PLC专题 工业4.0 ·

详解Profinet到底是什么

PROFINET是什么?

PROFINET的全称是Process Field Net,是由PROFIBUS国际组织PI(PROFIBUS International)推的出,在IEC61158标准系列中排行第10(进了“Top10”呢),让我们来认识一下PROFINET。有人说:看一个人周围的朋友什么样就知道他是什么人,PROFINET的“朋友”有PROFIBUS、INTERBUS、FF、World FIP,所以说PROFINET是一种现场总线标准,而且是基于工业以太网技术的新一代自动化总线标准。

 

提到“标准”这个词,大家会有怎样的直观印象呢?是白皮书一样的东西——有章节和条款、有文字和数据、有定义和解释。的确,PROFINET的培训教程的内容不外乎是实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、安全、过程控制、IT标准等部分,样子千篇一律,讲解晦涩难懂,活脱脱一副“老学究”的样子,一点也没给人一种“新一代”的感觉。于是,鄙人就想通过一种当下比较流行的方法——图解xxx或者是一幅图看懂xxx,来重新解读一下PROFINET,使之变得亲切些,更接地气儿。

“工业4.0”是当前制造业最热门的话题,所以不谈这个话题都不好意思跟同行们打招呼。“工业4.0”里面的一个重要内容是智慧工厂,工厂流水线设备之间通信,无论是传统的有线连接还是先进的无线连接与分布式控制,都可以通过PROFINET实现,从某个角度可以说PROFINET的作用就是这些蓝色和红色的“连接线”。不要小看这些线,这些不是绣花线,而是在“连接智能世界”——智能的连接。

再来点料,机器人是当前很高大上的东西,机器人控制系统的通信网络越来越多的应用工业以太网,如果说控制器是人的大脑的话,那么工业以太网就是神经系统,用于传输各种感知信号和动作指示。PROFINET的作用就是使得通信网络更能满足运动控制苛刻的要求,能让机器人做到歌中所唱的那样“我神经比较大,不怕不怕不怕啦”。

近几年去过工博会西门子展台的诸位工程师,有一张图应该会有印象,那就是工厂自动化通信网络的“三角形”分层架构,即由下至上是现场层、控制层、管理层。PROFINET最突出的特点是能通过一种网线,可以传输过程数据、语音、图像等数据,连接不同的网络,真正实现“一网到底”。

一般人也许对“一网到底”没有什么直观感觉,因为现在的工厂网络运行的挺好,体会不到改进有什么好处,其实我打一个比方,你就有感觉了。

让我报个装修方面的料,水电改造(上图右)是装修的一个重要环节,也是装修公司在最挣钱的部分。水电改造中需要考虑强电(220V)、弱电(电视、电话、网络)分离,强电部分需要选择不同粗细的电线,比如空调的电源线要粗,而照明的电源线可以细一些。由于电源线粗细不同,而且电话线、电视和网络信号线就得买不同种类的线,选择各种电线其实是大家不太了解的地方,所以才是最挣钱的地方。假如有一天出现这样一种技术,甭管强电弱电还是电流大小,可以统统使用一种标准的、可靠的、价格透明的线路,最好还能供水(开玩笑了),那么诸位的装修就能大大省钱了!而PROFINET针对工厂通信网络就是这样一种技术!

过程控制自动化近几年有一个趋势,那就是随着微处理器与PC的成本变得越来越低,现场设备、传感器和执行器的过程自动化从以前的集中控制,变成分布式智能,这些IO、阀、驱动器等智能设备也越来越多的的通过工业以太网进行连接和通信。PROFINET能所有这些不同层次的系统整合到一个统一的、功能丰富的网络中。PROFINET具有多制造商产品之间的通讯能力,自动化和工程模式,并针对分布式智能自动化系统进行了优化。其应用结果能够大大节省配置和调试费用。PROFINET系统可以集成包括Profibus在内其他总线系统,提供了对现有系统投资的保护。

