PROFINETIO數(shù)據(jù)采集服務(wù)教育成就未來北京新大陸時(shí)代科技有限公司案例引入現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線是目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存在三種主流通信方式，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線技術(shù)的重要替代。PROFINET是一種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，如汽車制造、機(jī)械制造、電子制造、化工等。它提供了一種實(shí)時(shí)、可靠、高效的通信方式，可滿足工業(yè)現(xiàn)場高穩(wěn)定性，高帶寬，低延時(shí)等多種通信需求。支持靈活的拓?fù)湫问剑瑪?shù)據(jù)冗余和多種行業(yè)專用的行規(guī)協(xié)議。職業(yè)能力目標(biāo)能夠通過西門子PLC中的PROFINET協(xié)議讀取IO信號(hào)；能夠通過修改GSD文件更新設(shè)備模型配置；能夠通過I-Device通信主從站模式、遠(yuǎn)程IO模式的軟硬件搭建實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉PROFINET基本概念；掌握PROFINETIO的軟硬件搭建；理解GSD文件基本概念及文件格式；熟悉I-Device通信基本概念。PROFINET基本概念PROFINETIO數(shù)據(jù)采集CAN總線與CANopen概述PROFINET基本概念PROFINET的組成和特點(diǎn)PROFINET的優(yōu)勢PROFINET的主要功能PROFINET集成現(xiàn)場總線01PROFINET基本概念PROFINET是一種全球領(lǐng)先的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了一種全新的、高效的總線標(biāo)準(zhǔn)，由國際組織PI（PROFIBUS&PROFINETInternational）推出。PROFINET使用故障安全通信的標(biāo)準(zhǔn)行規(guī)PROFIsafe，用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用和故障安全方面的應(yīng)用。PROFINET支持驅(qū)動(dòng)器配置行規(guī)PROFIdrive，后者為電氣驅(qū)動(dòng)裝置定義了設(shè)備特性和訪問驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)的方法，用來實(shí)現(xiàn)PROFINET上的多驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制通信。通過代理服務(wù)器，PROFINET可以透明地與現(xiàn)有的PROFIBUS設(shè)備集成，以保護(hù)對現(xiàn)有系統(tǒng)的投資，并使現(xiàn)場系統(tǒng)能夠順利整合。PROFINET基本概念PROFINET已廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、食品飲料行業(yè)、煙草行業(yè)、物流行業(yè)等各個(gè)行業(yè)。在很長一段時(shí)間內(nèi)，PROFINET和PROFIBUS將會(huì)共存，PROFINET也不會(huì)完全取代PROFIBUS，因?yàn)椴皇撬械墓I(yè)場合都需要PROFINET這樣先進(jìn)的技術(shù)，它更多的是應(yīng)用在基礎(chǔ)工業(yè)和需要復(fù)雜應(yīng)用的工業(yè)場合。PROFINET與PROFIBUS的區(qū)別如下表所示。PROFINET的組成和特點(diǎn)PROFINET主要包括三個(gè)方面的技術(shù)：基于通用對象模型（COM）的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，它規(guī)定了PROFIBUS與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間開放透明的通信，提供了一個(gè)包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型，獨(dú)立于制造商。PROFINET采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”作為低層的通信模型，結(jié)合TCP/IP協(xié)議和應(yīng)用層的RPC/DCOM進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)與傳統(tǒng)PROFIBUS總線系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備掛接?，F(xiàn)有的PROFIBUS網(wǎng)段可以通過一個(gè)代理設(shè)備連接到PROFINET網(wǎng)絡(luò)中使用。傳統(tǒng)的PROFIBUS設(shè)備通過代理與PROFINET上的COM對象通信，并通過OLE自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。PROFINET的組成和特點(diǎn)目前這些協(xié)議還僅用于企業(yè)綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的中上層通信，是各種現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)集成的一種手段。