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張龍（1974－）
男，1996年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動控制專業(yè)，研究方向為現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)。
8.1 工業(yè)自動化中的以太網(wǎng)
8.1.1 現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)
既要不斷提高機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)率，又要降低成本，這始終是工業(yè)自動化不斷創(chuàng)新的動力。在這種動力的推動下，20年前INTERBUS現(xiàn)場總線應(yīng)運(yùn)而生，成為世界上第一個用于傳輸過程數(shù)據(jù)的傳感器/執(zhí)行器現(xiàn)場總線系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)采用串行通信取代傳統(tǒng)的PLC并行接線方式，采用數(shù)字信號取代4~20mA模擬量信號傳輸，是通信技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)自動化領(lǐng)域的一次技術(shù)革新。
由于采用特殊的集總幀傳輸協(xié)議和環(huán)型/樹型結(jié)構(gòu)，INTERBUS系統(tǒng)不僅具有快速、周期和等時數(shù)據(jù)通信極其出色的性能，而且也提供綜合診斷功能，實現(xiàn)故障快速處理，使停機(jī)時間降至最短。同時由于光纖的靈活使用，而具有極強(qiáng)的抗干擾能力。由于與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接價格低廉，所以INTERBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)迅速被用戶廣泛地接受。截止到2006年底，INTERBUS在世界各地的安裝量超過1100萬個節(jié)點(diǎn)，在為數(shù)眾多的工業(yè)現(xiàn)場超過90萬套應(yīng)用系統(tǒng)。INTERBUS CLUB采用Frost-Sullivan調(diào)查評估法經(jīng)過準(zhǔn)確計算，INTERBUS現(xiàn)有的安裝節(jié)點(diǎn)總值超過14億美元。
當(dāng)今銷售市場的特點(diǎn)是隨著各種產(chǎn)品品種的不斷增加，產(chǎn)品的生命周期越來越短。例如，1990年汽車的生命周期是9.5年，一個生產(chǎn)線平臺可生產(chǎn)8種汽車車型（轎車、旅行車及敞篷車等）的生產(chǎn)。而在現(xiàn)在，生命周期平均只有6.5年，同樣一個平臺要生產(chǎn)一個汽車品牌的14種不同車型。能夠提升大量生產(chǎn)的成本效益，比通常情況更早地收回投資（ROI）對生產(chǎn)制造廠來說是必需的。為此，需要不斷地降低開發(fā)和工程費(fèi)用，該費(fèi)用占整個成本的較大份額；同時應(yīng)該確?，F(xiàn)有的解決方案能夠簡單地集成到新概念的系統(tǒng)中。這樣一來，為了挖掘新的生產(chǎn)潛力，公司內(nèi)部的通信體系結(jié)構(gòu)就成了決定因素。
當(dāng)前，公司網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是生產(chǎn)區(qū)許多孤島解決方案之間，以及工廠與監(jiān)控級之間復(fù)雜的耦合連接和數(shù)據(jù)交換機(jī)制。不做極大努力，要想完成對于精確加工和生產(chǎn)控制十分重要的機(jī)器數(shù)據(jù)進(jìn)行透明訪問是不可能的。因而，目標(biāo)是必須開發(fā)一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它將保證所有的機(jī)器設(shè)備部件聯(lián)網(wǎng)，而且能夠連接到生產(chǎn)規(guī)劃和公司監(jiān)控級。實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵是統(tǒng)一采用以太網(wǎng)。如圖1所示，由于具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)功能，隨著公司的增值開發(fā)過程，以太網(wǎng)將逐步連接孤島解決方案。
圖1 采用以太網(wǎng)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
以太網(wǎng)具有世界統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，在辦公通信中占據(jù)了80%以上的份額，在工業(yè)環(huán)境中它也已經(jīng)用于分散機(jī)器設(shè)備區(qū)段間的相互連接，以及與上一級系統(tǒng)的連接。在工廠自動化行業(yè)其優(yōu)點(diǎn)是無縫傳輸大容量數(shù)據(jù)，同時可交換各種服務(wù)，并能使用標(biāo)準(zhǔn)組件和工具。目前，低實時能力和高抖動是其最薄弱的地方。為此，各家制造商和組織都在積極開發(fā)擴(kuò)展的以太網(wǎng)協(xié)議，它們將滿足工業(yè)現(xiàn)場通信的特定需要。