PROFINET的基本内容与分析方法
楼主4楼2015-09-22 10:25:15

从软硬结合的角度去理解,PROFINET内容应该分为工业以太网(硬件)和通信协议(软件),其中工业以太网分为以太网技术、安装、网络安全等;而通信协议包括PROFINET IO、PROFINET CBA、行规。既然PROFINET是一种自动化总线标准,那么其主要任务就是构建控制器与现场设备之间的通信网络,因此用于描述“分布式外设”的PROFINET IO部分是PROFINET的主要内容。

国外PROFINET教程在内容编排上会先从以太网基础知识开始介绍,其套路讲究的是“万丈高楼平地起,打好基础很重要”。不过我觉得可以换一个思路,从需要实现一个什么东西讲起,再将如何实现,接着讲为什么这样实现,通过这种“结果导向”的方式更容易调动积极性。这让我想到大学时学习C语言编程,如果当时老师拿出一个小游戏程序,告诉大家这是用C语言写的,然后开始一边玩游戏一边改程序,于是大家发现改动会使游戏运行效果不一样,那么童鞋们这门课的成绩会很好。原因很简单:兴趣是最好的老师嘛。

所以,我考虑使用PROFINET技术模拟搭建一个满足“工业3.0”特点的工厂自动化控制通信网络,逐步解释一下其中的技术细节。

PROFINET IO系统概述
楼主5楼2015-09-28 10:36:29

我们的大学时光就是联网游戏的时光,上学那会儿打着学习的幌子要配电脑,有了电脑甭管什么学习了先装游戏,单机游戏?那是小儿科,得要考虑联网对战,在宿舍局域网内玩腻了就要考虑上外网(浩方对战平台)去切磋技艺,于是宿舍里充满了鬼哭狼嚎、大呼小叫、好不快活,这样的日子童鞋们有木有?

现在把联机游戏这码事儿上升点高度仔细回味一下,这似乎和使用PROFINET技术搭建一个控制系统通信网络差不多的过程吗,从选电脑配件、攒机、装系统、配软件、弄交换机、买网线、接水晶头、连网线、配置网络、联机调试到弄个“猫”上外网,配个路由器大家一起上网,最后升级到无线路由实现wifi覆盖,可以说联网游戏的过程和搭建控制系统通信网络多多少少有想通的地方。怎么,这个思维有点“穿越”了,没听明白?没关系,现在听我“韶韶”(南京话:讲讲)。

首先我们得看看要搭建的工厂自动化控制通信网络是个什么样子,图中所示的网络包含控制层和现场层,以及连接到管理层网络的组件,几乎涵盖了“工业3.0”特点的工厂自动化系统的所有元素,控制层和现场层的网络系统通常是由分布式设备组成,属于上面提到PROFINET IO(分布式外设)。

怎么样,当一条“色香味俱全”的生产线控制网络呈现在眼前,就像看到了别的宿舍的童鞋正在忘我的玩联机Dota,你们宿舍的还在挑灯打牌一样,有木有一种冲动,很想知道这个网络是怎么搭建起来的?别急,万丈高楼平地起,就像联机游戏前你得先配电脑,学习C语言要先认识变量类型一样,搭建网络也得先认识有哪些PROFINET设备,然后就要选择需要的PROFINET设备,选择设备通常需要从以下条件考虑:

    • 设备类型;
    • 一致性类别;
    • 实时要求;
    • 设备防护等级。
PROFINET设备类型
楼主6楼2015-10-08 08:10:12

有方案号称是PROFINET技术,那是因为方案中用到了PROFINET相关的产品。还有的说自己PROFINET系统,那是因为使用带有PROFINET功能设备通过网络连接构成了现场总线系统。但不管是什么样的PROFINET,带有PROFINET功能的设备就可以分为IO控制器、IO设备和IO监视器三种设备类型。

PROFINET IO控制器通常是负责控制IO系统的PLC,IO设备通常是传感器或执行器之类的现场设备,IO监视器是运行组态编程工具的平台(PC),也可以是进行网络诊断的工程工具平台。这里你还有疑问:“图中不止这三样设备呀?”是的,这三样是分布式外设所包含的设备类型,其它图标要么属于网络连接设备,要么属于普通IT设备,要么从某些功能角度上讲也属于上述三种类型。熟悉现场总线的诸位工程师可以类比一下PROFIBUS DP帮助理解。