PROFINET主要有兩種通信方式：（1）PROFINETIO實(shí)現(xiàn)控制器與分布式I/O之間的實(shí)時(shí)通信；（2）PROFINETCBA實(shí)現(xiàn)分布式智能設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。PROFINET的組成和特點(diǎn)1.PROFINETIO目前，提到PROFINET通常指的是PROFINETIO通信。PROFINETIO主要用于工業(yè)自動(dòng)化中分布式系統(tǒng)的控制，在它的系統(tǒng)中，設(shè)備的角色可以分為三類，分別是IO控制器，IO設(shè)備、IO監(jiān)視器。IO控制器：PROFINETIO系統(tǒng)的主站，用以執(zhí)行自動(dòng)化控制任務(wù)，如與IO設(shè)備交換數(shù)據(jù)、執(zhí)行用戶程序、處理分析數(shù)據(jù)等。常見的設(shè)備如PLC。IO監(jiān)控器：IO監(jiān)控器用以組態(tài)、編程、下載及診斷個(gè)別模組的狀態(tài)。常見的設(shè)備如PC或HMI設(shè)備。PROFINET的組成和特點(diǎn)IO設(shè)備：PROFINETIO系統(tǒng)的從站，一般是現(xiàn)場設(shè)備，即分布于現(xiàn)場用于獲取數(shù)據(jù)的模塊、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。受IO控制器的控制及監(jiān)控，一個(gè)IO設(shè)備可能包括數(shù)個(gè)模組或子模組。常見的設(shè)備如驅(qū)動(dòng)器。IO控制器與IO設(shè)備建立連接后，通信雙方以提供者及消費(fèi)者的身份進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。顧名思義，提供者即數(shù)據(jù)發(fā)送方，消費(fèi)者即數(shù)據(jù)接收方。IO控制器與IO設(shè)備都具有既要收數(shù)據(jù)又要發(fā)數(shù)據(jù)的屬性，它們兼具了提供者和消費(fèi)者的雙重身份。IO控制器以提供者的身份運(yùn)行時(shí)，以定義的更新周期將輸出數(shù)據(jù)傳輸給消費(fèi)者，IO設(shè)備作為輸出數(shù)據(jù)的消費(fèi)者，啟用看門狗用以監(jiān)控接收的數(shù)據(jù)。PROFINET的組成和特點(diǎn)反之亦然，IO設(shè)備以提供者的身份運(yùn)行時(shí)，同樣以定義的更新周期將輸入數(shù)據(jù)傳輸給IO控制器，IO控制器作為輸入數(shù)據(jù)的消費(fèi)者，也同樣啟用看門狗監(jiān)控接收的數(shù)據(jù)。消費(fèi)者在定義的看門狗時(shí)間內(nèi)未接收到提供者發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，將輸出一個(gè)通信故障報(bào)警，解除當(dāng)前通信連接，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不再進(jìn)行傳輸。此后，IO控制器將不斷嘗試與IO設(shè)備重新建立連接，連接成功后才可重新進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。PROFINETIO與PROFIBUS提供的設(shè)備模型相同，通過相同的工程系統(tǒng)（例如STEP7）對其進(jìn)行組態(tài)，并采用GSD文件描述屬性。現(xiàn)場將IO設(shè)備連接至一個(gè)IO控制器進(jìn)行組態(tài)。通過具有代理功能的PROFINET設(shè)備（例如IE/PB鏈接器）將現(xiàn)有的PROFIBUS系統(tǒng)無縫地集成到PROFINET中，以對現(xiàn)有系統(tǒng)加以保護(hù)，如圖所示。PROFINET的組成和特點(diǎn)PROFINET的組成和特點(diǎn)2.PROFINETCBAPROFINETCBA（Component-BasedAutomation）是基于組件的自動(dòng)化，在組件中使用統(tǒng)一的通訊接口，將不同的控制系統(tǒng)打包為標(biāo)準(zhǔn)組件，它適用于設(shè)備及系統(tǒng)之間的通信。PROFINETIO將現(xiàn)場設(shè)備及控制器建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PROFINETCBA則提供了多個(gè)IO系統(tǒng)之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以組成更大的系統(tǒng)。PROFINETCBA的優(yōu)勢在于設(shè)備系統(tǒng)模塊化使其操作簡單，封裝設(shè)備使其通訊簡單，通過PROFINET標(biāo)準(zhǔn)使其在全網(wǎng)范圍內(nèi)可直接訪問過程數(shù)據(jù)。它很好地降低了生產(chǎn)制造中多供應(yīng)商、多控制平臺(tái)并存而引發(fā)的系統(tǒng)復(fù)雜性。但目前PROFINETCBA已經(jīng)過時(shí)了。PROFINET的優(yōu)勢PROFINET具有同類最佳的診斷機(jī)制。報(bào)警，HMI屏幕，專用工具和標(biāo)準(zhǔn)IT協(xié)議都可以防止停機(jī)并協(xié)助進(jìn)行故障排除。PROFINET在其他方面的優(yōu)勢包括：Web功能的集成：Web集成允許通過以太網(wǎng)上訪問PROFINET設(shè)備，PROFINET選擇HTTP、HTML和XML等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。