8.1.2 實時以太網(wǎng)通信
一個系統(tǒng)是否具有實時能力基本上取決于相關(guān)應(yīng)用的需求。通常把傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線例如INTERBUS，PROFIBUS或者DeviceNet/CAN描述成具有實時能力。在所有的情況下，實時能力只是一個定義問題。如果信號和達(dá)到的響應(yīng)時間滿足任務(wù)需求，那么這個就可以定義為實時。如果這個時間是完全確定的，那么我們稱這個系統(tǒng)是“具有硬實時能力”。在一個確定性系統(tǒng)中，例如SERCOS和INTERBUS，除了系統(tǒng)相關(guān)的偏差（抖動）外，CPU信號的計算可以精確至微秒級。實時性和確定性是采用TCP/IP通信的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)最大的弱點(diǎn)之一，因此也是工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議需要解決的兩個關(guān)鍵問題。
系統(tǒng)在任何環(huán)境下和在任何操作條件下對所有事件作出正確而及時響應(yīng)的能力可以描述為“具有實時能力”。通常，實時能力的需求是用保證響應(yīng)時間來表達(dá)的。
在一個由分布式組件組成的系統(tǒng)中，組件特性以及設(shè)備之間所使用的總線特性都起著十分重要的作用。需要考慮的值是通信系統(tǒng)的參數(shù)，例如網(wǎng)絡(luò)吞吐量（帶寬），等待時間，等待時間偏差（抖動）和同步性。對于一個必須要完成同步操作的任務(wù)而言，其各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的同步性尤其關(guān)鍵。
一個系統(tǒng)如果其使用的組件滿足下列相關(guān)要求的，則其具有實時能力。
* 終端設(shè)備在規(guī)定時間內(nèi)處理數(shù)據(jù)。
* 設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸在確定時間內(nèi)完成。
* 當(dāng)交換機(jī)用于分發(fā)以太網(wǎng)報文時，必須在固定的時間內(nèi)完成。
以太網(wǎng)最初的CSMA/CD方法由于存在沖突而造成延遲不能排除，因而已不再適用。目前，在使用以太網(wǎng)時，有許多不同的策略可用于實現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)之間的通信達(dá)到確定的響應(yīng)時間。
對于基于以太網(wǎng)的實時通信的未來標(biāo)準(zhǔn)，就控制系統(tǒng)硬件、I/O終端設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施有各種需求。值得注意的是，各種架構(gòu)所使用的以太網(wǎng)通信技術(shù)也不一樣。Ethernet/IP需要一個強(qiáng)大的交換技術(shù)，而在I/O組件應(yīng)用方面相對來說簡單得多。Powerlink則需要集線器技術(shù)作為其基礎(chǔ)設(shè)施，這是因為假設(shè)由于其穩(wěn)定的通信順序，而沒有沖突發(fā)生。PROFINET RT數(shù)據(jù)傳輸要求交換機(jī)支持IEEE802.Q定義的虛擬局域網(wǎng)VLAN標(biāo)簽，通過優(yōu)先級排序，從而使實時數(shù)據(jù)能作為優(yōu)先級高的信息快速轉(zhuǎn)發(fā)至控制系統(tǒng)。對于EtherCAT和PROFINET IRT，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中應(yīng)用了專門ASIC，用來及時地在協(xié)定點(diǎn)傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)，以使實時通信得以實現(xiàn)。
要保證像以太網(wǎng)這樣的分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實時性十分困難，因為站點(diǎn)傳輸準(zhǔn)備就緒并不能協(xié)調(diào)一致。當(dāng)每個站點(diǎn)從上一協(xié)議層接收到待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)時，開始進(jìn)行傳輸，而且傳輸通道是空閑的。以太網(wǎng)控制器從IP層接收數(shù)據(jù)包的時刻點(diǎn)視站點(diǎn)內(nèi)部或外部事件而定。
確定性的響應(yīng)可以采用以下兩種方法得到：
* 使用時間戳，可以根據(jù)時間分配幀，即使是實際的傳輸不再同步。
* 采用固定時間槽模式進(jìn)行同步的通信，為每條信息和每個設(shè)備分配固定時間槽，確保了時分復(fù)用多路中無沖突傳輸（TDMA—時分復(fù)用多路存取）。
兩個方法的需求是所有站點(diǎn)都要以相同的同步時間基準(zhǔn)進(jìn)行操作。一個根本的問題是如果在傳輸路徑中沒有確定性通信，則如何同步分布站點(diǎn)的時鐘。目前已經(jīng)提出許多解決該問題的方法。下面將介紹其中兩個主要的解決方法。