 

即使不熟悉现场总线的哥们儿也没有关系,我们可以通过另外的方法帮助理解:一个PROFINET IO系统好比是一个项目,项目中有诸多角色,但大致上将会有以下三个角色经常会“出镜”,这就是项目经理、员工和客户,他们之间也会产生诸多的联系。

    • 客户会提出项目要求(Parameters),不定期的询问进度情况(status),随时提出一些意见(system diagnosis);
    • 项目经理将任务分配给不同的员工(Configuration),定期获得员工反馈,修正原来不太合适的计划(Process data),并且交给员工执行,处理一些棘手的问题,通过这些方法保证项目进度;
    • 员工就像是项目的传感器好与执行器,将项目情况定时汇报给项目经理(Input),并执行项目经理的各种指示(Output),遇到自己处理不了的麻烦事情要即使上报(Alarm)给项目经理。
控制器/设备/监视器
楼主7楼2015-10-10 08:26:46
  • IO控制器

IO控制器相当于电脑硬件中的中央处理器,其通用模型包含一个PLC程序、所有输入和输出数据。PROFINET IO控制器的主要任务是从获取现场设备的输入,经过控制器程序处理后,再输出所有数据。IO控制器(PLC)的运行特点就是:以更新时间为间隔,周期性地获取输入数据,在以一定时间间隔运行自身的PLC程序,然后以更新时间为间隔,周期性地发送输出数据。更新时间决定了PROFINET IO系统的响应时间。

  • IO设备

IO设备相当于电脑硬件中的鼠标、键盘、光驱等输入输出设备。而随着自动化系统的控制方式的变化,IO设备变得越来越智能化。

  • IO监视器

如果按照字面意思去理解,如果想当然地以为IO监视器应该就相当于显示器,那就不对了。其实显示器属于输出设备,而IO监视器是运行组态和诊断功能的编程设备或PC,正如前面所说像客户,貌似地位特殊啊。

经过以上的罗列,所有带PROFINET功能的组件如下图所示。

 

PROFINET通信服务
楼主8楼2015-10-12 08:29:54

    如果只有上图罗列的各种PROFINE组件“角色”,是不能构成PROFINET系统的,还必须有PROFINET通信服务,再通过网络连接才算构成一个现场总线系统。就像拍电影光有角色,哪怕角色全都是大牌明星是不行的,还得需要剧本。PROFINET通信服务包括三个不同的关系。

我们还是将一个PROFINET IO系统当作一个项目,由于一个项目中有客户、项目经理和员工,这些角色之间自然就产生了方方面面的关系(AR),每种关系需要通过某些行动(CR)来维系,比如说客户和项目经理(员工)是甲方乙方的关系,项目经理和员工可以是上下级关系、合作关系或者还有其他关系,但最基本的还是甲方乙方和合作关系。对于甲方乙方关系,客户会给出项目的要求和条件(参数化),提出更改意见,乙方会响应甲方的需求等(非周期数据交互);对于合作关系,员工该汇报时按时汇报,该执行时严格执行(IO数据),遇到克服不了的困难及时报告(报警),经理严密控制项目质量和进度,对于困难想办法去解决或者沟通。

PROFINET IO系统会为不同类型的设备定义不同的应用关系(AR),用于实现不同的功能,完成相应的操作。每个应用关系(AR)可能包含以下的通信关系(CR):

1.      周期型通信的CR;

2.      用于非循环记录数据的CR;

3.     报警事件的CR。

PROFINET IO系统
楼主10楼2015-10-13 14:50:04

    如果说一个项目是由角色组成,靠角色之间的关系来推进,那么一个PROFINET IO系统就是由不同类型的设备组成,以及靠相互关系来运行的。

PROFINET IO系统中至少需要一个控制器和一个设备,也可以是一个控制器多个设备,多个控制器和一个设备,多控制器多个设备。这四种角色组合用现实工作来解释其实很好理解:小项目就需要一个经理一个员工;普通项目就一个经理领导多个员工;有时候一个员工也会面临多头领导的困惑;有的项目为了保证不会因为缺少某人而出问题,就需要安排多个人手和至少两个领导,这样可以做到以防万一。

