PROFINET工业以太网的优势及故障诊断

丁方旭 刘汉民 马国志

摘要： PROFINET是西门子公司推出的新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，它以稳定性、高效率和高性能等优势被广泛应用，在工业控制系统的地位变得越来越重要。本文介绍了PROFINET的网络结构、通讯方式及其优势，总结归纳了6种常用的PROFINET故障诊断方法。

关键词： PROFINET技术;工业以太网;故障诊断

一、前言

PROFINET是由ROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出的新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，它完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，用于实现工业以太网的集成和一体化的自动控制解决方案。PROFINET工业以太网以其稳定性、高效率和高性能等优势被广泛应用。

二、 PROFINET简介

2.1  网络结构

（1）星形拓扑结构。所有的站点连接到一个交换机上，呈现为星形分布。单个PROFINET设备故障时，不会自动导致整个网络出现故障，它增加或去除站点灵活，容易管理、监督和诊断网络，但是布线麻烦，成本较高。星形网络多应用在设备密度高、距离短的区域。

（2） 线形拓扑结构。所有的站点彼此串联连接，PROFINET的线形拓扑结构类似于PROFIBUS的总线型结构。它的布线成本最节省，网络安装简单，对于布局范围较广的工厂，优先使用线型拓扑结构。但当某個设备出现故障时，该设备故障下游的通信将无法进行，网络将会瘫痪。

（3） 树形拓扑结构。星形、线形拓扑结构连接到一起就组成了树形拓扑结构，如图1所示。树形拓扑结构可以将复杂设备的安装分成几个部分，作为自主设备来进行通信。实际应用中多采用树形拓扑结

2.2  通讯方式

为保证通信实时性，需对信号传输时间做精确计算，根据响应时间的不同，PROFINET支持以下3种通信方式：

（1）TCP/IP标准通信。PROFINET使用以太网和TCP/IP协议作为通信基础，在任何场合下都提供对TCP/IP通信的绝对支持，TCP/IP标准通信主要用于设备参数化、组态、读取诊断数据。

（2）实时（RT）通信。为了能够满足自动化中的实时要求，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层的实时通信通道，提高了自动化数据刷新方面的性能，系统对实时响应时间缩短到5～10ms，因此PROFINET获得等同甚至超越传统现场总线系统的实时性能。

（3）等时实时（IRT）通信。等时实时（IRT）通信是一种同步通信协议，用于在 PROFINET 设备之间循环交换 IRT 数据。PROFINET支持高性能同步运动控制的等时实时（IRT）通信，其高精度确定性可获得最高的控制质量，因而可精确定位轴。

三、PROFINET优势

与PRIFIBUS相比，PROFINET具有功能更加完善、系统稳定性加强、使用更方便等诸多优点，它不仅继承了PRIFIBUS在工业应用的性能要求，也将以太网的优势融入其中，是一个灵活性、高效率和高性能的系统。

（1）灵活性。PROFINET灵活性非常突出，在工业环境下可实现无线局域网的控制，从网络的任何一点或通过WLAN ，随时随地能访问需连接的设备。同时网络安装简单、方便，从而提供高度的灵活性。另外可将PROFIBUS现场设备集成到PROFINET网络中来，保护现有的设备投资。

（2）高效率。PROFINET不仅可以通过一根线缆集成所有的控制需求，还可从设备中读取大量诊断数据，快速定位故障。同时，在不借助编程软件情况下，可简单、快速、准确地对网络及网络内的设备进行诊断。

（3）高性能。PROFINET的高性能最为直接的体现是在方便安装的同时，网络抗干扰能力大幅提升，为控制系统的稳定运行提供了保障。同时，PROFINET具备更可靠的数据传输，可实现精准的运动控制。

四、 PROFINET故障诊断

PROFINET网络故障时，首先要对故障现象进行详细的分析，列举可能引起的原因，常用的故障诊断方法有以下几种：

（1）通过LED指示灯诊断。借助于PROFINET设备的 LED的状态和错误指示灯，可快速准确判断通讯中的错误或 PROFINET 模块的错误状态。

（2）通过 S7-1500 CPU显示屏进行诊断。S7-1500 CPU带有一个显示屏和一些操作按键，可在不同菜单中显示控制与状态信息。

（3）借助以太网测线仪。借助以太网测线仪可快速判断双绞线的连通性，快速判断出网络布线是否存在断线问题。

（4）通过 PING 命令。在运行命令框中输入cmd，在弹出的DOS窗口下，通过 PING 命令可以简易快速地检查网络是否通畅或者网络连接的速度。

（5）通过STEP 7在线诊断。双击“设备与网络”可以显示在线系统状态及组态信息;双击故障模块，可显示故障模块的信息。在工作区中打开设备视图，可以直接看到哪个模块发生故障;在“诊断” 的“设备信息”中，可以查看详细的错误描述信息。

（6）通过 Web 服务器进行诊断。西门子集成PN接口的CPU集成Web服务器，可快速获取I/O设备的状态和详细的故障信息，如诊断缓冲区、运动控制诊断、网络拓扑等信息。连接Web服务器的客户端，例如使用手机，打开IE浏览器输入CPU的IP地址，即可在线浏览CPU的信息。

五、结语

PROFINET技术是一种优越的通信技术，它的网络结构多样、传输速率更高、抗干扰更强。它不仅为设备的稳定运行和精确控制提供了有力保障，而且功能更加完善、使用方便，故障诊断灵活快捷。如今PROFINET已成为西门子所有新产品的通信标准，是“自动化”工业网络的未来，也为工厂可实现“信息化”奠定了基础。

参考文献：

[1] 西门子有限公司.PROFINET系统说明[Z].2012

[2] 吴永辉，曹琦.PROFINET工业网络的故障诊断[J]，2019

[3] 张琦，尹嘉娃.PROFINET与PROFIBUS现场总线比较与应用[J].湖南工业大报，2014