網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）被用來同步分布的時間服務(wù)器和客戶機(jī)。在層次性的NTP模型中，一些參考資源被連接到通?？稍L問到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（主時間服務(wù)器）上。主時間服務(wù)器（第一層）包含了一個基于一個GPS信號的參考時鐘，一個廣播時間頻率或者一個內(nèi)部的時鐘（在自主系統(tǒng)中）。NTP的任務(wù)就是協(xié)調(diào)這些主時間服務(wù)器和低層服務(wù)器之間的時間信息。
NTP的一個簡化版，簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP），是為自動化技術(shù)中性價比更優(yōu)的系統(tǒng)而開發(fā)的。SNTP目前是第四版，它能使得通過遠(yuǎn)程調(diào)用（RPC）進(jìn)行簡單無國界操作。SNTP是基于UDP/TIME協(xié)議算法之上的。
IEEE1588被稱為是“用于網(wǎng)絡(luò)測量與控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議”，簡稱精確時間協(xié)議（PTP）。它為大量分布式實時時鐘的同步定義了方法和程序，而這些分布式實時時鐘是通過發(fā)送數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)相連的。
IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)由三個方面組成：
* 用于PTP網(wǎng)絡(luò)自動分割的方法
* PTP時鐘的設(shè)計
* 網(wǎng)絡(luò)化PTP時鐘的同步
PTP提供了如下的解決辦法：如果所有的設(shè)備都相連且可以被尋址，其中一個設(shè)備被用來作為主時鐘。在圖2中，即設(shè)備A。它發(fā)送一個由軟件生成的初始同步信號到總線上，其中包含本地時間（T aa）和協(xié)議棧延時的預(yù)估值（軟件延時）。當(dāng)前的傳送時間被硬時鐘記錄(T ab)，傳送給軟件驅(qū)動，并在第二個報文（follow-up）中發(fā)送。接收者可以用第一個報文，第二個報文以及它自身的時鐘(T ad和T bd)來計算出與主時鐘之間的時間差。這個同步過程在同步信號周期內(nèi)重復(fù)執(zhí)行。所需時鐘頻率是基于所期望的精確性、晶振的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)中溫度的波動。在協(xié)議范圍內(nèi)該值可介于0.125Hz到0.5Hz之間。
圖2 時鐘同步
主時鐘監(jiān)控是由最佳主時鐘(BMC)算法決定。每個PTP時鐘必須在規(guī)定的數(shù)據(jù)集中發(fā)布其屬性，以為所有的總線設(shè)備都可以訪問得到。這將使設(shè)備決定它們是作為主設(shè)備，還是從設(shè)備進(jìn)行操作。
8.1.3 工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
在一些大公司和組織的強(qiáng)力支持下，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議最近幾年發(fā)展非常迅速，基于以太網(wǎng)的方案已經(jīng)越來越多地用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信。在現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158第三版中，納入了基于以太網(wǎng)概念的PROFINET、Ethernet/IP和Fieldbus Foundation HSE。與此同時，IEC SC65C委員會開始啟動一個新工作項目IEC61784-2 “基于ISO/IEC8802-3通信網(wǎng)絡(luò)實時應(yīng)用的附加行規(guī)”標(biāo)準(zhǔn)制定工作。相應(yīng)的活動在IEC SC65C/WG11 “實時以太網(wǎng)（RTE）”第11工作組中進(jìn)行，該工作組將定義通信行規(guī)直至2007年8月。此外IEC61158標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)包括了通信系統(tǒng)的RTE擴(kuò)展方案，如PROFINET IO。其它基于以太網(wǎng)的解決方案，如MODBUS TCP，EPA，EtherCAT，PowerLink等，其基本規(guī)范現(xiàn)已作為PAS（Publicly Available Specification）公共可用規(guī)范發(fā)表，并將進(jìn)入2007年底完成的IEC61158下一個版本。這其中，EPA是由浙大中控推出的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它是我國制定的第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)自動化國際標(biāo)準(zhǔn)。
