工业物联网时代的PROFINET权威指南
简述
- PROFINET是一种工业以太网标准，专为自动化系统与现场设备之间的通信设计。
- 在过程行业，它能快速可靠地实现数据交换，以便用于控制和监测目的，以及将传感器、执行器和控制器集成至数字网络中。
- 具备高度灵活性，可实现不同自动化层级之间的无缝连接，从而改进工厂透明度、诊断能力和效率，同时支持工业物联网和数字化转型举措。
- 本文研究了PROFINET在过程工厂中的实施方法，并指出了它与EtherNet/IP的不同之处。
工业网络和协议
尽管4...20 mA和HART仍被广泛使用，数字网络在工业环境中正日益受到青睐，因为它们更契合数字化转型举措。关于模拟系统是否仍然具备价值的讨论屡见不鲜，因为它们稳健可靠且简单易用，能够简化现场操作。然而，问题仍然存在：我们如何实现现场设备与控制系统之间的透明互连？
现代控制器和设备可以生成大量数据，因此需要采用高级通信协议，例如Modbus RS485、OPC和PROFIBUS DP。此外，FOUNDATION Fieldbus H1、PROFIBUS PA和PROFINET等技术可提供更强大的集成能力。这些工业网络将现场设备连接至控制器，能够实现诊断、组态设置以及各项高级功能，远非纯模拟系统所能企及。
尽管有上述进步成果，4...20 mA技术仍在这一领域占据主导地位，这主要源于供应商理念与用户实际需求之间的鸿沟，以及数字网络的复杂性延缓了模拟技术的淘汰进程。然而，工业物联网和人工智能的兴起加速了数字化进程，使基于以太网的协议和无线通信在新项目中的应用越来越普遍。趋势显而易见，那就是更多的数字化解决方案即将登场，我们必须做好迎接它们的准备。
以太网的基本概念
安装路由器或任何联网设备时，您很可能会接触到以太网电缆。许多人认为“以太网”仅仅指电缆本身；事实上，电缆代表的恰恰是以太网网络的物理层。
以上述电缆为载体，以太网支持多种通信协议。常见的例子包括互联网协议（IP）和传输控制协议（TCP），它们在日常应用中非常普遍。然而，工业环境需要更多协议来满足日益复杂的需求。
工业生产设施
在工厂车间，控制器必须能够以极快的响应速度访问来自驱动器、输入/输出设备和工作站的数据；而网络必须能够耐受磨损、水汽、温度波动等严苛工况条件。为满足这些需求，自动化专家开发了工业以太网，而PROFINET在此基础上应运而生，成为了一种稳健可靠的工业以太网协议。
什么是PROFINET？
PROFINET是一种基于以太网的工业通信协议，用于将传感器、执行器等过程设备连接至控制系统。它由PROFIBUS和PROFINET国际组织（PI）与多家行业合作伙伴合作开发。
此协议符合IEEE 802以太网标准，并由IEC 61158和IEC 61784标准进行了规范化，确保能够将各种设备无缝集成至同一网络中。例如，打印机和流量计可以在同一基础设施中共存。与典型的家庭网络不同，PROFINET提供极短的循环周期，通常可达亚毫秒级，非常适合工业自动化领域。
为理解其结构，我们可以参照ISO/OSI模型，其定义了网络通信的七层框架。以太网通常采用四层模型：
- 以太网：物理层与数据链路层
- IP协议：网络层
- TCP或UDP协议：传输层
- 其他协议：特定功能
PROFINET通常遵循上述模型，但在一些应用中会绕过某些层级。例如，为加快通信速度，实时（RT）PROFINET省去了网络层和传输层。
- TCP/IP：用于配置、设置和循环读/写操作
- 实时（RT）通信：用于循环周期1至10毫秒之间的自动化任务
- 等时实时（IRT）通信：用于通过定时切换实现高精度同步通信
这种分层方法可确保灵活性、速度和可靠性，使得PROFINET成为现代工业自动化和工业物联网集成的基石。
PROFINET I/O系统
PROFINET采用提供者-消费者模型进行数据交换，取代了PROFIBUS使用的传统主从模式。PROFINET系统中的设备通常分为三类：
- 控制器：通常是执行自动化程序的可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS）。控制器将输出发送至I/O设备，并接收此类设备的输入，功能类似于PROFIBUS中的1类主站。
- 设备：传感器、执行器等现场设备，通过以太网连接与控制器通信，功能类似于PROFIBUS中的从站。
- 监视器：PC、HMI等系统或诊断工具，用于监测、调试和故障排除，功能类似于PROFIBUS中的2类主站。
PROFINET I/O系统至少需要一台控制器和一台设备，但具体配置可能存在很大差异：例如多台控制器连接一台设备，一台控制器连接多台设备，甚至可以是多台控制器连接多台设备。监视器通常在调试或诊断过程中临时使用。
除了上述核心要素外，PROFINET网络还包含交换机和无线接入点等部件。一些部件可作为I/O设备，提供更强的诊断能力。
设置PROFINET设备
如需设置PROFINET I/O设备，两个要素至关重要：监控工具和通用站描述文件（GSD）。由设备供应商提供的GSD文件与PROFIBUS中使用的文件相似，但采用基于XML的GSDML格式。
完成设置后，控制器会下载GSDML文件，与所连接设备建立通信。由此，循环数据（例如输入与输出）在控制器与设备之间持续流动，而非循环数据（包括诊断信息）则按需进行交换。
PROFIBUS与PROFINET之间的区别
选择PROFIBUS还是PROFINET取决于具体应用要求。PROFIBUS是一种基于串行通信的成熟数字通信协议，而PROFINET是一种基于工业以太网的现代协议。PROFINET提供更高的带宽与更短的通信周期，支持传输更大的数据包。
可在此处查看PROFIBUS和PROFINET之间的区别：
与无线技术的兼容性是PROFINET的另一大优势。作为基于以太网的标准，它可以根据需要与Wi-Fi或蓝牙集成，为移动与远程连接提供灵活性。
PROFINET与工业物联网
互联性与开放性是构建高效工业物联网系统的基础。收集准确的现场数据对于生成可行见解至关重要，而PROFINET还为现场设备和工业物联网生态系统（例如Endress+Hauser的Netilion）之间提供了可靠透明的连接桥梁。
与其他协议的兼容性是PROFINET的一大优势，这使得操作员能够顺利过渡到数字化时代，而无需放弃熟悉的基础设施。此外，OPC UA等开放式标准与PROFINET进行协同，可将数据从现场导出至上层系统，实现与云数据库的无缝集成。
PROFINET已成为工业物联网的关键推动技术，其重要性将持续提升。
