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通信亮点-IO通信
作者:pijing 发布日期:2022-03-16 15:52

●   面向未来的快速的健壮的I/O通信

●   简单的跨厂商的数据访问

●   结合TCP/IP集成的,与IO通信并行的模块化结构

 

IO概述

充满活力的开放标准

       PI的技术的成功如今已经被证实。几十年来,PI的技术经提供了可靠和高性能的IO通信,也包括应用特定任务的广泛行规、完美的IO-Link集成和最全面的诊断。PI的技术满足工业自动化各个领域的实时性要求,而且在传输的数据量方面也非常强大

       但“一揽子方案”是决定性的。在实践中,同样重要的是基础架构和相关生态系统的运作。这包括许多细节,例如插头或电缆的安装方式,健壮网络的建设和验收指南,或安全要求的处理

       在所有这些措施中,用户和设备制造商都得到了众多基础技术部件供应商以及测试实验室、能力中心、技术支持培训中心、区域PI协会(RPA)培训中心和促销活动营销工作组的全球联网组织的支持。因此,PROFINET用户不仅可以得益于一种实用且经过验证的技术,而且还可以得益于在启动或扩展时获得的帮助

 

自动化的世界不会停滞不前

       技术必须保持活力,并以敏捷的方式进一步发展。PI的技术一直在适应自动化和通信领域的新挑战。只有那些正视并满足新要求的技术才是永不过时的,而这些新要求正是实施“工业4.0”应用和数字化带来的。

总之,这意味着:

●   连续访问现场扩展数据

●   对象建模

●   对新的基础技术开放

●   保持快速和可靠的IO通信。

 

兼容性和开放系统是工业4.0未来的驱动力

       兼容性问题是未来发展的决定性因素。新的开发和增加是基于当今成熟的技术。20年前建立的PI技术模块化和开放式体系结构,可以实现对时间敏感网络(TSN)、OPC UA和高级物理层(APL)等新技术的无缝集成

      开放TCP/IP接入一直是PROFINET技术的一部分,在未来将变得越来越重要。在开发过程中,清晰的可追溯过程确保持久可靠的创建解决方案

      顺带说一句,这种进一步的开发总是在与大型PI社区密切合作的情况下进行的,他们贡献了自己的实践经验。

 

IO相关细节

标准化是工业4.0应用的基础

 

TCP/IP的开放性是广泛应用的基础

       上市设备数量的最新数据说明了一切:2019年安装了640万台PROFINET设备,创下了新纪录。这相当于25%的年增长率,总数为3240万。有趣的是它的广泛应用——PI技术在所有行业都有应用。人们常常忽视的是,今天成功的基础是几十年前打下的。这包括以太网标准的使用、模块化解决方案、一致性决策、对TCP/IP和其他IT协议的开放性。

       PROFINET体系结构的优点是TCP/IP独立于IO通信,并且与IO通信并行,不需要额外的硬件。此外,这种方法即使在控制器发生故障或出现问题时也能工作,并且不需要任何控制器的计算能力。例如,可以很容易地将控制器或设备旁边的附加边缘网关与其他协议集成到网络中。

图1:集成TCP IP的固件体系结构

 

容易获得诊断数据

      “工业4.0”基于生产设施现场的广泛信息。除了自动化生产和设备的控制外,远程维护、资产管理、预测性维护、状态监测和数据分析越来越需要这些信息,以优化生产并使生产更加灵活。

       诊断信息在发生时首先传输到控制系统,并由报警机制进行确认。详细信息可以从控制器请求,以便在HMI中显示,也可以从其他参与者(如网络中的维护站)请求。

图2:报警和非循环读取诊断信息以及控制系统中的反应

       报警和对诊断信息的非循环读取使控制系统产生反应。此外,叠加系统也可以独立地收集这些信息

 

另一个例子:

       有时需要集中记录整个工厂所使用设备的固件和硬件版本,以便进行更新。两者都是典型的诊断任务,乍看起来并不特别复杂。然而,在实践中,如何准备这些信息,使其能够在实践中使用,这是一个挑战。

       如果没有PI的工作,用户将无法获得这些信息,或者只能在有限的范围内获得这些信息。

 