2004年，INTERBUS Club正式宣布全面支持Profinet工業(yè)以太網(wǎng)。INTERBUS Club和Profibus User Organization組成聯(lián)合工作組，共同開展PROFINET協(xié)議規(guī)范的制定工作。這意味著在全球應(yīng)用最為廣泛的兩種現(xiàn)場總線Profibus和INTERBUS都支持Profinet技術(shù)，從而保護(hù)了制造商與用戶在更新?lián)Q代自動化產(chǎn)品和解決方案時所做的大量投資，保證從現(xiàn)場總線到以太網(wǎng)技術(shù)的平滑過渡。
8.2 PROFINET技術(shù)
PROFINET是PROFIBUS國際組織提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動化標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成、一致的自動化解決方案。INTERBUS Club曾對各個制造商和組織所開發(fā)的以太網(wǎng)協(xié)議性能特性及其相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了深入分析與詳盡研究，所得的結(jié)論是PROFINET能最好地滿足工業(yè)通信的需要。
PROFINET提供適應(yīng)各種類型設(shè)備的三種通信信道：標(biāo)準(zhǔn)通道（TCP/IP, UPD/IP），實時通道RT（Real Time）和等時同步通道IRT（Isochronous Real Time）。這三種通道在同一個網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備上能夠同時運(yùn)行，如圖3所示。
圖3 PROFINET系統(tǒng)通信通道
標(biāo)準(zhǔn)通道適用于具有100ms典型響應(yīng)時間的簡單設(shè)備。它能夠用于設(shè)備的參數(shù)化和組態(tài)，如讀取診斷數(shù)據(jù)。對于典型循環(huán)時間低于10ms的場合，RT通道具有與最新現(xiàn)場總線系統(tǒng)相同級別的性能，在設(shè)備中RT通道能夠采用軟件方案實現(xiàn)，通道支持用戶數(shù)據(jù)、事件驅(qū)動報文和報警等高性能周期傳輸。循環(huán)時間小于1ms和抖動低于1us的IRT通道用于高動態(tài)的運(yùn)動控制應(yīng)用。IRT基于一個以太網(wǎng)芯片，用它在IRT網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建高動態(tài)特性。
圖4 PROFINET的實時性和通信通道
為了實現(xiàn)制造過程最佳化，可直接訪問控制和生產(chǎn)級的所有自動化數(shù)據(jù)應(yīng)該是生產(chǎn)計劃管理系統(tǒng)最重要的因素。PROFINET使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)和IT技術(shù)，如OPC、XML、COM/DCOM、DHCP、SNMP、FTP和HTTP，與TCP/IP和RT技術(shù)一起共同將上述需求付諸實踐。
8.2.1分布式自動化（PROFINET CBA）
PROFINET CBA（Component Based Automation）基于組件的體系結(jié)構(gòu)模型，由于其定義了子系統(tǒng)及其設(shè)備之間的工程設(shè)計和通信，所以它支持將自動化功能分散于各個智能子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。所謂“組件”就是實現(xiàn)基于開放標(biāo)準(zhǔn)的模塊化、分布式應(yīng)用的一種統(tǒng)一的軟件結(jié)構(gòu)。具體講，就是將機(jī)械組件、電氣/電子和用戶程序也就是一個具有獨(dú)立工作能力的工藝模塊抽象成一個可以反復(fù)使用的“組件封裝”。組件可以獨(dú)立運(yùn)行，并且可以方便地與其它組件交換數(shù)據(jù)。
在PROFINET工程設(shè)計分三個階段創(chuàng)建系統(tǒng)范圍的應(yīng)用，即：
（1）創(chuàng)建組件
機(jī)器或設(shè)備的制造商創(chuàng)建組件（作為工藝模塊的通信封裝）。與以前一樣，采用有關(guān)的制造商專用的工具對這些組件進(jìn)行編程和組態(tài)。這樣，就可繼續(xù)使用現(xiàn)有的用戶程序，編程和維護(hù)人員可繼續(xù)發(fā)揮他們已有的技能。完成后，以PROFINET組件的形式封裝用戶軟件，并以XML文件的形式創(chuàng)建了組件描述（PCD），在PROFINET協(xié)議中對該文件的格式做了規(guī)定，這些組件描述將輸入到連接編輯器的組件庫內(nèi)。
（2）互連組件
使用PROFINET連接編輯器i-Map，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以將已創(chuàng)建的PROFINET組件從庫內(nèi)取出，并將它們互連以應(yīng)用。應(yīng)用簡單的圖形組態(tài)，連接代替了以前費(fèi)時的通信關(guān)系的編程。連接編輯器將貫穿整個系統(tǒng)的各個分布式應(yīng)用進(jìn)行互連。它獨(dú)立于任何制造商工作，并可組態(tài)任何廠家的PROFINET組件。
（3）下載連接數(shù)據(jù)
