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以太网PROFINET编码器
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PROFINET简介
PROFINET简介
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PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PR
　　PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。 　　PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。 　　1. PROFINET实时通信 　　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，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）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（Isochronous Real-Time, IRT）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，以此来保证及时的、确定的响应。 　　2. PROFINET分布式现场设备： 　　通过集成PROFINET接口，分布式现场设备可以直接连接到PROFINET上。 　　对于现有的现场总线通讯系统，可以通过代理服务器实现与PROFINET的透明连接。例如，通过IE/PB Link（PROFINET和PROFIBUS之间的代理服务器）可以强一个PROFIBUS网络透明的集成到PROFINET当中，PROFIBUS各种丰富的设备诊断功能同样也适用于PROFINET。对于其他类型的现场总线，可以通过同样的方式，使用一个代理服务器将现场总线网络接入到PROFINET当中。 　　3. PROFINET运动控制 　　通过PROFINET的同步实时（IRT）功能，可以轻松实现对伺服运动控制系统的控制。 　　在PROFINET同步实时通讯中，每个通讯周期被分成两个不同的部分，一个是循环的、确定的部分，称之为实时通道；另外一个是标准通道，标准的TCP/IP数据通过这个通道传输。 　　在实时通道中，为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗，而实时数据总是按固定的次序插入，因此，实时数据就在固定的间隔被传送，循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在PROFINET上传递，而且不会互相干扰。通过独立的实时数据通道，保证对伺服运动系统的可靠控制。 　　4. PROFINET与分布式自动化 　　随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统的分散程度也越来越高。工业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演进，因此，基于组件的自动化（Component Based Automation，CBA）成为新兴的趋势。工厂中的相关的机械部件、电气/电子部件和应用软件等具有独立工作能力的工艺模块抽象成为一个封装好的组件，各组件间使用PROFINET连接。通过SIMATIC iMap软件，即可用图形化组态的方式实现各组件间的通讯配置，不需要另外编程，大大简化了系统的配置及调试过程 　　通过模块化这一成功理念，可以显著降低机器和工厂建设中的组态与上线调试时间。在使用分布式智能系统或可编程现场设备、驱动系统和I/O时，还可以扩展使用模块化理念，从机械应用扩展到自动化解决方案。另外，也可以将一条生产线的单个机器作为生产线或过程中的一个"标准模块"进行定义。作为设备与工厂设计者，工艺模块化能够更容易、更好地对您的设备与系统进行标准化和再利用。使您能够对不同的客户要求更快、更具灵活性地作出反应。您可以对各台设备和厂区提前进行预先测试--极大地缩短系统上线调试阶段。作为系统操作者，从现场设备到管理层，你都可以从IT标准的通用通讯中获得好处。对现有系统进行扩展也很容易。 　　5. PROFINET网络安装 　　PROFINET支持除星形、总线形和环形拓扑结构。