设计中的确定性和速度

       实时数据和TCP/IP数据在PROFINET网络中共存。需要适当的机制来确保不同需求的可伸缩性。在RT中,PROFINET实时数据在优先级排序中优先级高于TCP/IP数据。因此,可以实现几毫秒范围的总线周期时间。在等时实时(IRT)中,网络和应用程序以1微秒的精度同步,IO通信被精确规划。因此,IRT特别适用于要求高的网络,例如印刷机所需的网络,其中大量驱动器必须以高精度同步运行。这使得循环时间可达31.25微秒。这些机制现在也用于时间敏感网络(TSN(见基于TSN的PROFINET)

图3:IO数据与TCP/IP网络流量分配

 

客户利益:开放性和跨供应商数据建模

       为了确保开放性和供应商独立性标准化是必须的,但同时也很复杂,因为来自不同公司的专家必须一起合作,而高效,清晰、开放和可理解的流程提供了必要的基础支撑。这不仅适用于PROFINET通信系统,也适用于已成功使用多年的PROFIsafe、PROFIenergy或PROFIdrive等用户行规。

      PI负责协调这些不同的任务,否则每个设备制造商必须单独详细说明哪些用户可以访问哪些数据以及如何显示这些数据。反过来,用户必须为他的每一个设备做特定的集成。这在细节上太复杂了。

      不过得益于PI的工作,实际上已经有标准的解决方案,因此集成设备的程序员也可以轻松不少。这同样适用于系统的启动。在这里,用户不必担心参数化,也不必担心特定设备何时启动。用户还可以放心地同步性、冗余性和快速启动等方面交给PI。设备制造商只需使用所提供的技术包即可。

      对于某些用例特定需求的简单解决方案,有许多不同的可选特性,例如:

●   共享设备/共享输入从不同控制器访问同一设备

   o   并行读取输入,节省控制器之间例程复制

   o   连接安全和标准控制器

●   快速启动:机器人换刀装置的快速启动

●   各种冗余机制

●   各种介质

 

易于集成的全过程

       PI非常注重在标准化机构、安全专家和IT专业人士、基础技术提供商、设备制造商、设备制造商和用户之间建立顺畅工作流程和接口。这也才有与其它机构强有力的合作,例如与OPC基金会, eCl@ss,Fieldcomm Group,AIDA或Namur的合作。

      另一个重要产耱点是制定移植战略,使以前的投资得到保护。

      换句话说:PI着眼于大局,接受社区的建议。因此,新的主题可以在一个大市场中更快地实施

 

IO用例

拓扑采集与显示

       在规划阶段,以及在建立一个工厂或机器时,会进行许多更改或调整。当然,变更应该直接体现在现有的工厂文件中。但在现实中,这日常工作通常做的不到位。这种不一致可能贯穿于工厂的整个生命周期。以致最后,由于订购了错误的备件而导致无法按计划进行维护或修理。每个人都希望获得更简单、更可靠的文档

       PROFINET的资产识别功能为此提供了广泛的支持,允许记录工厂拓扑结构,自动识别设备、模块和子模块

 

资产管理

       所有相关信息都可以方便快捷地访问-完全独立于制造商,也独立于控制系统的状态和功能。这些信息对于资产管理尤为重要,即安装了哪些设备、涉及哪个版本以及它们处于什么状态。更重要的是,可用性更为广泛的维修保养计划。

       随着资产记录服务(映射到资产管理记录(AMR))的引入,现有的识别和维护服务(I&M)正在得到补充。这使得整个站点的资产管理自动化,甚至是那些没有通过PROFINET建模的组件。

 

诊断

       简单而快速的诊断机制提高了机器和系统的可用性,是提高生产率的基础。PROFINET的一致诊断使得在很短的时间内获得机器或系统状态的总览成为可能。

       现在已经有一整套工具和装置来收集调试、持续运行或发生故障时的一般信息和详细诊断信息,并且以用户友好的方式提供给用户。大量可能的错误已经标准化(例如短路),因此无论制造商是谁,对于相同的错误,发送给用户的都是相同的消息。对于特定于设备或制造商的错误,则在通用站点描述(GSD)文件中进行描述

       OPC-UA、时间敏感网络(TSN)或现场设备集成(FDI)也为更好更快地获取重要信息提供了有吸引力的可能性。不过,单靠这些技术还无法提供数据,但现场超过3000万个具有PROFINET接口的设备可以提供。现在要的是把这两个世界结合在一起,这就是PI给自己的任务,这正是使用PROFINET的OPC UA配套规范将数据映射到OPC UA数据模型中的原因。

