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(4)PROFInet与分布式自动化

(6)PROFInet IT标准与网络安全
PROFInet一个重要特征是可同时传递实时数据和标准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技术都可使用 (如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)。在使用PROFInet时，可使用这些IT标准服务加强对整个网络的管理和维护，可节省调试和 维护成本。
PROFInet实现从现场级到管理层的纵向通信集成，一方面方便管理层获取现场级数据，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。为保证现场级控制数据安全，PROFI-net提供特有安全机制，通过使用**安全模块，可保护自动化控制系统，使自动 化通信网络安全风险较小化。

(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，系统能恢复到安全状态(即“零态”)，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。这里，安全有两方 面含义：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。

PROFInet集成了PROFISafe行规，实现IEC61508中规定的SIL3等级的故障安全，保证了整个系统安全。

(8)PROFInet与过程自动化
PROFInet不仅可用于工厂自动化场合，也同时可面对过程自动化的应用，如图5。通过代理服务器技术，PROFInet可无缝集成现场总线 Profibus和其他总线。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年提出PROFInet进入过程自动化现场级应用方案。

三 面向未来
作为国际标准IEC61158重要组成部分，PROFInet完全开放，Profibus国际组织成员公司在2004年汉诺威展览会上推出大量带有PROFInet接口的设备，为PROFInet技术的推广和普及起到积极作用。

借助于实时通信技术，PROFInet可直接应用于底层的现场级通信(包括运动控制)，由此也实现全厂通信网络的纵向统一，管理层可方便地将现场生产数 据集成到企业信息处理系统中，为MES和ERP系统的应用打下基础；基于组件的自动化(CBA)将自动化系统的构建简化为不同功能工艺模块间的连接，大大 降低系统构建成本；IT标准和网络安全使用户在现场通信网络中放心享受IT技术带来的便利；集成的故障安全功能保了系统可靠性，为PROFInet在过 程自动化领域中的应用奠定了良好基础。

相信，随着时间流逝，作为面向未来的新一代工业通信网络标准，PROFInet必将为工厂自动化控制系统带来大收益和便利。

随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统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)成为新兴趋势。工厂中相关机械部件、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软件用图形化组态方式实现各组件间通信配置，不需另外编程，大大简化系统配置及调试过程。

(5)PROFInet网络安装
PROFInet支持星型、总线型和环型拓扑结构。为减少布线费用并保高度可用性和灵活性，PROFInet提供大量工具帮助用户方便实现安装。特别 设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并在PROFInet框架内形成标准化，保不同制造商设备间的兼容性

一 工业自动化技术的发展
工业自动化较根本目的是提高生产力、降、为工厂创造更大效益。近几十年来， 自动化技术的不断进步和发展已彻底改变了传统工厂的面貌，越来越多的工作由机器设备完成，智能控制器(如PLC)代替了生产线上忙碌的工人，生产率得到几 十倍甚至上百倍提高。工厂效益的提高对自动化控制系统的依赖程度也越来越大，自动化控制系统水平成为决定工厂效益的一个重要因素。

近十几年中，随着计算机技术的发展成熟，设备智能化程度越来越高，工业自动化控制系统分散程度也随之提高，工业通信技术在自动化系统中扮演的角色变得越来越重要，并逐渐成为决定系统性能的关键因素。

过去十几年中，现场总线是工厂自动化和过程自动化领域中现场级通信系统的主流解决方案。但随着自动化控制系统的不断进步和发展，传统现场总线技术已难以 满足用户不断增长需求。一方面随着现场设备智能程度的提高，控制变得越来越分散，分布在工厂各处的智能设备与工厂控制层之间需不断交换控制数据，导致现场 设备间数据交换量飞速增长；另一方面随着企业信息化程度提高，用户希望将底层生产数据整合到全厂信息管理系统中，并在信息管理级实现对生产现场的远程服务 和维护，这样企业信息管理系统需获取生产现场的数据，所以客户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通信解决方案。

基于这种需求，以太网技术开始逐渐从工厂和企业信息管理层向底层渗透，广泛应用于工厂控制级通信。在自动化世界中使用以太网解决方案显著优势：统一架 构、集成通信以及强大服务和诊断功能。从目前工业自动化控制领域情况来看，以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势。

