總線專題：第六講 PROFINET（上）

在國際電工委員會IEC國際標準中我們可以在IEC61158（第三版）看到其中總線類型10為PROFINET，而在其后發表的IEC61784-2中又看到有PROFINET（CPF3），那么這兩個PROFINET究竟有沒有區別呢？答案是有所區別的。因此我們首先要了解兩種標準的內容是什么？

IEC61158的名稱是“測量和控制數字數據通信--工業控制系統用現場總線”。其中有10種類型，包括了FF,Control Net,PROFIBUS,P-Net World FIP,INTERBUS和PROFINET等。這是目前正式通過的國際標準。

IEC61784的名稱是“與工業控制系統中使用的現場總線有關的用于連續和離散制造的行規集”，他描述IEC61158（和其他標準）中規定的“服務”集的子集，該子集用于特定的現場總線系統的通信或基于以太網系統的通信。用這種方法定義的特定的“通信行規”被組合在“通信行規簇”CPF（Commanication Profile Family）中。

目前在IEC61158中的PROFINET，其實際內容為基于組件自動化用的PROFINET CBA（Component Based Automation）；而在61784-2中的PROFINET，其實際內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分別由基于非實時（NRT）通信的組件和基于實時（RT）通信的組件兩大部分組成；而PROFINET IO則由實時通信和等時同步實時IRT（Isochronous Real Time）組成。

目前PROFINET IO還在不斷開發完善之中，到2007年IEC61784-2中的所有CPF經過投票表決，其中表決通過的CRF，將正式進入到IEC61158成為正式標準。

1.將以太網用于實時控制領域的原理

（1）要將工業以太網應用于實時控制領域，確實存在著“先天不足”的問題。

以太網所采用的介質訪問控制方法即CSMA/CD載波監聽多路訪問沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的方法，是一種非實時性也是一種在時間上沒有確定性的通信方式。其基本工作原理是：某節點要發送報文時，首先監聽網絡，如網絡忙，則等到其空閑為止，否則將立即發送，并同時繼續監聽網絡；如果二個或更多的節點監聽到網絡空閑并同時發送報文時，將發生碰撞，同時節點立即停止發送，并等待一段隨機長度的時間后重新發送；16次碰撞后，控制器將停止發送并向節點微處理器回報失敗信息。

在網絡負荷較高時，以太網上存在的這種碰撞成了主要問題，因此極大地影響了以太網的數據吞吐量和傳輸延時，使他的實際性能下降。由于在一系列碰撞后，報文可能會丟失，因此節點與節點之間的通信將無法得到保障，以太網的這種CSMA/CD介質訪問機制導致了通信的非實時性和響應的不確定性。

而對于工業現場控制網絡要求來講，卻需要通信的實時性和時間上的確定性（time-deterministic）；而且在運動控制（motion control）方面來講，則要求更高，要求能達到等時同步實時（IRT）。

所謂實時（Raal Time）性，是指在一個非常短的時間內，通過信息傳遞能完成所要求的各種功能。如當生產過程中某處溫度升高時，溫度傳感器將信號立即傳送給控制器經過一定的算法將控制信號傳送給執行器，通過調節所供應的能源，使溫度恢復到其正常值。否則就會引起參數振蕩，甚至會失控。

所謂時間上的確定性是指在確定的時間內完成所規定的任務。如生產過程中的報警信號，必須在確定的時間內，將信號送到規定的地點，否則將會導致事故的發生，甚至產生災難性的事件。

等時同步實時（IRT）是運動控制所必需的，因為運動控制速度極快，除了實時性上的要求外，還要求運動控制的各軸，在時間上同步動作。例如在快速彩色印刷機上，如果各軸在時間上不同步，會使各種顏色串色而影響彩印質量。

（2）為什么還要求將以太網用于實時控制呢？

既然以太網用于實時控制存在著“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？

事實上以太網雖然有對實時控制有不足之處，但在IT應用方面確具有不少優點。

以太網的優勢在于：

1）技術上成熟，軟硬件資源豐富，應用廣泛。

2）產品的種類齊全。市場上容易購得。

3）通信速率高。目前已有100～1000M，而且發展潛力大。

4）價格便宜。由于從事的開發商多，產量大，價格自然下降。

5）在企業網中（intranet），如果現場層能采用以太網，那么與企業內部的MES（制造執行系統）和ERP（企業資源管理）層，就容易實現無縫的集成（因為大家都是以太網）。

由于以太網有上述的優勢，因此不少廠商正在不遺余力地開發基于實時的工業以太網，目前列入IEC61784-2中的CPF已經有16種之多。

（3）要使以太網具有實時性和時間上的確定性，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占用傳輸介質的時間，從這一角度出發，就為減少信號的碰撞沖突，解決以太網通信的非確定性提供了途徑。以太網的通信速率已一再提高，從10Mbps,100Mbps到1000Mbps的成功應用，相對于控制網絡傳統的通信速率的幾十kpbs到5Mbps而言，提高通信速率的效果是明顯的，對減少碰撞沖突也是有效的。一般在控制領域中采用的是100M。

2）降低網絡負荷。

我們知道，令牌總線控制方式在工業控制領域應用的較多，其特點是，網絡上各節點對總線的控制權是由令牌（token passing）來控制的。收到令牌的節點在一段規定的時間內擁有網絡傳輸介質的控制訪問權，并向網絡上發送一幀或多幀信息，當該節點的傳輸已經完成或占用網絡的規定時間已經到時，他就將令牌傳遞到下一節點。因此，傳輸過程就是由交替進行的數據傳輸階段和令牌傳送階段所組成。由于令牌的傳遞時間，擁有令牌的節點占用網絡控制權的時間是預先規定好的，在網絡節點數量一定的情況下，每個網給節點的信息發送的時間是可以預先估計出來的，因此，令牌又稱為“確定性”網路。顯然，這種確定性比較適合通信確定性和響應實時性要求較高的工業控制系統中應用。其中Arcnet網絡就是比較著名的令牌總線之一。