將這些組件連接后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可將連接數(shù)據(jù)、代碼以及這些組件的組態(tài)數(shù)據(jù)下載到PROFINET設(shè)備中。因此，每臺設(shè)備都熟悉其所有的通信伙伴、通信關(guān)系和可交換的信息，從而可執(zhí)行該分布式應(yīng)用。
圖5 PROFINET基于多制造商的工程設(shè)計概念
8.2.2 分散式現(xiàn)場設(shè)備（PROFINET IO）
由于有PROFINET IO，PROFINET規(guī)范就能為簡單的現(xiàn)場總線設(shè)備提供一種集成模型，該簡單設(shè)備相當(dāng)于通常所說的分散I/O。在工程設(shè)計時，設(shè)備以熟悉的現(xiàn)場總線環(huán)境方式編址，通過設(shè)備描述和邏輯上分配控制器，使用指定的工程工具（PCWORX, STEP7等）實現(xiàn)集成。
由于網(wǎng)絡(luò)上所有的以太網(wǎng)設(shè)備具有相同的通信權(quán)，現(xiàn)場總線技術(shù)的主站/從站處理方式要轉(zhuǎn)換成PROFINET IO提供者/消費(fèi)者模型。提供者是一個發(fā)送器，它傳送非請求型數(shù)據(jù)給通信伙伴，然后由消費(fèi)者處理數(shù)據(jù)。
在PROFINET IO架構(gòu)中，有如下不同的設(shè)備類型：IO控制器，IO設(shè)備，IO監(jiān)視器。
IO控制器是一個訪問與其相連的指定IO裝置的設(shè)備。在分布式功能單元內(nèi)，它通常是一個順序控制器，它與指定的現(xiàn)場設(shè)備交換輸入和輸出信息。
IO設(shè)備是一個分布式現(xiàn)場裝置（如遠(yuǎn)程I/O、驅(qū)動、閥島、開關(guān)等），它被分配給一個或多個IO控制器。它不僅發(fā)送過程和組態(tài)數(shù)據(jù)，而且也發(fā)送報警信號。IO設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換通信量由提供者/消費(fèi)者子模塊的組態(tài)控制。
IO監(jiān)視器可以是一個編程設(shè)備或是一臺工業(yè)PC，它像IO控制器一樣能夠訪問所有的過程和參數(shù)數(shù)據(jù)。
在IO控制器、IO監(jiān)視器和IO設(shè)備之間存在應(yīng)用關(guān)系。這些關(guān)系同樣也包括用于組態(tài)數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)通道）、過程數(shù)據(jù)（實時通道）和報警（實時通道）信號傳輸?shù)耐ㄐ抨P(guān)系。使用上下文管理系統(tǒng)（Context Management System）創(chuàng)建這些關(guān)系，管理系統(tǒng)也用于設(shè)置通信關(guān)系的相關(guān)通信參數(shù)，該參數(shù)被用于建立和消除設(shè)備的標(biāo)識。
為了便于尋址，上下文管理系統(tǒng)使用設(shè)備模型來描述從PROFINET IO視點(diǎn)所看到的一個指定現(xiàn)場設(shè)備的功能。對所有的現(xiàn)場設(shè)備來說，該視點(diǎn)必須是一致的，從而允許不同制造商的產(chǎn)品和不同設(shè)備之間通信。由于一個設(shè)備可包含多個IO邏輯設(shè)備，所以PROFINET系統(tǒng)中IO設(shè)備與物理現(xiàn)場設(shè)備不必要相對應(yīng)。IO設(shè)備自己定義槽位，只要它們至少由一個代表實際功能的子模塊組成，該槽的模塊就能被集成。
圖6 PROFINET IO設(shè)備模型
8.2.3 現(xiàn)場總線的集成
使用代理服務(wù)器（Proxy），能夠很容易地將現(xiàn)場總線方案集成到PROFINET系統(tǒng)。代理服務(wù)器在這里被看作是以太網(wǎng)中現(xiàn)場總線設(shè)備的代表，它把連接到下一級的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（INTERBUS，Profibus等）的設(shè)備集成到較高級的PROFINET系統(tǒng)。這樣，在PROFINET環(huán)境中仍能發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)越性，例如INTERBUS總線的高動態(tài)性能、本地化診斷以及無需設(shè)置設(shè)備系統(tǒng)自動組態(tài)功能等。
PROFINET使用基于XML語言GSDML（類站描述標(biāo)記性語言）對設(shè)備進(jìn)行描述。把所有相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)（包括技術(shù)特性和通信信息）進(jìn)行描述從而使得設(shè)備能在PROFINET網(wǎng)絡(luò)中獲得地址。以下是一個在STEP 7環(huán)境下集成的例子，其中在硬件配置器中把INTERBUS 代理服務(wù)器作為下層INTERBUS系統(tǒng)的代表進(jìn)行集成?？蛇x擇從不同開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行設(shè)備集成，這也表明不同廠家設(shè)備組網(wǎng)的互操作性。在下面的例子中，這些信息對組態(tài)而言非常重要：
* A代理服務(wù)器 FL PN/IBS