設(shè)備信息、診斷及報(bào)告功能將通過統(tǒng)一的站點(diǎn)進(jìn)行定義，無需借助工程工具即可輕松地查詢并識(shí)別錯(cuò)誤。IT集成：網(wǎng)絡(luò)管理涵蓋了在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中PROFINET設(shè)備管理的所有功能，包括設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)診斷。在Web集成方面，PROFINET采用基于以太網(wǎng)的技術(shù)，并且PROFINET組件可通過互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)訪問。PROFINET的優(yōu)勢網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌簩τ诮M網(wǎng)單元的需求，PROFINET提供的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切?、線型、樹型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。實(shí)際的系統(tǒng)是通過混合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，例如通過銅纜或光纜實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)安裝：根據(jù)工業(yè)環(huán)境對以太網(wǎng)的特殊要求，PROFINET網(wǎng)絡(luò)安裝為設(shè)備制造商制定了清洗設(shè)備接口規(guī)范及布線要求。“PROFINET安裝導(dǎo)則”向設(shè)備制造商/操作人員提供關(guān)于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安裝的簡單規(guī)則。PROFINET的主要功能PROFINET是一個(gè)針對不同需求的完整解決方案，其功能包括8個(gè)主要的模塊，依次為實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過程自動(dòng)化，如圖所示。PROFINET的主要功能1.實(shí)時(shí)通信PROFINETIO系統(tǒng)中，IO設(shè)備和IO監(jiān)視器之間交換的數(shù)據(jù)可以分為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。常見的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如監(jiān)視器讀取的診斷參數(shù)、對設(shè)備進(jìn)行的參數(shù)配置等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要就是IO控制器與IO設(shè)備之間的循環(huán)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)又分為非同步實(shí)時(shí)通信（RT）和同步實(shí)時(shí)通信（IRT）。另外，PROFINET還可支持TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊。PROFINET實(shí)時(shí)通信極大程度上將數(shù)據(jù)幀的長度縮短，它拋棄了TCP/IP或UDP/IP部分，使得數(shù)據(jù)在通信棧的處理時(shí)間也大大縮短。采用IEEE802.3優(yōu)化的第2層協(xié)議，通過軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧構(gòu)建，從而滿足不同實(shí)時(shí)性等級(jí)的要求。PROFINET的主要功能路由功能因未使用第3層協(xié)議而無法得到應(yīng)用。但憑借MAC地址，PROFUNET實(shí)時(shí)通道將各個(gè)站點(diǎn)之間的響應(yīng)時(shí)間大大縮短，保證了各站點(diǎn)之間能夠在要求嚴(yán)格的時(shí)間間隔內(nèi)完成傳輸任務(wù)。非實(shí)時(shí)通信和實(shí)時(shí)通信的模型如圖所示。PROFINET的主要功能（1）非同步實(shí)時(shí)（RT）通信非同步實(shí)時(shí)通信是目前工業(yè)自動(dòng)化使用最廣泛的PROFINETIO通信方式。系統(tǒng)要求傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間數(shù)據(jù)交換的響應(yīng)時(shí)間約在5~10ms，目前現(xiàn)場總線技術(shù)可以達(dá)到這個(gè)響應(yīng)時(shí)間，如PROFIBUSDP。PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)，其報(bào)文也是以太網(wǎng)報(bào)文，由于使用標(biāo)準(zhǔn)通信棧來處理過程數(shù)據(jù)包，因此需要很可觀的時(shí)間。對此，PROFINET提供了一個(gè)優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層的實(shí)時(shí)通訊通道，它不會(huì)將正在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀打斷，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸過程中出現(xiàn)延時(shí)。