基于以太网的工业网络PROFINET技术概览

张丹丹

ZHANG Dan-dan

（现场总线专业委员会，北京 100120）

0 引言

随着企业生产自动化水平的迅速提升和企业信息化进程的加快，企业的应用需要将企业管理层与自动化系统连接，以实现纵向的透明通信和信息集成，要求采用统一的网络结构，以简化工程设计、适应迅速变化的市场，要求既能使用现有的IT技术又能保护原有的投资等。国际标准IEC 61158中第10类型：Profinet较好地解决了这些问题。

1 PROFINET概述

Profinet是PI（PROFIBUS国际组织）提出的开放性标准，用于实现基于工业以太网的集成自动化解决方案。它包含两个主要部分：Profinet IO（分布式I/O）和Profinet CBA（基于组件的分布式自动化系统）。使用Profinet，能使简单的分布式I/O和严格时间要求的应用以及基于组件的分布式自动化系统集成到以太网通信中。

2 Profinet I/O

Profinet IO是使用以太网连接和Profinet通信的分散的外围设备。这些现场设备不仅能够传输数字、模拟输入和输出信号，还具有预处理功能。Profinet IO的关注点是采用简单的通信设备实现适合的数据传输。为了保护现有投资，从Profibus用户观点来看，将其与Profinet相结合。其中最重要的方面如下：

1）用于Profibus的外围设备模块的使用；

2）成套装备工程设计过程；

3）安装工程及现场设备的编程。

Profinet IO同Profibus类似，区分不同的设备角色，一个设备可能包含多个角色，如IO控制器、IO监视器和IO设备。图1展示了在Profinet IO中不同类型设备之间的通信路径。

图1 在Profinet IO中不同类型设备之间的通信路径

Profinet IO现场设备总是通过作为网络部件的交换机来连接。这样，使用单独的多端口交换机就可形成星型拓扑，或使用集成在现场设备中的交换机就形成线型拓扑。

其现场设备模型区分为两种：紧凑型现场设备（只有1个模块的单元化设备）和模块化现场设备。设备访问点是到以太网接口的总线接口（通信访问点）和处理程序。

Profinet IO提供两种数据通信方式：

1）循环数据通信：循环的I/O数据被作为提供者与消费者之间的实时数据的无确认传输。

2）非循环数据通信：非循环数据通信可以用来参数化和组态IO设备或读出状态信息。使用UDP/IP的标准IT服务read/write来完成。

Profinet IO传输高优先权的事件，比如报警。它区分为两种：过程报警（用于来自于相关过程的事件）和诊断报警（用于来自于设备内部的错误或事件），二者均可以由用户来区分不同的优先级。

Profinet IO的工程设计使用多年来使用Profibus系统的集成商熟知的方法来完成。在组态期间，分布式现场设备被分配给一个或多个控制器。

3 Profinet CBA

Profinet CBA（Component-Based Automation），即基于组件的自动化，它满足成套装备构造者和操作者对于系统级的工程设计过程与制造商无关的要求。现有的现场总线系统与以太网的无缝集成是从企业级到现场级所需连续性的一个重要方面。

Profinet CBA以工艺技术模块（许多自动化系统可分为多个自治工作段，在Profinet中，这些工作段成为工艺技术模块。）的面向对象的模型化为基础。这些模块的功能采用统一的Profinet定义方式进行封装。从外部，可通过统一的接口访问Profinet组件，因此可以任意地进行连接。

图2 一个Profinet组件代表自动化系统的一个自治部分

图3 适用于任何领域的可伸缩的PROFINET通信

这种方法设计的分布式自动化系统可实现设备和机器的模块化，因此，它们很容易再次应用于新的生产布局。这大大缩减了工程成本。

4 Profinet的三种通信方式

Profinet的通信基础为以太网及TCP/UDP和IP。根据响应时间的不同，Profinet支持下列三种通讯方式：

1）TCP/IP标准通讯

Profinet的这种通讯方式基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP 是IT 领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100 ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。

2）实时（RT）通讯

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格控制工程网版权所有，因此，Profinet提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，Profinet实时通讯（RT）的典型响应时间是5-10ms。

3）等时同步实时（IRT）通讯

在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制（Motion Control），Profinet的同步实时技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1µs，以此来保证准时的、确定的响应。

5 网络安装

国际标准的ISO/IEC 11801和其欧洲等同标准EN 50173定义了应用中立信息技术标准的网络连接，构建与应用无关的敷设系统。这些标准不考虑工业环境中Ethernet网络的特定要求，例如安装特定的配线，每台设备/机器不同级别的联网，线性的网络结构，坚固的、工业兼用的电缆，满足特殊EMC，温度，湿度，灰尘或震动要求的插入连接器。

6 IT集成

Profinet的一个重要特征就是可以同时传递实时数据和标准的TCP/IP数据。在其传递TCP/IP数据的公共通道中，各种业已验证的IT技术都可以使用（如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的时候，我们可以使用这些IT标准服务加强对整个网络的管理和维护，这意味着调试和维护中的成本的节省。

