现场总线系列介绍之十：Profinet组织、技术与应用

　　1.组织

　　1.1关于PI

　　PROFIBUS和PROFINET国际组织(PI)是世界上最大的自动化社区，负责管理PROFIBUS和PROFINET两个最重要的自动化技术。

　　PI的全球供应商、开发商、系统集成商和最终用户涵盖所有行业，共同的兴趣在于促进、支持和使用PROFIBUS和PROFINET。

　　全球和区域有超过1400家会员企业紧密合作，尽可能提供最好的自动化产品。世界上没有任何其它现场总线组织具有这样的全球影响力。这就是为什么PROFIBUS和PROFINET能够成为世界领先的工业网络。 

　　1.2愿景

　　在当今严峻的商业环境中，只有一种方式才能获得成功，那就是尽可能使用最好的自动化。在制造工厂，最好的自动化则完全取决于拥有最好的网络和通信!

　　作为全球首屈一指的工业网络系统，PROFIBUS和PROFINET提供了卓越的通信功能，保证了工厂的控制器、监控系统和管理计算机能够和谐、高效、快捷地工作。

　　PI是PROFIBUS和PROFINET的国际组织，也与其它自动化组织密切合作，确保这一愿景能够实现。PI还鼓励和支持新技术，如IO-LINK，做为下一代先进传感器和执行器的通信解决方案，扩展更多的可能性。

　　PI自动化解决方案提供了与先进技术结合的选择，心中的目标只有一个--为客户提供企业领域的最佳运营成效。

　　1.3成员

　　PI在全球拥有的成员超过1400家。其中包括了所有的领先自动化供应商，加上许多最终用户和其他组织，如世界各地的大学，通过使用先进技术，提高了市场上的竞争力并且获益。

　　PI最重要的目标是使PROFIBUS和PROFINET技术不断发展，为最终用户转移知识并保护用户投资。

　　该组织的成员可以是硬件、软件和系统供应商，也可以是最终用户和运营商、科研机构和联合会，他们的目的是对PI和各自地区PI协会(RPA)提供支持。

　　供应商成员受益于全球范围的专家建议和一系列连续的市场推广和教育活动。多数地区的PI协会非常活跃，举办共同营销和教育活动，如交易会、研讨会、论坛、讲习班和基于互联网的活动，如网络研讨会。

　　成员单位也受益于一系列的文件，涵盖规范、标准、行规和工程咨询，这些都可以免费从网站获得。成员可访问网站并下载所需要的文件。

　　会员的收益还有：

　　� 成为PROFI网络工作者：成为PI全球网络的一部分，并用它影响PI的将来和技术;

　　� 手中握有全球良好的技术：PI为你管理技术的发展，让你轻松访问技术资料;

　　� 产品推广：通过公共的全球市场进行销售，包括在线产品搜索;

　　� 免费使用的商标标识和营销材料;

　　� 由专家和第一手资料支持的网络实施和维护;

　　� 信息和培训：教育机会，包括培训和使用全球的PI资格中心(PICC)和PI培训中心(PITC)网络;

　　� 通过免费使用专利和技术文件，更快、更容易地开发产品;

　　� 节省产品开发成本：资格认证的支持和免费的测试产品证书;

　　� 如果需要了解会员更多的详细内容，可下载有关文件获取更多信息。

　　1.4区域PI协会

　　区域PI协会(RPA)是世界各地PI的代表。每个RPA都通过本地的活动在本地区支持PROFIBUS和PROFINET。目前，在世界各地有27个本地组织。

　　� 找到本地的合作伙伴 

　　� 区域联系

　　对于各地的成员，当地的RPA是成员的联系点。PRA必须满足一系列由PI制定的标准，并具有发展本地会员的资格。他们还要负责本地区内的活动，推进PROFIBUS和PROFINET的品牌和技术。这些活动包括市场营销、交易会、研讨会、讲习班和新闻发布会，并在当地翻译和出版相关资料。对于新的开发者和用户，PRA可能是一个最好的“第一接触点”。