該實(shí)時(shí)通道的應(yīng)用在極大程度上減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時(shí)間，因此，PROFINET在實(shí)時(shí)性能方面已經(jīng)等同甚至超越傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它已經(jīng)可以滿足工業(yè)領(lǐng)域90%以上的應(yīng)用。PROFINET的主要功能（2）同步實(shí)時(shí)（IRT）通信在工業(yè)控制現(xiàn)場，運(yùn)動(dòng)控制對通訊實(shí)時(shí)性要求最高，PROFINET同步實(shí)時(shí)通信可在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間小于1ms，抖動(dòng)誤差小于1μs，能夠滿足運(yùn)動(dòng)控制精準(zhǔn)且高速的通訊需求。IO控制器和IO設(shè)備是否支持IRT通信由設(shè)備制造商決定，并不要求所有的IO設(shè)備都必須支持IRT通信，但對支持IRT通信功能的IO設(shè)備通常需要更高的硬件要求。IRT通信對時(shí)鐘同步的要求頗為嚴(yán)格，所有參與IRT通信的設(shè)備組成一個(gè)IRT域，并且在同一個(gè)域內(nèi)所有參與IRT的設(shè)備使用同一個(gè)時(shí)鐘，即與主時(shí)鐘同步，通常這個(gè)主時(shí)鐘選擇IO控制器，也可以選擇IO設(shè)備。不同的IRT域之間不能進(jìn)行同步數(shù)據(jù)通信。同一IO系統(tǒng)中的IRT設(shè)備只能屬于同一個(gè)IRT域，不能分屬兩個(gè)域，且IRT幀只能在同一個(gè)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不能跨域。PROFINET的主要功能IRT域僅對支持IRT通信的設(shè)備開放，包括IRT交換機(jī)?？稍试SRT設(shè)備和其他標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備在同步域外存在。PROFINETIRT域和時(shí)鐘同步如下圖所示。PROFINET的主要功能（3）TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，采用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊的響應(yīng)時(shí)間大約在100ms，相比較于實(shí)時(shí)通信來說響應(yīng)時(shí)間較長，但也基本能夠滿足工廠控制級(jí)的應(yīng)用，它面向過程自動(dòng)化。PROFINET的主要功能2.PROFINET分布式現(xiàn)場設(shè)備分布式現(xiàn)場設(shè)備通過集成PROFINET接口，可以直接連接到PROFINET上。目前的現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以透明地通過代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與PROFINET的連接。例如，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)可以通過IE/PBLink（PROFINET和PROFIBUS之間的代理服務(wù)器）透明地集成到PROFINET當(dāng)中，PROFINET同樣保留了PROFIBUS豐富的設(shè)備診斷功能。對于其他類型的現(xiàn)場總線，同樣可以利用這種方式，通過一個(gè)代理服務(wù)器將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接入到PROFINET當(dāng)中。PROFINET的主要功能3.運(yùn)動(dòng)控制PROFINET的同步實(shí)時(shí)（IRT）功能，使得伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制變得易于實(shí)現(xiàn)。在PROFINET同步實(shí)時(shí)通訊中，每個(gè)通訊周期被分成兩個(gè)不同的部分，一個(gè)是實(shí)時(shí)通道，它是循環(huán)的、確定的部分。另一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)通道，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)的傳輸在這個(gè)通道內(nèi)進(jìn)行。在實(shí)時(shí)通道中，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時(shí)間窗，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)始終按照固定的順序插入，因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以固定的時(shí)間間隔傳輸，循環(huán)周期內(nèi)其余的時(shí)間用于傳輸標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。兩種不同類型的數(shù)據(jù)可以同時(shí)在PROFINET上相互不干涉地進(jìn)行傳送。憑借獨(dú)立的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道，伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)得到了可靠控制。PROFINET的主要功能4.PROFINET與分布式自動(dòng)化隨著現(xiàn)場設(shè)備智能程度的持續(xù)提高，自動(dòng)控制系統(tǒng)的分散程度也逐步提高。