不过以太网技术在工厂控制系统中的应用并不是一个简单移植过程，既要保持普通以太网技术的优势，又须解决工业现场应用中的一些问题，如实时性、运动控 制、故障安全和网络安全等，同时还需兼容现有工业以太网和现场总线通信系统。在这样的背景下，PI适时推出PROFInet，很好解决了以太网技术向底层 扩展的问题，实现工厂通信系统的纵向统一。

二 PROFInet结构和功能
作为完整、先进的工业通信解决方案，PROFInet包括8个主要功能模块，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标准和网络安全、故障安全和过程自动化。

下面分别介绍各功能模块概念和功能，以建立PROFInet整体概念。

(1)PROFInet实时通信
为保证通信实时性，需对信号传输时间做精确计算。当然，不同现场应用对通信系统实时性有不同要求，在衡量系统实时性时，使用响应时间作为一个标尺。根据响应时间不同，PROFInet支持3种通信方式：

(a)TCP/IP标准通信
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，其响应时间大概在100ms量级，对于工厂控制级应用来说，这个响应时间足够。

(b)实时(RT)通信
对于传感器和执行器设备间数据交换，系统对响应时间要求更为严格，需5～10ms。目前，可使用现场总线技术达到，如Profibus-DP。
对于基于TCP/IP的工业以太网技术，使用标准通信栈来处理过程数据包需要很可观的时间，因此，PROFInet提供一个优化的、基于以太网*二层 (Layer 2)的实时通信通道，通过该通道，较大减少了数据在通信栈中的处理时间。因此PROFInet获得等同甚至**过传统现场总线系统的实时性能。

(c)同步实时(IRT)通信
在现场级通信中，对通信实时性要求较高的是运动控制。伺服运动控制对通信网络提出较高要求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1µs，以保证及时、确定的响应。

PROFInet使用同步实时(Isochronous Real-Time, IRT)技术来满足如此苛刻的响应时间。为保证高质量等时通信，所有网络节点须很好实现同步，才能保证数据在精确相等时间间隔内被传输，网络上所有站点须 通过精确时钟同步以实现同步实时。通过规律的同步数据，其通信循环同步的精确度可达到µs级。该同步过程可精确记录其所控制系统的所有时间参数，因此能在 每个循环开始实现非常精确的时间同步。这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，须依靠网络*二层中硬件的支持，即西门子IRT同步实时ASIC芯片。

(2)PROFInet分布式现场设备
通过集成PROFInet接口，分布式现场设备可直接连接到PROFInet上，如图3。以ET200系列分布式I/O为例，集成PROFInet接 口，可实现现场分布式I/O与PROFInet的通信。除ET200外，其他设备如PLC和驱动设备等也可提供PROFInet与其他设备的通信。
对于现有现场总线通信系统，可通过代理服务器实现与PROFInet的透明连接。如通过IE/PB bbbb(PROFInet和Profibus间的代理服务器)可将一个Profibus网络透明地集成到PROFInet中，Profibus各种丰富 的设备诊断功能同样也适用于PROFInet。对于其他类型现场总线，可通过同样的方式，使用一个代理服务器将现场总线网络接入到PROFInet中。

(3)PROFInet运动控制
通过inet的同步实时(IRT)功能，可轻松实现对伺服运动控制系统的控制。在PROFInet同步实时通信中，每个通信周期被分成两个不同部分：一 个是循环的、确定的部分，称为实时通道；另一个是开放通道，标准TCP/IP数据通过这个通道传输。如图4，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次序插入，因此实时数据就在固定间隔被传送，循环周期中剩余时间用来传递标准TCP/IP数据。两种不同类型数据就可同时在 PROFInet上传递，且不会互相干扰。通过独立实时数据通道，保证对伺服运动系统的可靠控制。

1.G3系列PLC有哪些模拟量处理模块？
 
答：随着小型PLC性能的提高和应用范围的扩大，小型PLC已经不再局限于传统的离散控制的场合，开始越来越多的应用于过程控制。同样，对小型PLC来说，模拟量信号处理也越来越重要。

G3系列PLC拥有多款模拟量处理模块。其中包括模拟量输入模块LM3310、LM3310A、LM3310B、LM3313，模拟量输出模块LM3320，模拟量输入输出模块LM3330等。

LM3310、 LM3310A和LM3310B都是4通道标准信号输入模块，可以输入的信号有0~10V/4~20mA/0~20mA。LM3313是8通道模拟量输入，输入信号包括-10~10V/-20~20mA。LM3320是2通道模拟量输出模块，可以输出的信号包括0~10V/0~20mA。LM3330是 4通道模拟量输入/1通道模拟量输出模块，其输入信号与LM3310A类似，输出信号与LM3320类似。