为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便的实现PROFINET的安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并且在PROFINET框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。 　　6. PROFINET IT标准与网络安全 　　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。 　　PROFINET实现了从现场级到管理层的纵向通讯集成，一方面，方便管理层获取现场级的数据，另一方面，原本在管理层存在的数据安全性问题也延伸到了现场级。为了保证现场级控制数据的安全，PROFINET提供了特有的安全机制，通过使用专用的安全模块，可以保护自动化控制系统，使自动化通讯网络的安全风险最小化。 　　7. PROFINET故障安全 　　在过程自动化领域中，故障安全是相当重要的一个概念。所谓故障安全，即指当系统发生故障或出现致命错误时，系统能够恢复到安全状态（即"零"态），在这里，安全有两个方面的含义，一方面是指操作人员的安全，另一方面指整个系统的安全，因为在过程自动化领域中，系统出现故障或致命错误时很可能会导致整个系统的爆炸或毁坏。故障安全机制就是用来保证系统在故障后可以自动恢复到安全状态，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。 　　PROFINET集成了PROFISafe行规，实现了IEC61508中规定的SIL3等级的故障安全，很好的保证的整个系统的安全。 　　8. PROFINET与过程自动化 　　PROFINET不仅可以用于工厂自动化场合，也同时面对过程自动化的应用。工业界针对工业以太网总线供电，及以太网应用在本质安全区域的问题的讨论正在形成标准或解决方案。PROFIBUS国际组织计划在2006年的时候会提出PROFINET进入过程自动化现场级应用方案。 　　通过代理服务器技术，PROFINET可以无缝的集成现场总线PROFIBUS和其它总线标准。今天，PROFIBUS是世界范围内唯一可覆盖从工厂自动化场合到过程自动化应用的现场总线标准。集成PROFIBUS现场总线解决方案的PROFINET是过程自动化领域应用的完美体验。 　　作为国际标准IEC61158的重要组成部分，PROFINET是完全开放的协议，PROFIBUS国际组织的成员公司在2004年的汉诺威展览会上推出了大量的带有PROFINET接口的设备，为PROFINET技术的推广和普及起到了积极的作用。随着时间的流逝，作为面向未来的新一代工业通讯网络标准，PROFINET必将为您和您的自动化控制系统带来更大的收益和便利。
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PROFINET是一個開放式的通訊協定，是由PROFIBUS & PROFINET國際協會所提出。PROFINET應用TCP/IP及資訊科技的相關標準，是實時的工業乙太網。自2003年起，PROFINET是IEC 61158及IEC 61784標準中的一部份。
PROFINET有模組化的結構，使用者可以依其需求選擇層疊的機能。各機能的差異是在於為了滿足高速通訊的需求，而對應資料交換種類的不同。
PROFINET可分為PROFINET CBA及PROFINET IO二種：PROFINET CBA適合經由TCP/IP，以元件為基礎的通訊，PROFINET IO 則使用在需要實時通訊的系統。PROFINET CBA和PROFINET IO可以在一個網路中同時出現。
PROFINET IO是為分散式週邊的（RT）及：）實時（IRT）通訊所設計。其名稱RT及IRT只是在說明配合PROFINET IO通訊時的實時特性。
為了達到上述的通訊機能，定義了以下三種的通訊協定等級。
是針對PROFINET CBA及工廠調試用，其反應時間約為100ms。
RT（實時）通訊協定是針對PROFINET CBA及PROFINET IO的應用，其反應時間小於10ms。
IRT（等時實時）通訊協定是針對驅動系統的PROFINET IO通訊，其反應時間小於1ms。
利用以太網的分析工具可以紀錄及顯示的PROFINET通訊協定的封包，也有一些軟體可以解讀PROFINET的資料幀。
一個PROFINET CBA系統會包括許多自動化的元件，元件可能是機械的、電子的或是IT的變量，元件可以由標準的編程工具產生。
元件可由XML格式的PROFINET元件描述（PCD）檔來說明。規劃工具載入這些描述資料，並建立不同元件之間的邏輯關係。此模式相當程度地受到：）標準的影響。
PROFINET CBA的基本概念是很多時候自動化系統都可以分為幾個小的子系統，彼此有清楚的區分。PROFINET元件一般只由少數幾個輸入信號控制，藉由這些元件，用戶寫的程式啟動了元件中的特定機能，將輸出信號傳遞給另一個元件。其中用到的技術是製作商中立的。以元件為基礎的通訊只需要進行規劃，不需要進行編程。PROFINET CBA的通訊（非實時通訊）適用於總線周期時間在50...100微秒的系統。
PROFINET網路和的通訊是藉由PROFINET IO來實現，PROFINET IO定義和現場連接的外部设备的通訊機能，其基礎是級聯性的實時概念，PROFINET IO定義控制器（有「主站機能」的設備）和其他設備（有「從站機能」的設備）之間完整的資料交換、參數設定及診斷機能。PROFINET IO是設計用來在以以太網連接的設備提供快速的資料傳輸，且支援生產者－消費者模型（provider-consumer model）。支援PROFIBUS通訊協定的設備可以無縫的和PROFINET網路連接，不需要IO（IO-Proxy）之類的設備。設備開發者可以利用市面上販售的以太網控制器來開發PROFINET IO設備。PROFINET IO適用在網路循環時間在數ms的系統。