工業(yè)控制系統(tǒng)由原來的分散式自動(dòng)化向分布式自動(dòng)化發(fā)展。工廠內(nèi)具有獨(dú)立工作能力的工藝模塊被抽象為一個(gè)封裝好的組件，例如機(jī)械部件、電氣/電子部件和應(yīng)用軟件等，各組件之間通過PROFINET連接起來。模塊化的成功理念能夠明顯縮短機(jī)器與工廠建設(shè)中的組態(tài)與調(diào)試時(shí)間。此外，在使用分布式智能系統(tǒng)或可編程現(xiàn)場設(shè)備、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和I/0時(shí)，能夠?qū)⒛K化理念擴(kuò)展應(yīng)用在機(jī)械應(yīng)用上，把機(jī)械應(yīng)用擴(kuò)展成自動(dòng)化解決方案。PROFINET的主要功能4.PROFINET與分布式自動(dòng)化同時(shí)，生產(chǎn)線上的一臺(tái)機(jī)器可以也定義為生產(chǎn)線或流程的“標(biāo)準(zhǔn)模塊”。工藝模塊化對于設(shè)備和工廠設(shè)計(jì)人員來說，能夠更輕易、更好地將設(shè)備及車間系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化與再利用，使其能夠更快速、更靈活地響應(yīng)不同的客戶需求。這是由于設(shè)備和廠區(qū)能夠提前進(jìn)行預(yù)測試，在很大程度上縮短了系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。系統(tǒng)操作人員同樣能夠受益于IT標(biāo)準(zhǔn)的通用通信，能夠更輕易的擴(kuò)展現(xiàn)有系統(tǒng)。PROFINET的主要功能5.網(wǎng)絡(luò)安裝在PROFINET網(wǎng)絡(luò)中，CPU、分布式IO站點(diǎn)作“點(diǎn)”；連接CPU及分布式IO站點(diǎn)的通信線路作“線”。這些點(diǎn)和線通過交換機(jī)的連接搭建出一個(gè)PROFINET網(wǎng)絡(luò)。PROFINET網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建根據(jù)連接方式的不同可分為四種，分別是線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（1）線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是將PROFINET設(shè)備依次尾首相連，所以設(shè)備連接到一條連接介質(zhì)上。目前，大多數(shù)現(xiàn)場總線都采用線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如PROFIBUS。PROFINET的主要功能PROFINET網(wǎng)絡(luò)通過交換機(jī)建立連接，形成線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換機(jī)既能用作獨(dú)立的外圍設(shè)備，也可作網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的集成。如圖所示為交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)集成組成的PROFINET線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省成本。所需電纜數(shù)量少，線纜長度短，易于布線和維護(hù)。多節(jié)點(diǎn)共用一個(gè)信道，信道利用率高。線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：節(jié)點(diǎn)的增設(shè)或刪減困難。網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障將影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，且故障節(jié)點(diǎn)不易于定位找出，不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。PROFINET的主要功能（2）星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將PROFINET各個(gè)設(shè)備集成到交換機(jī)上，通過交換機(jī)將各個(gè)設(shè)備連接起來，就組成了星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為PROFINET網(wǎng)絡(luò)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的結(jié)構(gòu)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)作為主要的核心，所有PROFINET設(shè)備都需連接至交換機(jī)。如圖所示是PROFINET網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。PROFINET的主要功能星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：易于增設(shè)或刪減節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。易于管理、診斷及監(jiān)控。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：布線復(fù)雜，成本高。