摘 要：自從PROFIBUS問世以來，開放的PROFIBUS技術一直處于不斷的開發過程中，其目標是提供其應用領域的邏輯擴展。從自動化結構的角度看，很長一段時間內這個開發過程只是關于通信機制和應用行規的橫向擴展。然而，近年來集成工業自動化與企業/全球聯網企業中辦公領域較高層的IT技術在PROFIBUS技術的縱向擴展中，同時又完全保留PROFIBUS現有的開放性，這已成為決定性趨勢。按照客戶的要求，PROFInet提供了一種開放的、一致的PROFIBUS縱向集成方案,全面地滿足了保護客戶投資的要求，即:集成現有的通信和自動化結構。 關鍵詞：PROFIBUS;PROFInet;自動化結構;工業自動化;IT技術 1、引言 　　代表全世界1200多家會員公司的PROFIBUS 國際組織推出了基于實時工業以太網的 PROFINET 自動化解決方案。該技術為當前的用戶提供了一套完整高性能可伸縮的升級至工業以太網平臺的解決方案。PROFINET是一項重大的并具有戰略性的技術創新，它不僅能為PROFIBUS，而且能為其它現場總線網絡系統提供以太網移植服務。 　　PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS由3個兼 容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。PROFIBUS規定一種串行現場總線系統的技術特性和功能，用這種系統可將現場中的分布式自動化設備在低和中等性能范圍內（分別為傳感器/執行器和單元層）相互連接成網絡。PROFIBUS訪問總線方法是符合歐洲標準EN 50 170標準規定的，即附屬有主/從站輪詢的令牌傳遞原理。 　　PROFIBUS現場總線技術在過程和制造工業的應用中，能節省大量線纜、槽架、連接件，減少了系統的設計、調試、維護時間，方便地實現了現場控制設備之間以及設備與控制管理層之間的聯系，為控制信息進入公共數據網絡創造了條件。與地點無關的控制、高速通信、靈活的拓撲結構、真正的可互操作性和開放性等高級功能的特征使其具有強大優勢和廣闊發展前景。因此，PROFInet包含了所有重要的方面，這些方面以開放的、一致的分散自動化為特點。由于顯著地減少了用于機器及設備的組態和操作的時間和開銷，因此這些系統具有許多重要的優點。 　　（1） 工業自動化的新前景 　　有效提高工廠生產力始終是永恒的目標。工廠希望投資使生產能夠快速應對最新的市場需求，縮短新產品的上市時間，這就需要根據工廠范圍內的連續信息流，用于戰略決策： 從生產第一線，到工廠控制層，直到管理層。因此信息技術，特別是基于生產自動化的信息技術將成為推動生產效率、降低生產成本和企業創新的主要力量。 　　（2） 通過 PROFINET，實現創新的工業以太網標準 　　采用基于工業以太網的開放式、跨供應商標準的 PROFINET，即可從公司管理層直到現場層實現直接、透明的訪問。PROFINET 基于現有成熟IT標準，并提供對TCP/IP 的全面支持。用戶能夠毫不費力地與現有系統進行擴展及便捷集成。 2、目標 　　在1999年，隨著不同領域IT的融合，PROFIBUS國際組織抓住了這一契機，并開始尋求開放的PROFIBUS技術用于企業內生產和企業管理層的解決方案。 　　目標之一是尋找一種縱向擴展的結構，一方面這種結構允許現有的開放性能全面地良好地保存下來;另一方面，允許以廣泛可用的傳統的PROFIBUS技術為基礎的系統各部分之間的無縫集成。對于PROFInet，由于它提供了與各種現場總線的開放的接口，其開放性已有了進一步的擴展。這就允許所有總線的解決方案容易地集成到PROFInet系統中。 　　進一步的目標是確保具有廣泛的一致性，它使得各種層次的用戶使用同樣的機制進行通信和協同運行。這方面既包括自動化設備間的橫向通信（自動化集成）也包括辦公室、管理和現場層用戶間的縱向通信（企業集成）。面向對象的部件模型提供了這一方案的基礎。 [align=center] 圖1：具有PROFInet的工業通信[/align] 　　PROFInet方案尤其注重基于統一數據模型的統一的、工廠范圍的工程，并認為有必要通過圖形、文本或基于腳本（script）的對象互連建立應用，因為這使處理工具既直觀又容易。 　　PROFInet—辦公室和自動化領域開放的、一致的連接 　　PROFInet方案覆蓋了分散自動化系統的所有運行階段。它包含下列主要方面： 　　·高度分散自動化系統的開放對象模型（結構模型） 　　·基于Ethernet的開放的、面向對象的運行期通信方案（功能單元間的通信關系） 　　·獨立于制造商的工程設計方案（應用開發） 　　根據此方案，PROFIBUS國際組織現已開發了一種自動化解決方案，該方案不僅允許所有總線的供應商互相連接，而且也能與較高企業層的IT直接通信。 3、對象模型 　　PROFInet的結構方案基于微軟定義的COM對象（Component Object Model 部件對象模型）。這就允許以成品部件為基礎的應用開發。 　　部件以對象的形式建立，對象通過已定義的接口進行相互間的通信。一種COM接口具有指定數量的功能，在“接口定義語言”（IDL）中對這些功能作了描述。一個部件支持一個特定的接口（采用某些方法仔細定義的接口），這實際上就如人們所說的那樣:以部件實現接口（這涉及已定義接口的實現和它的語義（服務））。就用戶而言，COM部件只不過是一些接口的號碼。通過調用一個接口的功能，客戶可存取這類部件的服務。 　　PROFInet辨別工程系統中的對象（ES對象）和運行期系統中的對象（RT對象）。