G3系列PLC同时还有几款特殊的温度采集模块，可以直接接入温度传感器而不用外加变送器。LM3311是4通道热电偶温度采集模块，允许接入标准的热电偶传感器。LM3312是4通道热电阻温度采集模块，允许接入Pt100或者Cu50等标准热电阻。LM3314是一款8通道热敏电阻温度采集模块，允许接入负温度系数，B值可选的热敏电阻。
 
2.LM3310、LM3310A、LM3310B这三款模块有什么区别？
 
答：LM3310、 LM3310A、LM3310B都是4通道标准信号输入模块，但三者有一些区别。LM3310输入端属于差分形式，采用12位的A/D转换芯片，适用于要求输入响应较快的场合。LM3310A输入端属于单端形式，同样采用12位的A/D转换芯片，适用于要求输入响应较快的场合。而LM3310B采用单端输入，16位的A/D转换芯片，适用于要求精度高，但并不要求快速响应的场合。

同时要注意，因为LM3310A和LM3310B属于单端输入，如果多个变送器负端不能短接，则较多只能接一个变送器，或者选用LM3310模块。

三者的具体区别详见下表：

  


3.采用LM3320模块进行模拟量输出，但是如果只希望输出0～5V，可以实现吗？
 
答：可以。LM3320可以实现0～20mA或者0～10V输出。如只希望输出0～5V，完全可以实现。
 
4.称重传感器通过变送器送过来的标准信号，可以是电压也可以是电流信号，LM3310有没有要求？这个信号的值在PLC寄存器中是如何反映的？ 
 
答：LM3310可以接收电压（0～10V）、电流（0～20mA）或电流（4～20mA）4路信号。而且各路信号可各不相同，只需在PLC配置时配置相应的信号就可以了。对应关系如下：
  


比如你的0－1000公斤对应0－10V，而PLC中0－10V对应0～65535，那么你的0－1000公斤在PLC中就对应0～65535。
 
5.可以直接将热电偶或者热电阻信号接入G3 PLC么？
 
答：当然可以了， G3系列PLC的模拟量扩展模块不仅包括标准信号输入模块，还有专门的温度模块扩展模块：热电阻模块、热电偶模块、热敏电阻模块，且模拟量精度高。热电偶支持类型包括J、K、T、N、E、R、S、B、-80~80mV，热电阻支持的类型包括Cu50、Pt100。
 
6.模拟量滤波有什么效果？如何设置？
 
答：一般情况下选用G3的模拟量滤波功能就不必再另行编制用户的滤波程序。如果对某个通道选用了模拟量滤波，CPU将在每一程序扫描周期前自动读取模拟量输入值，这个值就是滤波后的值，是所设置的采样数的平均值。模拟量的参数设置（采样数及死区值）对所有模拟量信号输入通道有效。 如果对某个通道不滤波，则 CPU不会在程序扫描周期开始时读取平均滤波值，而只在用户程序访问此模拟量通道时，直接读取当时实际值。

HOLLiAS-PLC产品提供了完善的网络接口、I/O以及功能模块，产品贴近用户的五种解决方案可以根据用户需要进行灵活的配置，根据不同的需求可以做出合理的、高性价比的硬件配置方案。



■HOLLiAS-PLC MPI解决方案

MPI是由西门子公司推出的协议，在协议上，MPI与Profibus-DP仅在*七层不同。MPI的通讯方式是一种廉价、优质的通讯方式，该方式直接采用CPU的编程口（MPI口），*其它网络模块。在结构上，MPI没有主从式结构网络上全为主站。


如上图所示为MPI解决方案，操作员站与HOLLiAS-PLC模块之间通过一根MPI电缆就可以完成通讯。在速度和通讯距离要求不高的地方，使用MPI的通讯方式是比较好的选择。

■HOLLiAS-PLC串行通讯解决方案

HOLLiAS-PLC系统可提供RS232通信模块，采用3964+RK512协议，直接接入PC机，也可提供RS485通信模块，提供无协议的ASCII通信方式，直接与PC机进行连接。通过RS485模块，系统可以连接多达32台RS485接口现场仪表。