IO控制器和IO监视器可以在IO设备之间建立一个或多个AR。一个IO设备可以与多个IO控制器交换数据。为了实现系统冗余,可以一个IO系统定义多个IO控制器,一个是“主控制器”,另一个是“备用控制器”。而且还可以定义:

1、共享IO设备:多个IO控制器使用同一个IO设备的子槽,也就是说这个员工属于能者多劳型,同时参与了多个项目;

2、共享输入:多个IO控制器读取同一个IO设备的同一个输入模块,该名员工也许是个苦主,需要同时向多个领导汇报工作(挨多次骂);

3、IO控制器冗余(一主一备)与IO设备,冗余IO控制器提高了系统的可用性。两个IO控制器使用相同的配置,但只有一个是在同一时间的“主控制器”,另一个是“备用控制器”。这种冗余的形式相当于美国总统与副总统的搭配。

什么是一致性类别(Conform?ance Class)
楼主13楼2015-10-16 09:13:07

    前面介绍了选择设备的第一个考虑因素——设备类型,接下来介绍第二个考虑因素。

学生时代的攒机是一件十分有讲究的事情,一些熟悉攒机的同学都成为了众人心目中的电脑专家,我记得本科时班上就有一个同学,他能根据你对电脑的需求将各种配置组合讲得头头是道、任你选择,大家要买电脑都找他拿意见,所以他认识的女生最多。真是让我们这些笨嘴笨舌的理工科屌丝们羡慕不已。

电脑城的导购也是干这个的,我每次经过珠江路(南京市里著名的电脑一条街),就会被导购的热情所感染,于是停下来听两句。一般攒机的过程如下:导购会拿出一张表格,上表罗列了CPU、主板、内存、显示器、硬盘、网卡等基本项目,然后问你对电脑的功能定位以及心里价位,然后推荐相关的CPU、匹配的主板与内存,如果你需要玩3D游戏,那么导购会再推荐显卡,以及高档次的音响设备,当然还会带上价格不菲的键盘与鼠标,配件型号确定后会记录到表格中,然后计算总价,如果你觉得价钱合适就付钱等着拿电脑了。

闲扯了这么多,大家一定在嘀咕:一致性类别是什么呢?和配电脑有什么关系呢?

一致性类别(应用类别)就是根据功能范围的不同将PROFINET IO组件(包括控制器和设备)分为不同类别,这样工程师可根据功能需求或使用场合来选用不同生产商出品的PROFINET IO组件,而且可以保证选择的设备具有互操作性和开放性。就像攒机时你不会只拿一家配件供应商的产品,而是根据你对于电脑的用途和喜好,挑选不同配件生产商的产品来组合成性价比高的电脑。

根据一致性类别选择PROFINET设备就相当于根据性能选择电脑的配件,首先需要知道一个PROFINET IO系统大致需要哪些设备组成,然后根据实际需要选择性能合适的设备,甚至对性能要求苛刻的还需要最高等级的类别,符合相同一致性类别的控制器、设备或者监视器可以构成一个PROFINET IO系统,也就是一致性范围(domain),最后也许需要将若干这样的PROFINET IO系统组成生产线控制系统。就像你可以选择高档一点的CPU、内存和主板,而显示器选小一点的,键盘、鼠标什么的挑便宜一些的,这样配出来的电脑系统也能运行的不错。

如图所示,不同一致性类别的IO系统组成了一个大的生产线系统,其中红色框范围内的系统要用于运动控制,需要最高等级;绿色框内的系统一致性类别满足过程控制的要求;紫色框内的系统满足较低的一致性类别。简而言之,一致性类别是按照功能大小和实现要求的不同给PROFINET设备进行分类。

原文来自西门子技术论坛http://www.ad.siemens.com.cn/club/bbs/post.aspx?a_id=1221690&b_id=25&s_id=&num=#anch

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