PROFINET IO系統包括以下幾種設備：
IO控制器，控制自動化的任務工作。
IO設備，一般是現場設備，受IO控制器的控制及監控，一個IO設備可能包括數個模組或是子模組。
IO監控器是一個PC的軟體，可以設定參數及診斷個別模組的狀態。
PROFINET IO會在IO控制器及IO設備之間建立應用關係（Application Relation,AR），應用關係中會定義有不同的參數傳遞、週期資料交換及警告處理等特性的通訊關係（Communication Relations,CR）。
一個IO設備的特性會由設備製造商在GSD（General Station Description）檔中說明，所使用的語言是GSDML（GSD標記語言），GSD檔提供PC監控軟體規劃PROFINET組態所需要的基本資料。
PROFINET網路中的每個模組都有以下的三個位址：
設備名稱，是在整個網路組態中對模組定義的邏輯名稱。
由於PROFINET使用，會用到MAC位址及IP位址，但若一設備更換為其他設備，其MAC地址會變動，而IP位址是動態定址下的結果，為了讓網路上的某一設備有固定的名稱，因此會使用設備名稱。
為了分配IP位址、子網路遮罩及預設閘道，定義了以下的二種方式：
：）（發現和配置協定）。
（動態主機設定協定）。
在PROFINET IO網路中，程序資料和警告都是實時（real time，RT）傳送。PROFINET的實時是依IEEE及IEC的定義，在一個網路週期內允許在有限的時間內處理實時的服務。實時通訊是PROFINET IO資料交換的基礎。在處理時，實時資料的優先權比TCP(UDP)/IP資料要高。PROFINET RT是分散式週邊實時通訊的基礎，也是PROFINET元件模型（PROFINET CBA）的基礎。一般資料交換的總線循環時間約在數百微秒以內。
PROFINET的等時資料交換定義在等時實時（isochronous real time，IRT）機能中。具有IRT機能的PROFINET IO現場設備有整合在現場設備中的switch ports，可以用例如像以太網控制器ERTEC 400/200為基礎。一般資料交換的總線循環時間約從數百毫秒至數微秒。等時通訊和實時通訊的差異是前者有高度的確定性，因此總線週期的啟始時間可維持到很高的準確度，其抖動至多到1 us (jitter)。像馬達位置控制程序的運動控制應用就會用到等時實時通訊。
應用行規（profile）是特殊設備或針對特別應用而事先定義的函數及特性組態。PROFINET應用行規由PI（PROFIBUS & PROFINET國際協會）工作小組所訂定，由PI發佈。應用行規有助於設備的開放性、互操控性及互換性，因此終端使用者可以確定不同設備商提供的類似設備會有標準化的功能及使用方式。使用者的選擇促進設備商的競爭，使得產品的機能提昇，成本下降。
PROFINET有許多的應用行規，例如針對的應用行規，也有針對運動控制（PROFIdrive）及（PROFIsafe）的應用行規。甚至針對火車也有專用的應用行規。在2009年德國的汽車製造商提出了PROFIenergy應用行規，主要在管理車輛製造時產生的能源消耗。
PROFINET支持工具調用接口（Tool Calling Interface，簡稱TCI），每一個設備製造商用任何支援TCI機能的軟件進行現場設備的參數化和診斷，無需退出程序。
鄰近識別及設備替換：所有PROFINET都會識別鄰近的設備，因此若設備故障，可以在不需額外工具及先驗知識的情形下更換設備。藉由這些資訊，可以用圖像的方式清楚的呈現系統的拓撲。
參數伺服器：個別的資料可以用製造商中性的方式（例如TCI）載入到參數伺服器中，參數伺服器也會自動將參數歸檔。當更換設備時參數伺服器也會自動重新載入相關資料。
確定性：PROFINET支援確定性的資料傳遞，可用在高準確度的控制任務中。
冗餘：PROFINET中的冗餘概念大幅提昇系統的可用性。
Application Layer protocol for decentralized periphery and distributed automation, Specification for PROFINET, Version 2.3, October 2010, Order No.: 2.722, PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO)
Industrial communication with PROFINET, Manfred Popp, Order no.: 4.182, PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO)
Raimond Pigan, Mark Metter: Automating with PROFINET, 2nd rev. and enl. edition. 2008,先进的工业以太网PROFINET_百度文库
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