交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)核心，一旦故障將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。PROFINET的主要功能（3）樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣以交換機(jī)作為核心，將幾個(gè)星型結(jié)構(gòu)通過交換機(jī)再次連接起來就構(gòu)成樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖是PROFINET網(wǎng)絡(luò)樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備層次清晰、高可靠性、高安全性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工廠及企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)搭建中。同時(shí)也具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，在交換機(jī)故障后將導(dǎo)致整個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，布線復(fù)雜，成本高等。PROFINET的主要功能（4）環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型與線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是在線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將其首尾相連，組成一個(gè)封閉的環(huán)。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息傳輸方向是單向的，且同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。由于所有節(jié)點(diǎn)都能申請發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要一個(gè)手段去加以限制，保證網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)請求不沖突，通常會(huì)使用令牌。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)具有與線型網(wǎng)絡(luò)相同的優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)在于布線簡單、線路短、成本低。缺點(diǎn)在于單節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，節(jié)點(diǎn)的增設(shè)和刪減困難。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用場合不多，比較典型的應(yīng)用是構(gòu)成冗余環(huán)網(wǎng)。如圖是兩個(gè)S7-1500CPU構(gòu)成的PROFINET環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。PROFINET的主要功能其中一個(gè)CPU作為主用，另一個(gè)作為備用。主CPU不發(fā)生故障時(shí)，由它主導(dǎo)執(zhí)行控制程序，同時(shí)同步數(shù)據(jù)給備用CPU。當(dāng)主CPU發(fā)生故障時(shí)，備用CPU可接管主CPU，主導(dǎo)執(zhí)行控制程序。PROFINET的主要功能6.PROFINETIT標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)安全PROFINET能夠同時(shí)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。各種成熟的IT技術(shù)（如HTTP、HTML、SNMP、DHCP和XML等）都能夠在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中使用。在使用PROFINET時(shí)，能夠通過這些IT標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)提高整體網(wǎng)絡(luò)的管理及維護(hù)，這也將降低調(diào)試及維護(hù)的成本。PROFINET實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場到管理層的縱向通信集成。一方面，管理層能夠更輕易地獲取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。另一方面，原本存在于管理層數(shù)據(jù)安全性問題也延伸到了現(xiàn)場。PROFINET提供了特定的安全機(jī)制為現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)實(shí)施保護(hù)，保障數(shù)據(jù)的安全性。通過使用專用安全模塊保護(hù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，最大限度地降低自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)。PROFINET的主要功能7.PROFINET故障安全故障安全是過程自動(dòng)化領(lǐng)域中非常重要的概念。故障安全就是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠復(fù)原到安全狀態(tài)。