* B INTERBUS 代理服務(wù)器的FL PN/IBS的GSD文件
* C INTERBUS 代理服務(wù)器集成為PROFINET IO設(shè)備
* D INTERBUS 代理服務(wù)器的IP地址
為了使PROFINET IO符合現(xiàn)場總線的要求，采用模塊映射的概念將現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成到PROFINET IO中。這意味著用戶不需要其它單獨(dú)的現(xiàn)場總線配置器。設(shè)備組態(tài)可以在PROFINET組態(tài)軟件工具中完成，如采用西門子SIMATIC STEP7或菲尼克斯電氣PC WorX軟件。
一個INTERBUS的結(jié)構(gòu)通過一個PROFINET IO 代理服務(wù)器（INTERBUS 代理服務(wù)器/總線耦合器）集成到PROFINET網(wǎng)絡(luò)中。這個代理服務(wù)器是基于以太網(wǎng)的PROFINET系統(tǒng)和INTERBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)之間的網(wǎng)關(guān)。設(shè)備專用的GSD文件不僅包含了預(yù)定義的INTERBUS設(shè)備（設(shè)備描述），還包含了所有適用于通用模塊的INTERBUS設(shè)備描述和變量信息。這意味著在INTERBUS 代理服務(wù)器下的設(shè)備都可以添加到硬件目錄中去。一旦這個“代表”集成之后，低層的設(shè)備也可通過拖曳的方式移到代理服務(wù)器中的空閑槽中。INTERBUS設(shè)備主站占用1號槽。槽號與其在INTERBUS物理設(shè)備位置+1相對應(yīng)，集成是用槽/子槽機(jī)制描述的。
INTERBUS代理服務(wù)器的啟動方式和其它I/O設(shè)備一樣。一旦分配了一個PROFINET IO設(shè)備名稱（設(shè)備命名），期望的配置便可從軟件工具下載到控制器中（I/O控制器）。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，控制器初始化所有配置了的I/O設(shè)備。在啟動階段，各個參數(shù)從軟件傳送給I/O設(shè)備。對INTERBUS來講，INTERBUS主站集成至INTERBUS代理服務(wù)器中，所傳參數(shù)包括主站配置所需要的所有參數(shù)。組態(tài)錯誤信息，如不正確的INTERBUS設(shè)置，將在INTERBUS代理服務(wù)器的啟動階段被檢測出來，并以文本格式在軟件中顯示。
在啟動階段，INTERBUS設(shè)備的輸入、輸出數(shù)據(jù)映射為PROFINET IO系統(tǒng)中的相應(yīng)過程數(shù)據(jù)。因此，一個完整的INTERBUS段在模塊映射中只需要一個以太網(wǎng)幀。這個幀包含了各個INTERBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)。
一旦組態(tài)被存儲和編譯后，就可通過“在模塊中裝載目標(biāo)系統(tǒng)”（Load destination system in module）菜單項傳送到PROFINET IO控制器中（本例為S7型CPU）。裝載成功后，S7 CPU使用所存儲的組態(tài)啟動。這樣，INTERBUS組態(tài)幀便可臨時存儲在INTERBUS代理服務(wù)器中，并通過其參數(shù)激活，這些參數(shù)包括槽號、“ID代碼”、“過程數(shù)據(jù)長度”、“總線層”、“選擇組”以及“組編號”等。
圖7 PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場總線
由于設(shè)備結(jié)構(gòu)用作組態(tài)幀，因此是以連續(xù)的方式占用槽。含有設(shè)備描述（包括名稱和訂貨號等信息）的INTERBUS設(shè)備，可從硬件目錄中進(jìn)行選擇。對于那些沒有設(shè)備描述的設(shè)備，在硬件目錄中含有模塊屬性相同的相應(yīng)通用模塊，可以從中進(jìn)行選擇，如圖7所示。必須知道所要插入的設(shè)備的過程數(shù)據(jù)長度。通過過程數(shù)據(jù)長度，在S7 CPU中可以定義設(shè)備的IO地址。
8.3 結(jié)束語
近二十多年由于通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化控制領(lǐng)域也隨之得到了迅速的提高和改革，自動化工程師不僅將這種新技術(shù)大膽的運(yùn)用到工業(yè)實踐, 而且對如何將現(xiàn)代通信技術(shù)成功地應(yīng)用到工業(yè)自動化控制問題進(jìn)行了激烈的爭論。事實證明現(xiàn)代自動控制的發(fā)展是與現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)的，無論是現(xiàn)場總線還是工業(yè)以太網(wǎng)都對工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、數(shù)字化、智能化和一體化起到了決定性的作用，特別是近10年來興起的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是計算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)向工業(yè)自動化領(lǐng)域的延伸，它的發(fā)展將促使自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革。