■HOLLiAS-PLC无线通讯解决方案

HOLLiAS-PLC系统可以通过无线方式进行数据的传输。无线通讯系统的是通过电台来完成的。

无线通讯系统由一个主站电台和相应采集站电台及相关设备组成，担负着控制室和相应站点之间的任务。中心站负责各采集/控制站的轮询，采集/控制站中CPU通过RS232通讯模块连接电台，这样，在中心站的电脑里就可以看到各个采集站的数据。


较终的数据必须依据实地的无线电电波传播测试结果。无线电电波传播测试完成后，根据测试情况和实地地形地貌，通过理论计算和实际经验，推论出各个远端站的天线架设高度等信息，从而为较终的设计提供依据。

■HOLLiAS-PLC现场总线解决方案

现场总线就是应用在生产现场，在微机化测控设备之间实现双向串行多节点数字化通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线一般是开放的、与制造商无关的并且没有知识产保护的标准。世界上任何厂商都可以利用该标准设计自己的产品。其中Profibus-DP用于现场级，这一级要求响应时间短，分散的外设间信息高速传输。Profibus-DP为国际标准IEC61158的一个子项，主要特点是速度快，网络协议开放，有众多厂家产品支持，相比其他总线系统，其速度可以达到12Mbps，能够完成快速机械连锁控制。和利时公司已经掌握了Profibus-DP的核心技术，并把其应用于HOLLiAS-PLC系统中。


HOLLiAS-PLC产品提供了带DP从站接口的CPU，同时还提供了DP主站/从站接口模块。DP主站接口模块较多可以连接128个DP从站，为系统的进一步扩展留有充足的接口。系统中采用带DP从站接口的CPU作为子站，其控制功能可以不依赖于网络，即使网络发生断线等故障，子站设备也不会失控；同时当网络上数据通讯量较大时，避免因网络负荷过重导致通讯效率低下，造成设备的监控不及时。
如果在计算机中插入DP主站卡，那么计算机就可以作为主站对从站设备数据进行采集和控制。如下图所示：


Profibus-DP通讯电缆采用屏蔽双绞线，可有效地避免对系统通讯的干扰。同时，其他满足Profibus认证的产品也可以与HOLLiAS-PLC进行连接，更有效地对系统进行控制。

■HOLLiAS-PLC以太网解决方案

以太网是一种网络技术，基于CSMA/CD（Carrier sense multiple Access with Collision Detection,载波侦听/碰撞检测）控制各节点对网络的访问，在中等通信量时，以太网技术是非常有效的，它在大多数速率的情况下都提供了高性能。以太网通讯的传输协议为TCP/IP，TCP/IP为开放式协议，因此以太网是目前开放性较好的网络，被大多数厂家的工业以太网产品所应用，能够轻松满足用户将来的扩容需要，从而能够很好保护用户的投资。

应用以太网方式进行通讯，可以使系统结构简洁，减少了中间环节，降低发生故障和瓶颈效应的几率。以太网的通讯方式以其开放性为将来系统扩展、增加三方的设备提供了较大的可能性。工业以太网采用10Base2方式，每网段距离可达200m，通讯速率为10Mbps，并且不会因通讯距离的增减而影响通讯速率。


HOLLiAS-PLC产品提供了以太网方式的解决方案，采用标准以太网星型/总线型结构，可以提供RJ45接口，也可以采用同轴电缆和光缆。HOLLiAS-PLC产品提供带以太网接口的PLC，通过这个接口，系统可以与其他符合TCP/IP协议的系统或设备相连。如上图所示，几个带以太网接口的PLC通过工业级HUB与带以太网卡的操作员站相连接，连接方式非常简便可靠。

由于以太网传输原理的制约，在网络上节点设备较多时，相互之间有可能因为数据碰撞而发生阻塞现象。HOLLiAS-PLC的以太网接口采用了专为工业控制设计的*有技术——IPC通讯方式，在两个节点之间通讯时，无论是发送数据还是接收数据都被保存在接口模块的数据缓存器中，当接到其他站的通讯请求时，接口模块会自动判断本次请求的数据与上次请求的数据是否一致，若被请求的数据在两次通讯之间没有发生变化，被请求通讯的站会向请求通讯的站发出一个较短的特殊意义字符，告之数据未发生变化，而不发送整个数据包。这种设计可以降低70-80%的数据通讯量，从而较大程度地降低了网络负荷，避免网络阻塞的发生，有效地提高了系统的可靠性。