這里的安全由兩層含義，一方面是操作人員的安全。另一方面系統(tǒng)的安全。在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中，系統(tǒng)的故障很容易導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。故障安全機(jī)制的作用就是將已經(jīng)癱瘓的系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)原回安全狀態(tài)，從而保證操作人員和整個(gè)過程控制系統(tǒng)的安全。提到故障安全就不得不提到診斷判斷及預(yù)測性維護(hù)，它們可以預(yù)防故障的發(fā)生，有效的保證了操作人員及過程控制系統(tǒng)的安全，并在極大程度上提高了生產(chǎn)效率。PROFINET的主要功能（1）診斷判斷工廠內(nèi)的設(shè)備正常情況下都應(yīng)盡可能的以最大生產(chǎn)率、最小停機(jī)時(shí)間來運(yùn)行，這就需要應(yīng)用到PROFINET診斷功能，其目的就是將工廠內(nèi)設(shè)備的停機(jī)時(shí)間降到最低。PROFINET診斷功能可以使得維護(hù)人員快速的定位出故障源頭，判斷其嚴(yán)重性、類別及解決對策。并可提前預(yù)防故障的發(fā)生，減少工廠內(nèi)設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。PROFINET診斷功能完美解決了維護(hù)人員的需求，診斷信息由以下三部分構(gòu)成：診斷來源（diagnosissource），識(shí)別故障源頭；嚴(yán)重性（severity），反應(yīng)維護(hù)的緊迫性；診斷信息（diagnosisinformation），表明“問題/原因”并提出“應(yīng)對措施”。PROFINET的主要功能PROFINET把故障分為通信錯(cuò)誤和外設(shè)錯(cuò)誤。通信錯(cuò)誤與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，例如拓?fù)溴e(cuò)誤、設(shè)備名稱或IP地址不正確等。外設(shè)錯(cuò)誤與設(shè)備輸入和輸出有關(guān)，即設(shè)備傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如傳感器或執(zhí)行器接線錯(cuò)誤、輸出功率損失等。外設(shè)錯(cuò)誤不對通信造成影響，外設(shè)錯(cuò)誤一般由設(shè)備檢測并通過PROFINET報(bào)警報(bào)告。通信錯(cuò)誤的報(bào)告可通過設(shè)備、管理交換機(jī)及其他網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行。PROFINET的主要功能8.PROFINET與過程自動(dòng)化PROFINET不僅可用于工廠自動(dòng)化，還可用于過程自動(dòng)化應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)總線供電，及以太網(wǎng)應(yīng)用在本質(zhì)安全區(qū)域的問題一直是工業(yè)界討論的話題，其標(biāo)準(zhǔn)或解決方案也在逐步形成。PROFINET通過代理服務(wù)器技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)場總線PROFIBUS與其它總線標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。PROFIBUS是可覆蓋從工廠自動(dòng)化場合到過程自動(dòng)化應(yīng)用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，作為集成PROFIBUS現(xiàn)場總線解決方案的PROFINET已然成為過程自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的完美體驗(yàn)。5.2.2軟硬件搭建PROFINET集成現(xiàn)場總線PROFINET能夠集成多種成熟的、正在使用的現(xiàn)場總線，是一種具有生命力的現(xiàn)場總線。由于IT技術(shù)的應(yīng)用，保護(hù)投資在PROFINET方案中也將發(fā)揮重要作用。PROFINET能夠在不修改現(xiàn)有設(shè)備的前提下，將現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成，極大程度上保護(hù)了投資者的現(xiàn)有投資。PROFINET實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)有的現(xiàn)場總線解決方案無縫轉(zhuǎn)換到基于以太網(wǎng)的PROFINET。PROFINET集成現(xiàn)場總線PROFINET提供兩種集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)的方法：通過代理服務(wù)器的現(xiàn)場總線設(shè)備集成。代理服務(wù)器在此方式下代表以太網(wǎng)上較低層的現(xiàn)場設(shè)備，PROFINET在代理服務(wù)器方案中提供了從現(xiàn)有設(shè)備到新安裝設(shè)備之間的全透明轉(zhuǎn)換。整個(gè)現(xiàn)場總線應(yīng)用的集成。一個(gè)現(xiàn)場總線段表示一個(gè)自包含的PROFINET組件，該組件代表的是在較低層操作現(xiàn)場總線的PROFINET設(shè)備。由此，較低層現(xiàn)場總線的所有功能以組件的形式保存在代理服務(wù)器內(nèi)，然后這些功能就可在以太網(wǎng)上供用戶使用了。