　　PRA与很多本地化机构有着密切的联系，包括PI资格中心、测试实验室和培训中心。PRA在一年中会组织几次会议，讨论共同的问题，并更新最新的发展动态。

　　1.5机构与支持

　　为了确保产品和设备的高品质，以及为客户提供合格的技术支持与咨询服务，PI设立官方机构。这些机构包括PI资格中心，PI培训中心和PI测试实验室。

　　通过审计，定期走访和现场巡查，PI确保这些机构能够达到标准和规定的质量水平，并能对世界各地提供支持。

　　� 认证人员

　　PI与区域PI协会和PITC合作，为希望成为认证工程师或PROFIBUS和PROFINET设备安装者的人员，提供正式的培训课程。

　　这些课程全年定期在世界各地举行。可在网站查看即将到来的课程列表。

　　认证工程师或安装人员可以通过“认证标识”确认他们的身份。他们的名字也列在网站上，以便最终用户寻求他们对PROFIBUS或PROFINET网络的支持，这样可以很容易地找到一个合适的人选。通过认证的人员可以确保工作按照最高的标准执行，有资格的人员知道最新的技术。

　　� 工作组

　　PI承担的所有项目 -- 从写PROFIBUS和PROFINET的最初规范到组织大型的营销活动 --都委托给项目/工作组-- 来自成员公司的专家志愿者。目前，有50多个项目/工作组正开展相关工作，参加的人数超过了500。由PI发起，技术委员会(TC)负责成立和组建项目/工作组。

　　PI中的每个成员都有参加这些项目/工作组的权利。

　　没有哪个现场总线组织具有这样的专业能力、承诺和人力资源，把PI的项目/工作组带入现代自动化。通过在行业提供标准化和一致性解决方案，PI确保工厂运营人员可以优化生产线，实现利润最大化。

　　� 问，看，听，学

　　PI的研讨论坛是由PI社区专家推出的一种非常好的方式。由专家解答问题并在知识库存档，结果为所有人共享。

　　PROFIBUS&PROFINET论坛–欢迎大家加入PI论坛讨论问题!

　　� 博客与社交媒体

　　博客和社交媒体平台是一种树立社区意识的重要方法。可以让PI专家表达他们自己的想法，更重要的是，他们可以与你进行互动。你可以向别人学习知识，同时让别人了解你的观点。不要害怕参与讨论，反馈意见有助于我们提高服务和产品水平。

　　PROFIBlog–是由PROFIBUS&PROFINET北美的卡尔�亨宁所创建的博客。

　　去社交媒体平台“星”(Xing)和“领英”(LinkedIn)会见我们的PROFIBUS&PROFINET群体吧。

　　1.6全球协作

　　PI与志同道合的组织在自动化方面扩展了合作范围。PI相信：这种方法可以为最终用户提供专业知识、经验和资源，增加价值，追求共同的目标，从而帮助他们紧跟全球自动化的发展。

　　PI与多个组织合作，如DKE、IEC、ISA、NAMUR、AIDA、大学，当然还有最终用户和供应商社区。此外，还与Interbus组织紧密合作，为他们首选PROFINET提供工业以太网的解决方案。

　　三项重要的技术合作有：

　　� ECT(EDDL合作团队)-- EDDL，或电子设备描述语言，是主要制造厂家描述数字设备的访问信息。在过程工业，有超过1500万台设备使用电子设备描述。主要的过程控制系统和维护工具供应商都使用该技术，用来支持设备的诊断和校准。详情可访问EDDL网站。

　　� FDI(现场设备集成)-- 该项目旨在开发一种单一接口，提供结合FDT(现场设备工具)和EDDL(见上文)技术的公共解决方案。 FDT标准化了现场设备与系统之间的通信接口。它独立于通信协议，以及设备或主机系统的软件环境。 FDI将利用OPC基金会统一架构(UA)技术的先进功能。OPC是另一个全球自动化组织，与PI有着密切联系。详情可访问FDT的网站。

　　� WCT(无线合作小组)-- 联合项目，在HART有线通信的基础上，在过程工业优化使用无线技术WirelessHART标准。

　　2.技术

　　2.1概述

　　� PROFINET -- 领先的工业以太网标准

　　PROFINET已成为市场上领先的工业以太网标准。这种在全球建立并面向未来的技术得到了许多产品供应商的支持，从而确保了长期可持续发展并保护用户的投资。

　　在市场上使用的PROFINET设备数量，在近几年的增长高于平均水平：到2013年底，安装的设备超过7600000台，而且数量不断增长...