       由于PROFINET的开放性,可以增加额外带有OPC-UA接口的传感器,这些传感器可以直接将其值发送到相应的云服务或边缘网关,而不必费力地重建自动化解决方案。

 

等时模式运动控制

       IRT(等时实时)网络的工作时钟同步是设备内部处理过程同步的基础。得益于此,所有分布式设备的输可以同步记录并在控制系统中处理,然后同步运动控制驱动器和其他设备的输出

 

冗余

     PI技术的一大优势是可扩展的冗余性,根据工作量、成本或期望的可用性,可以获得适合各自需求的解决方案。

     PROFINET提供两种介质冗余解决方案:介质冗余协议(MRP)和规划复制的介质冗余协议(MRPD)

●   MRP是PROFINET的基本冗余协议,在运行ROFINET网络环网结构时必须应用。在PROFINET标准的实时通信中,应用MRP足够了。

●   如果传输高速PROFINET IRT控制数据,则需要MRPD

       系统冗余也在发挥着他的作用,如面要两个控制器可以访问一个设备(S2),或者对两个不同控制器有不同的接口(R1)。介质冗余和系统冗余组合应用也是可能的,这可能是过程自动化或基础设施项目所需要的。

 

集成IO-Link

       IO-Link使数据能够在IO-Link设备(传感器和执行器)和IO-Link主站(IO模块或控制器)之间进行交换。这与工业 4.0的步调完全一致,使得从传感器/执行器到机器和系统所有层级的数据都可用—这是实现全新和更好的机器功能的潜力。

       在自动化系统或现场总线的配置中,IO-Link系统由IO-Link主站代表,并通过相应的设备描述文件进行集成。IO-Link主站可以是现场总线的一个子站或用户,也可以是连接到现场总线的模块化IO系统的一部分。这两种情况下,IO-Link主站的描述文件都要描述其端口数量地址范围模块属性

 

行规文件

      应用行规考虑了应用特定的特性,并允许达到高层级上的标准化。众多的应用行规完善了产品线,如PROFIsafe、PROFIenergy、PROFIdrivePROFIprocess。应用行规使得生产线上设备数据信息交换可以独立于制造商

 

IO常见问题

1.在哪里可以获得IO通信的信息?

      PI组织了许多研讨会,专门讨论与PROFINET技术相关的广泛主题。研讨会面向用户或开发者,是了解最新发展状态和建立联系的理想机会。

      此外,在30个国家有60多个PI能力中心可以作为联系人回答问题。得益于这一全球网络,随时随地都可以获得专家支持。能力中心也对PROFINET设备和系统的首次开发人员提供建议和实用支持。

 

2.如何将IO通信集成到设备中?

       得益于这个独特的社区,有大量的技术制造商可供选择。他们在规划、集成和FW-HW包方面提供帮助

       根据平台的不同,有不同的解决方案。决定性的因素是,解决办法不止一个。为此,您可以对自己的设备设计进行最佳调整。在这里您可以找到更多信息:PROFINET设备实现

 

3 为什么规范每年都有更新?

      技术在不断发展。因此,我们也在不断扩展功能。PI以这种方式支持用户,总是考虑用户的需求。此外,规范还补充了设备制造商的经验和反馈

      用户和制造商越多地阅读和实施一个标准,这样的规范就越有发展。同时,PI一直关注与现有技术的兼容性,因此该技术变得更加安全和健壮。

      重要的是要知道:这个进一步的发展过程总是公开和明确地传达给每个人。没有隐藏的信息或内部操作。这种开放性是PI的DNA。一旦年度更新发布,每个用户都可以采用它。几十年一直是这么做的。

 

4认证过程是怎样的?

       PI提供了一份详细的文件,指导设备制造商逐步完成获取PROFINET设备证书的过程。该文件包含许多成功准备认证测试的提示,以及品牌和处理设备分类的程序描述。PI有部门专门负责更新文件至最新

 

5 TSN会取代IRT吗?

      单纯的TSN永远无法取代PROFINET,因为它是通信协议所基于的一项基本技术。

      有关详细信息,请参阅PROFINET over TSN的常见问题解答