7 网络安全

自动化系统安全的核心是确保工业安装和生产过程的可用性、可靠操作，保护工业设备和生产过程，以及操作人员人身安全。自动化系统内潜在的危险来自于外界和内界。

当办公室领域安全理念不能够真正满足自动化竞技场上的特定需求时，必须开发自动化技术中的数据安全理念。Profinet安全理念包括通常的IT访问控制，数据加密，授权以及安全性相关事件的记录。

安全单元之间或客户机和单元节点之间的数据传输也可加密，从而防止数据被窃取和数据被操纵。这在通过Internet为实现维护干预的远程访问时尤为显著。

自动化技术的当前趋势和用于通过Internet远程维护的Ethernet的不断使用，相当大程度上增加了来自黑客攻击，数据操纵，间谍活动，病毒，蠕虫和特洛伊木马的潜在危险。

图4 Profinet信息安全概念的核心是对自动化网络进行有信息安全目的的分割

其安全的核心是自动化网络的安全性分段。构建受保护的自动化单元。专用安全网络部件（例如交换机或安全器件）保护单元内的网络节点，该部件控制来往于单元的数据传输，并检查访问特权，仅允许授权的数据传输。采用一个特定的安全客户机软件，可执行PC客户机到安全自动化设备的访问。因此，终端不再需要它们自身的安全功能。安全单元之间或客户机和单元节点之间的数据传输也可加密，从而防止数据被窃取和数据被操纵。这在不可靠网络中的通信情况下特别重要，例如通过Internet为实现维护干预的远程访问。

8 功能安全

对于安全相关应用，Profibus使用了PROFIsafe，那么，相对于同样的应用，Profinet也可使用该行规的一部分。它定义了面向安全的设备（应急切断开关，光栅，溢出保护系统等）如何通过一个足够安全的网络，传输安全控制信息，它们能够用于达到EN954 KAT4，AK6或SIL3（Safety Integrity Level安全完整性等级）安全等级的面向安全的自动化任务。采用一种行规，可实现安全通信，即使用特定格式的用户数据和一个专用的协议。

9 Profinet和MES

自动化系统与制造执行系统（MES）、企业资源计划（ERP）的结合是公司范围内集成信息系统的一个热门话题。虽然在IEC 62264规范中定义了MES和ERP之间的接口，但迄今为止，还没有MES和自动化系统之间的接口的规范。随着“维护”这个主题在工厂和过程自动化中越来越重要，Profinet便首先支持维护操作。

在维护中，基于状态维护的过程成为当前的重点。它基于设备和部件的能力，来确定其状态并通过约定的机制进行传输。

除了维护状态外，设备和部件能提供最新“类型平台信息”，以及功能和本地赋值所需要的信息，这是MES维护操作的一个重要先决条件。

10 驱动应用

PROFIdrive驱动行规应用层描述了来自控制应用的驱动接口，以及映射到Profibus和Profinet通信网络。行规包括从简单变频器到高端的动态伺服驱动器的应用情况。

11 现场总线的集成

为了实现基于现场总线和Ethernet网段构成的系统结构的任意混合，Profinet规定了一个模型，用于集成已有Profibus和其它现场总线系统，如Interbus和DeviceNet。由于保护投资的原因，支持大量现有现场总线系统的集成是必须的。

使用代理服务器，现场总线方案可无缝连接到Profinet系统中。代理服务器可作为Ethernet上的现场总线设备的代表运行。它可将连接到下方现场总线系统的节点集成到Profinet系统。这使得现场总线的优势，比如高动态性，本地精确诊断，以及自动系统组态，能够用于Profinet领域，而无需在设备内进行设置。通过使用现场总线系统的诊断能力，传输简化了规划编制。也可支持通常的设备和软件工具，并将其集成在系统管理结构中。

12 结束语

Profinet适用于所有先进制造业的工业以太网，是自动化工业网络的“未来”。在轻松地集成现有系统及设备的同时，将以太网的多样性功能带入工厂车间级。它促进了更快、更安全、更加低成本、更高品质的生产制造。在中国，Profinet CBA部分已成为我国国家标准化指导性技术文件（GB/Z 20541-2006），《工业通信网络现场总线规范 类型10：PROFINET IO规范》也在2010年11月正式成为国家标准指导性技术文件，其标准号为：GB/Z 25105.1–.3-2010。

[1]PROFINET快速入门.中国现场总线专业委员会（CPO）.

[2]www.profinet.com,PI White Paper Strategic Overview：PROFIBUS + PROFINET.

[3]www.profinet.com，PI White Paper：PROFINET and IT.

[4]www.profinet.com,PROFINET Technology and Application -System Description.

[5]www.profinet.com,MES and PROFINET.

[6]www.profinet.com，Fieldbus Integration into PROFINET IO.

[7]www.profinet.com，PROFINET Installation Guide.

[8]www.profinet.com，PROFINET IO and CBA Specification.

[9]PROFINET技术和应用（系统描述）.中国现场总线专业委员会（CPO）.