它集中了自動化控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機(jī)等多種科技成果。由它組成的開放式自動化控制系統(tǒng)，在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用，使傳統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)發(fā)生了重大的變化，其技術(shù)革命的深度和廣度在自動化控制領(lǐng)域是空前的，越來越受到電力、冶金、交通、石化、樓宇、建材、輕工、紡織、礦山、環(huán)保、機(jī)械制造等行業(yè)的廣泛重視和應(yīng)用。
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了徹底地分散控制。工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)既是一個開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它把作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎(chǔ)控制、補(bǔ)償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化的綜合自動化功能。是一項以智能傳感器、控制、計算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，目前在制造領(lǐng)域形成了信控一體化的體系結(jié)構(gòu)，就是以資源規(guī)劃層（代表軟件為ERP）承擔(dān)系統(tǒng)的經(jīng)營管理和生產(chǎn)計劃等管理和計劃工作，以制造執(zhí)行層（MES）完成現(xiàn)場監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度工作，以現(xiàn)場控制層（FCS）實現(xiàn)對底層設(shè)備的控制。底層設(shè)備的信息通過現(xiàn)場總線傳遞到制造執(zhí)行層，并可被資源規(guī)劃層使用，同樣資源規(guī)劃層中的生產(chǎn)計劃也會逐漸細(xì)化通過現(xiàn)場總線傳遞到相關(guān)的設(shè)備控制器中，從而實現(xiàn)制造系統(tǒng)中信息的交換與共享。而工業(yè)以太網(wǎng)將成為這種系統(tǒng)統(tǒng)一的通信技術(shù)。
本系列講座介紹了工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)體系，對工業(yè)以太網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議進(jìn)行了論述，詳細(xì)地介紹了工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，并對工業(yè)以太網(wǎng)的組態(tài)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了論述，介紹了Factory Manager的使用和編程方法，以及工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計的方法和步驟，實際系統(tǒng)的安裝和連接的原則和方法；同時對工業(yè)以太網(wǎng)的診斷與維護(hù)，安全規(guī)范和發(fā)展進(jìn)行了論述，介紹了INTERBUS技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之間的聯(lián)系與發(fā)展，最后也介紹了PROFINET技術(shù)。
當(dāng)然，現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)這兩種工業(yè)通信方法進(jìn)入控制系統(tǒng)有前有后。現(xiàn)場總線在工業(yè)生產(chǎn)實踐中已得到了很廣泛的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其在控制系統(tǒng)現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)傳輸強(qiáng)大的優(yōu)越性。工業(yè)以太網(wǎng)以它的價格優(yōu)勢、技術(shù)成熟、易于與控制系統(tǒng)管理層數(shù)據(jù)的傳送和集合等特點(diǎn),也越來越多得到了人們的重視。究竟在生產(chǎn)實際中應(yīng)該采用什么樣的工業(yè)通信技術(shù)有待于工程技術(shù)人員的不斷探索，以實踐出發(fā)，提出一個實際可行的方案。此系列講座僅僅希望能作為今后采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的一個參考。
作者信息：
張龍 杜品圣（工菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司）
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