PROFINETIO數(shù)據(jù)采集案例背景軟硬件搭建02案例背景如圖所示是一條激光雷達(dá)測試線，人工在線尾上下料工位將雷達(dá)放到載盤上，流水線將載盤輸送至各個(gè)工位，機(jī)器人抓取載盤放到測試工位對雷達(dá)進(jìn)行測試，測試完成后放回流水線流到下個(gè)工位，全部工位都測試完成后，人工在線尾上下料工位將測試好的雷達(dá)取出，由此實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全過程的自動(dòng)測試。案例背景在此線體中，由于電控柜與各個(gè)測試工位相距較遠(yuǎn)，工位的信號(hào)（IO、模擬量等）無法直接接入控制柜，這時(shí)就需要在每個(gè)工位配備PROFINET模塊（本案例使用的是華杰智控HJ3208），PLC通過交換機(jī)與PROFINET模塊連接，PROFINET模塊可以將讀取到的IO、模擬量等信號(hào)傳輸給PLC，PLC也可以通過PROFINET模塊控制各執(zhí)行元件，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的設(shè)備控制。該測試線的控制系統(tǒng)如圖所示。案例背景下面我們將此控制系統(tǒng)的一個(gè)工位提取出來作為案例演示，掌握了這個(gè)案例所包含的技能，也就可以擴(kuò)展到整個(gè)控制系統(tǒng)，如圖所示。軟硬件搭建1.網(wǎng)絡(luò)配置按3.2.3小節(jié)中的方法配置本機(jī)IP地址，將其設(shè)置為“0”，子網(wǎng)掩碼為“”，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)不填寫。單擊選擇“使用下面的DNS服務(wù)器地址”選項(xiàng)，無需配置首選及備用DNS服務(wù)器。如圖所示。軟硬件搭建2.博途初始化（1）創(chuàng)建項(xiàng)目雙擊打開“TIAPortalV16”軟件，將項(xiàng)目名稱改為“PROFINET”，單擊“創(chuàng)建”按鈕，此時(shí)項(xiàng)目已經(jīng)創(chuàng)建成功。單擊“項(xiàng)目視圖”進(jìn)入項(xiàng)目，如圖所示。軟硬件搭建（2）添加GSD文件單擊工具欄的“選項(xiàng)”彈出下拉列表，單擊選擇“管理通用站描述符文件（GSD）”選項(xiàng)，如圖所示。軟硬件搭建在管理通用站描述符文件（GSD）窗口中，單擊“源路徑”后面的“…”按鈕，選擇保存的GSD文件路徑，即U盤資料“04DEMO程序代碼/03PROFINET程序/01GSD文件”，軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別出可安裝的GSD文件，選擇“GSDML-V2.3-Sdot-PN4-1616B-20181125”文件，再單擊“安裝”按鈕即可，如圖所示。軟硬件搭建（3）項(xiàng)目添加CPU、PROFINET模塊雙擊“設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)”選項(xiàng)，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面，如圖所示。在右側(cè)的目錄中，找到搜索欄，在搜索欄中輸入“6ES7211-1AE40-0XB0”，單擊“

”按鈕，找到對應(yīng)的PLC設(shè)備，雙擊該設(shè)備將其配置至網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，如圖所示。軟硬件搭建在右側(cè)的目錄中，找到搜索欄，在搜索欄中輸入“PN4-1616B”，單擊“

”按鈕，找到對應(yīng)的PROFINET模塊，雙擊該設(shè)備將其配置至網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，如圖所示。軟硬件搭建配置完成后，可以看到PLC及PROFINET模塊已經(jīng)加入到網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，右鍵單擊PN4-1616B模塊的小方框，單擊選擇“分配給新IO控制器”選項(xiàng)，如圖所示。在彈出的選擇IO控制器窗口中，選擇配置的PLC接口，單擊“確定”按鈕后，PLC與PN4-1616B模塊將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。如圖所示。軟硬件搭建（4）地址表確認(rèn)單擊PLC與PNIO的連接線，單擊“常規(guī)”選項(xiàng)，在常規(guī)界面的選項(xiàng)中單擊選擇“地址總覽”，在右側(cè)即可顯示地址總覽表。I為輸入，O為輸出?？梢钥闯鰯?shù)字輸入大小為2字節(jié)，占16位。數(shù)字輸出大小為2字節(jié)，占16位。與GSD文件的配置一致，此時(shí)PNIO模塊的IO已經(jīng)全部映射到PLC的IO地址單元了，如圖所示。軟硬件搭建3.編寫程序在Main程序塊中編寫如圖程序。軟硬件搭建4.配置PLC、PROFINET模塊在下載程序之前，首先得先配置好PLC及PROFINET模塊，否則PLC可能會(huì)報(bào)錯(cuò)。首先查看設(shè)備的固件版本。（1）配置PROFINET模塊在項(xiàng)目樹中找到“未分組的設(shè)備”，單擊展開。右鍵單擊“PNIO[PN4-1616B]”，在彈出的列表中單擊選擇“屬性”選項(xiàng)，如圖所示。軟硬件搭建在PNIO屬性窗口中，單擊選擇“常規(guī)”界面，再單擊選擇“PROFINET接口”選項(xiàng)，下拉列表中單擊“以太網(wǎng)地址”選項(xiàng)，配置IP地址為“1”，子網(wǎng)掩碼為“”，如圖所示。軟硬件搭建（2）配置PLC模塊選擇“PLC_1”，單擊“

”按鈕，使本機(jī)與PLC建立連接。在彈出的窗口中配置PG/PC接口的