　　� 所有的工业和分支

　　PROFINET使用与办公室和IT部门相同的以太网。然而，它的能力得到了加强，以满足工业应用中遇到的最苛刻的条件。

　　无论工业应用涉及的是工厂自动化、过程自动化、或驱动器(带或不带功能安全)，PROFINET都是全线的首选。由于该技术已是汽车行业的标准，所以还可广泛用于机械制造，并经过食品、包装、物流等行业的充分验证，在所有应用领域都可以找到PROFINET的用例。

　　� PROFINET是专为工业自动化环境而设计

　　2.2收益

　　� 覆盖了所有的通信要求

　　凭借其集成的、基于以太网的通信，PROFINET可以满足各种工业需求，从数据密集型参数分配到同步I/ O信号传输。在所有应用中可使用相同的电缆完成通信，而且包括了从简单的离散控制到非常苛刻的运动控制。在PROFINET网络中，可以进行基于TCP/ IP的通信，例如，从控制室进行现场设备诊断或通过因特网进行远程维护，他们的实施是可以并行完成的。 

　　� 灵活的网络拓扑结构

　　PROFINET具有灵活的线形、环形和星形结构，PROFINET IO可满足现有工厂的各种需求，从而消除了昂贵的定制解决方案。因为该方案完全基于标准的以太网，可以容易地结合有线和无线的物理层传输。其结果是，无线以太网(WLAN)和蓝牙(blue tooth)可以透明地集成到该解决方案，其中包括实时数据。

　　� 提高可用性

　　PROFINET IO集成了冗余解决方案，从基于IT机制的网络冗余，为快速控制过程实现无扰切换，到为连续过程的相关应用实现控制系统冗余。此外，先进的诊断理念可以对网络拓扑结构和所有设备状态提供重要数据。这确保了不同厂商的产品、不同位置的设备都能诊断。这种预诊断集成机制提高了生产线的可用性。

　　� 功能安全深度集成

　　PROFIBUS已证明的PROFIsafe安全技术也可用于PROFINET IO。通过单一电缆，可以实现标准控制与功能安全的通信，开辟了一种全新的通用与安全一同通信的模式。 

　　� 现场总线系统的统一集成

　　对于现有使用现场总线结构设备的集成，PROFINET IO的模块化设备模型采用现场总线特定代理规范的标准。这就确保了一致的寻址、参数分配、现场总线诊断。

　　2.3如何实现

　　每个设备开发项目都需经历产品开发周期。在这个阶段，PI和其他成员公司可以为你提供全面的信息和支持。 

　　� 咨询

　　为了让你熟悉PROFINET，你可以利用现有的咨询服务、书籍、小册子进行学习，你也可以通过课程、研讨会和学习班的形式进行培训。

　　� 实施/ 硬件(HW)/软件(SW)设计

　　根据你需要的功能，可以为每种用例选择最合适的实施方法。原则上讲，可以使用以下选项：

　　o 标准微控制器单元(MCU)具有集成或外部标准的以太网控制器或FPGA;

　　o FPGA具有内部或外部标准的或IRT功能的交换机;

　　o 模块具有标准微控制器或微处理器具有IRT硬件的支持;

　　o 微控制器具有IRT硬件支持和IRT功能的交换机。

　　各种入门套件和评估板几乎可用于所有的实现方法。

　　� GSD

　　为了快速、轻松地配置自动化系统，现场设备制造商必须为他们的设备提供PROFINET设备描述文件。这种通用站点描述文件(GSD文件，基于XML)是相应PROFINET现场设备的描述，包含需要配置设备的所有信息。

　　� 认证

　　为了确保不同厂家现场设备的互操作性和符合性，由认可测试实验室进行设备认证是由PI规定强制执行的。其结果是，保证了最终客户的设备有一个高水平的可用性，使你和设备制造商的应用成本风险显著降低。

　　3.应用案例

　　3.1一览无遗(荷兰)

　　项目

　　普莱马格兹(Primagaz)公司位于荷兰的聚特芬，是一家供应丙烷气体的公司，供气的方法是使用卡车装载、运送、卸载丙烷气体，用户遍布全国各地。在现场，气体贮存在大罐中，因安全原因，存储罐都埋在地下，并有特殊的砂子包围，形成保护层。

　　为了确保整个站点的安全，系统集成商清视(Clearvision)实施了基于PROFINET的系统解决方案，监测不同的区域。

　　方案

　　清视公司的经理亨克?尤妮森负责开发和安装系统，他介绍说：“该解决方案最重要的功能是保护站点的安全。除了通常的围栏，还安装了大灯阻止未经授权人员进入站区。此外，用摄像系统保护和监控站点。”

　　另外，紧急停车系统(ESD)集成了20个停止开关，用于存储气体的保护设备。如果有一个紧急停止开关动作，该系统将关闭控制电压、及时供水进行灭火。 

　　清视公司还设计了一个气体检测系统，具有一系列防范措施：如果发生气体泄漏，马上通过信号指示，然后进行下一步措施，进行一次火焰检测。该解决方案还能处理其他信息，如从存储罐和压缩机得到的错误消息。

