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1  引言

    PROFINET最早由西門子公司于2001年提出，涵蓋了包括實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題，PROFINET可以完全兼容標準以太網TCP/IP協議，透明地集成各種現場總線（例如PROFIBUS）技術，有效的保護用戶投資。作為新一代開放的工業以太網標準，PROFINET為建立離散控制、分布式智能控制、運動控制、過程控制、安全系統、MES的統一平臺提供了可能，并將最終改變工業自動化的面貌。

2   PROFINET CBA

    工業自動化的最終目的永遠是提高生產力，降低成本。隨著計算機技術的發展成熟，設備的智能化程度越來越高，這導致兩個突出的現象：

    (1)  工業自動化系統的規模越來越大。隨著工業設備智能化程度的不斷提高，越來越多的子系統和現場設備被納入到整個控制系統中，自動化系統的規模從生產線級、車間級直到工廠級，在某些行業當中，集團級的自動化也開始成為現實。

   (2)  工業自動化系統的分散程度也隨之提高。隨著芯片技術的發展，越來越多的智能集中于一塊小小的芯片上，導致控制系統的分散程度愈來愈高，因此，各分散系統之間的整合在自動化系統中扮演的角色變得越來越重要。

    由此可見，隨著自動化技術的不斷發展，工業控制系統在完成了集中式自動化到分散式自動化的演變后，正在大踏步的邁向下一個階梯―分布式自動化。
 
    PROFINET CBA（Component Based Automation，基于組件的自動化）技術正是在這樣一個背景下誕生的新技術。在基于PROFINET通訊技術構建的CBA架構中，工廠中的相關的機械部件、電氣/電子部件和應用軟件等具有獨立工作能力的工藝模塊抽象成為一個封裝好的組件，各組件間使用PROFINET連接。通過SIMATIC iMap軟件，即可用圖形化組態的方式實現各組件間的通訊配置，不需要另外編程，大大簡化了系統的配置及調試過程。

    通過模塊化這一成功理念，可以顯著降低機器和工廠建設中的組態與上線調試時間。在使用分布式智能系統或可編程現場設備、驅動系統和I/O時，還可以擴展使用模塊化理念，從機械應用擴展到自動化解決方案。另外，也可以將一條生產線的單個機器作為生產線或過程中的一個“標準模塊”進行定義。作為設備與工廠設計者，工藝模塊化能夠更容易、更好地對用戶的設備與系統進行標準化和再利用。使用戶能夠對不同的客戶要求更快、更具靈活性地作出反應，并可以對各臺設備和廠區提前進行預先測試―極大地縮短系統上線調試階段。作為系統操作者，從現場設備到管理層，用戶都可以從IT標準的通用通訊中獲得好處。對現有系統進行擴展也很容易。

    在現有的自動化系統中，生產線的子系統可分別由不同的供應商實現，但為了實現整個系統的調試，只能在所有機械部件，包括控制系統運送到工廠后才能進行在線調試。如果各系統模塊不能提前就位，整個生產線或設備的運轉就要相應推遲。模塊不能同時調試，因為不同的調試工程師不能在中央控制系統上并行工作。

   為了解決這個問題，西門子公司提出了基于組件的自動化(CBA)的概念。將確定的功能模塊打包成為標準的組件，并為組件定義標準的接口，以實現組件間的標準通訊。例如，在圖1所示的系統中，將機械設備、電氣/電子器件和用戶程序（軟件）打包為一個獨立的技術功能模塊，即一個獨立的組件。

圖1  自動化系統中的CBA組件

    在CBA的組態工具iMap中，組件即顯示為圖1右側所示的軟件模塊。完成打包之后，該打包好的模塊就可以按照搭積木原理輕松組合和再利用。對于自動化中的應用，采用Microsoft部件模型COM/DCOM，因為這是在PC領域中最廣泛使用的數據與通訊模型。它確定了不同設備軟件部件間數據交換的協議。

    同時，由于模塊使用了標準的接口，這使得各個模塊之間的連接變得極為簡單。在部件技術中，一個技術功能模塊的整個功能模塊是由機械和電氣單元及控制程序組成的單元，以軟件部件的形式來表現。對部件接口的訪問是標準化的或統一定義的。只有那些需要與其它部件相互作用或用于診斷、顯示、連接到制造執行系統的變量在接口處可得。這樣不同的部件可象模塊一樣組合，完全獨立于其內部程序。

3  使用PROFINET CBA技術的優點

    (1)  組件技術

    基于組件的自動化是全集成自動化的新概念，進行通訊更加容易。基于組件的自動化利用已在IT界確立的軟件部件技術優勢將基本原理傳遞給自動化應用。用戶軟件可以這樣利用搭積木原理進行結合并更好地再利用。

    (2) 系統范圍內的工程與組態

    從更高的、技術的觀點來看，設備和子系統更好地結合了。這樣可以在多臺設備間進行一條生產線或整個工廠的橫向集成。

圖2  跨供應商的PROFINET CBA系統

    (3)  通訊組態代替編程

    用戶不需要再煩瑣地對智能設備間的通訊關系進行編程，而只需簡單適用圖形化的組態界面就可以實現整個系統的通訊。

    (4)  從公司管理層直到過程層的直接數據訪問

    IT通訊標準在自動化中的應用使公司所有層級都可以直接訪問過程數據。簡化了自動化級到MES（制造執行系統）級的連接。

    (5)  基于標準

    基于部件的自動化采用PROFINET標準，是運用基于組件的自動化，用戶甚至可以使用其它設備的組件而無需附加成本。

CBA技術基于新的PROFINET標準，大大簡化了模塊化的設備與工廠建設。這一新概念用整個系統的技術觀點提供了跨供應商的工程方法。因為組件和通訊接口都是標準的，因此，使用CBA技術可以真正實現跨供應商的完整系統。如圖2所示。

    因此，使用PROFINET CBA技術的用戶在構建自己的自動化系統時，可以獲得極大的方便，不同類型的用戶都能夠受益。

    對系統集成商或OEM設備提供商：

    ?  將全部功能劃分為可管理的小應用；
    ?  由于各設備單元或模塊可以提前預測試和調試，加快了系統上線調試；
    ?  用戶軟件容易再利用；
    ?  由于客戶指定的設備/工廠可以從各種標準庫模塊快速組態，設備/工廠標準化了；
    ?  可以徹底縮短項目完成時間。而且各設備單元/模塊可以由不同的廠商預制并運送到工廠。

    對作為終端用戶的工廠運營者：

    ?  通過從現場級到管理層的直接數據訪問使過程優化；
    ?  采用IT標準更容易將自動化數據集成到全公司IT環境中去；
    ?  用部件技術更容易擴展現有工廠；
    ?  工廠擴展更易于集成到現有IT環境中去；
    ?  由于模塊自治運行，提高了可用性；
    ?  全生產線來自不同廠商的設備更容易集成。

    PROFINET CBA技術的出現，將影響未來工廠自動化系統的架構設計和實施方式，最終實現幫助用戶提高生產力、降低成本的目標。