在工程設計期間，ES對象代表RT對象。ES對象的示例、互連和參數化形成了一個特定工廠的自動化解決方案的模型。使用工程模型的評估，下裝能觸發運行期軟件的生成。 　　PROFInet方案跟隨這樣一個基本思想:運行期系統中的每個RT對象恰恰與工程系統中的ES對象相對應，這有利于工程領域映象到運行期領域，反之亦然。以這種方式，ES對象間的關系可容易地映象到相應的RT對象間的關系。這些語句適用于設備（ES設備）和軟件（ES自動化）的典型工程。 　　在這個方案中，ES對象和RT對象被認為是兩個不同的對象。因為第一，組態發生在運行期領域（設備）尚不可用的期間;第二，對象的功能不同，因為只有RT對象才能產生實際的自動化功能。 4、運行期通信 　　運行期通信通過COM對象的接口以基于草擬的對象模型的對象協議的形式進行。 　　運行期模型代表一臺設備上可用的實際對象，該設備通過OLE自動化可從外部訪問這些對象的接口、方式和各個對象相互間的關系。它并不作任何關于接口實現的假設，因此在實現期間保持了最大限度的靈活性（只要對象的映象保留在設備的通信線上）。 　　運行期概念基于傳統的Ethernet通信機制，如TCP/IP或UDP。后來對這種基本的機制用RPC和DCOM機制進行了加強。DCOM可視為用于基于RPC分布式應用的COM技術的擴展。作為一種選擇，現可采用優化的實時通信機制用于實時時間苛求的應用領域。 　　在運行期期間，PROFInet部件以DCOM對象的形式映象，這樣通過對象協議機制確保了DCOM對象的通信。自動化對象即COM對象作為PDU以DCOM協議定義的形式出現在通信總線上。通過“DCOM布線協議”，DCOM定義了對象的標識和具有有關接口和參數的方法。這就可在通信總線上進行標準化的DCOM信息包的傳輸，通信總線是通過接口定義確定的。這些信息包在客戶方生成并在服務器評估和解釋。其特點在于:在服務器內不需要有COM對象。它滿足了在總線上實現生成“對象幻影”（illusion of an object）的需要。 　　連接對象活動控制（ACCO）確保了已組態的互相連接的設備間通信關系的建立和數據交換。傳輸本身是由事件控制的。ACCO也負責故障后的恢復。這包括:質量代碼和時間標記的傳輸、連接伙伴的監視、連接丟失后的再建立以及相互連接性的測試/診斷。 5、工程方案 　　用戶友好的PROFInet工程方案是唯一的、特定的方案，這是通過任何其它現場總線或新興的Ethernet解決方案所不可實現的自動化解決方案。 　　有了PROFInet，在PROFInet設備上運行的自動化對象，在運行期可互相通信。在工程設計過程中定義了邊界條件和通信連接。為此目的，已定義了工程對象模型，它為使用工程系統自動化對象（ESAutos）確定了技術框架條件。這種統一的基礎模型可使不同制造商的工程系統自動化對象和不同制造商的工程開發工具相結合。 　　這種工程對象模型不僅使用不同制造商部件的組態開發工具，而且還認可制造商的規范或用面（facet）的方法進行的面向應用的功能擴展。設備本身依賴于制造商的編程（部件生成）和用較高層的工程工具進行的所安裝設備范圍內互連（應用組態）之間的清晰的分離可實現在一個工廠中集成不同制造商的產品。 6、具體應用 　　目前在國內，PROFInet的應用還處于初級階段，只有少數的公司和單位采用PROFInet結構布局。現在，我們正嘗試在國內某家核電裝備工廠采用PROFInet方案集成系統。 　　系統的最上層是INTERNET，工廠內部網絡可以通過接口與外部網絡通訊聯系;中間層是PROFInet，包括工廠對于車間設備的管理控制單元或軟件;最下層則是基于PROFIBUS的現場總線單元，具體包括車間自動化生產線上的各個工段、控制器、執行元件、現場設備（如傳感器、儀表）、自動化設備（如車床、銑床）等。我們可以通過PROFInet與現場總線的接口來監控車間各設備的運行，達到對管理層和現場層流程化、理性化集成的目的。 　　具體系統方案如下圖所示： [align=center] 圖2：PROFInet具體應用集成方案[/align] 　　我們已經對該系統集成方案做了初步分析和論證，理論證明該方案確實可行。 7、結束語 　　本文作者創新點：通過對PROFInet以太網現場總線的研究，將其應用范圍由單純的通信機制向集成工業自動化方面縱向擴展，并通過具體的實際方案分析，證明PROFInet作為一種與PROFIBUS相結合的以太網現場總線。能夠從宏觀和微觀的角度來改善對自動化設備網絡的管理和監控，規范工業流程和生產秩序，在工業自動化系統中發揮巨大的作用。 [參考文獻] 　　[1]冉全，楊志方.以太網在工業控制領域的應用探討.微計算機信息.2002,（18）. 　　[2]李立.以太網和現場總線在工業網絡中的應用.微計算機信息2001,（17）. 　　[3]習博,方彥軍.工業以太網中網絡通信技術的研究.微計算機信息2005,（21）. 　　[3]陽憲惠.工業數據通信與控制網絡[M].清華大學出版社.2003. 　　[4]楊金奇，劉學軍.工業以太網技術及其應用現狀與發展.四川工業學院學報.2002,（4）. 　　[5]賈東耀，汪仁皇.工業控制網絡結構的發展趨勢.工業儀表與自動化裝置.2002,（5）. 　　[6] William H. Mass. ETHERNET/IP: Open, Available and based on modern technology. The Industrial Ethernet Book Issue 11，2002 http://Ethernet.Industrial-networking.com.