　　该解决方案是一种本质安全系统，有问题立即发出信号。通信采用PROFINET实时以太网标准，提供了所需的可靠性。亨克?尤妮森解释道：“TCP / IP信号可以通过PROFINET网络传输。我们利用这一功能，实现了摄像信号、访问安全系统和PROFINET控制器的通信。安全管理系统集成了所有各个系统并完成可视化。安装在控制和监测地点的菲尼克斯(Phoenix Contact)控制器连接到PROFINET网络，并与几个远程I / O站交换数据。该监控摄像机还可以通过PROFINET传输它们的数据。

　　结论

　　自从2009年11月开始，安全和管理的理念已经在运行中充分地实现了。而这个要求是在改造老产品前2天提出的。普莱马格兹工厂经理汉斯?格洛塔斯特非常赞赏基于PROFINET的解决方案：“该系统易用且友好。比起原先系统，现在所有信息都显示的非常详细。此外，摄像系统为我们提供站点发生的一切，诸如卡车的装载和卸载。新系统已证明比老系统更可靠。

　　3.2简单设计(德国)

　　项目

　　在食品工业中，高效率、灵活和安全地实现生产控制已成为日益重要的因素。用户要求舒尔茨系统技术公司(Schulz Systemtechnik)在其生产线的多个中间站中安装土豆的清洗设备，还包括一切相关设备，从电源到电机控制器，从可视化设备到完整的电力系统，还有照明设备和电话系统。 

　　该工厂一年工作365天，每天24小时，4班轮流工作。清洗后的土豆供应给下一步工序，加工成薯条和薯片，安装过程不干扰其他设备;高水平的可靠性、失效保护和可用性是该项目的重中之重。

　　解决方案

　　各种协议和有200多种设备参与，如操作面板、驱动器和I / O系统，使土豆清洗机连网面临挑战。 PROFINET，以太网和屋内网络需要运行在同一根电缆上。此外，可视化需要在所有的工位上实现。

　　为了避免网络故障，使用高效过滤机制的有源设备可以降低广播流量。最后选择了管理型交换机(魏德米勒)，具有附加特性和各种设置选项，提供了机器与工厂之间，以及与高层的办公网络之间的可靠通信。 

　　结论

　　舒尔茨系统技术公司的主任工程师给出了他的经验：“当建立结构化网络时，PROFINET意味着有更多的灵活性，在PROFINET网络中使用管理型交换机是理想的解决方案。它们提供了一种建立复杂网络的简单方法。”

　　3.3先进工厂(比利时)

　　项目

　　奥迪的A3、A4和A5工厂都建在英戈尔斯塔特(德国)。而新奥迪A1的工厂建在布鲁塞尔(比利时)。布鲁塞尔工厂仿照英戈尔斯塔特的工厂建造，但奥迪高层提出了要对这家工厂进行优化，详细到最微小的细节。作为目标，项目完成后，要求比起其他多数汽车制造厂更加先进。 

　　解决方案

　　效率、成本效益、模块化设计和标准化是奥迪生产系统的关键词。所有工厂必须以同样的方式尽可能快地运行，车间内的所有系统和工作设备必须按照这个原则实现最佳契合。菲尼克斯公司(Phoenix Contact)对此做出了重大贡献 -- 不仅提供了高性能硬件，还提供了强大的软件和现场培训和支持。所有的PLC、可视化系统、甚至是电器柜，都按规范尽可能一致地部署，使得建设、运行和维护变得非常容易。菲尼克斯公司的PLC，已经在英戈尔斯塔特使用，而且选择PROFINET作为网络系统，实现机器人之间和与运输系统的通信。 

　　菲尼克斯公司还提供了工业PC、控制面板、开关、I/O模块、引线、安全继电器和终端端子。强大的RFC470带有标准的PROFINET、Interbus和“板上”以太网用于控制。每个RFC位于带有主控面板的盘柜内。此外，还有大量的辅控面板通过PROFINET/以太网连接到RFC。很多分散的电机驱动器也可以通过Interbus和PROFINET由RFC驱动。仅在钣金车间，就有102台主控面板和300多台辅控面板。

　　结论

　　由于大规模的PROFINET网络以及各个装配线的诸多优化，特别是在新的钣金车间增加了450台机器人，这使奥迪公司成功地打造了欧洲历史上最现代化的奥迪工厂。