全面系统能力的 PROFInet 系统有望在 2008/2009 年实现。它意味着目前全世界80%的总线应用可以成功向下一代以太网现场总线自然过渡。