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摘 要：本文比较了PROFINET与PROFIBUS两种网络控制系统，探讨了PROFINET在卷包风力送丝控制系统中的应用。PROFINET可以克服传统控制网络的低速、复杂以及诊断困难等缺点，保证系统响应速度快、跟踪性能好、快速定位故障点、一网到底、维护简便等。实践证明，PROFINET網络控制完全适用于如风力送丝等各种复杂的生产过程控制，具有很好的实用价值。
关键词：PROFIBUS；PROFINET；风力送丝系统；实时通信
中图分类号：TE46文献标识码： A
0 概述
随着烟草市场的竞争，按照烟草国家局“卷烟上水平”和“创建优秀卷烟工厂”的行业发展要求，卷烟加工企业提出“提高质量、降低消耗、提升效率”的目标，这就要求卷烟机风力送丝控制系统高可靠性、先进性、高稳定性。随着通讯技术、网络技术、人机接口技术的发展，卷烟机风力送丝控制系统逐渐向数字化、智能化、网络化发展[1]。安徽某卷烟厂在异地搬迁技改中，顺应行业发展新的技术要求，许多设备和系统的控制均采用了PROFINET网络控制方案，其中就包括卷烟机风力送丝控制系统。
卷接机组的风力送丝系统是指由一台负压风机产生的负压，将存贮在喂丝机中的烟丝通过管道输送至卷烟机内，一套风力送丝系统同时为多台卷烟机提供风力，为了稳定各台卷烟机烟丝输送速度和平衡系统风力稳定而建立的一整套设备及相关控制系统。风力送丝控制系统是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。原来使用的的现场总线（如PROFIBUS等）技术，控制任务量大时，具有网络结构复杂、传输速率低、故障点不易定位以及调试诊断不方便等诸多缺点。
1 PROFINET实时通信分类
PROFINET包含两类不同性能的实时周期通信，一种是实时（RT）通信，主要用于工厂自动化，这一类没有时间同步要求，一般只要求响应时间为5~10ms。另一种是等时同步实时（IRT），主要用于有苛刻时间同步要求的场合例如运动控制，电子齿轮。与此对应，PROFINET 提供两类实时通信通道具体分为RT 实时通道和IRT 实时通道。另外还包括一个标准通信通道，标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通信通道，主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。实时通道RT 是软实时SRT(Software RT) 方案，它旁路TCP/IP 层，同时为优化通信功能，PROFINET RT帧根据IEEE802.1Q/P 定义了报文的优先级，最多可用7级。PROFINET RT通信协议及帧结构如图1所示，PROFINET IRT通信协议及其帧结构如图2所示[1-3]。
图1 PROFINET RT通信协议及其帧结构图2 PROFINET IRT通信协议及其帧结构
2 PROFINET与PROFIBUS的比较
2.1 PROFINET与PROFIBUS的关系[3-7]
1）PROFINET和PROFIBUS是PROFIBUS国际组织推出的两种现场总线。
2）PROFINET基于工业以太网，而PROFIBUS基于RS485串行总线。
3）两者协议上由于介质完全不同，没有任何关联。
4）两者相似的地方都具有很好的实时性，原因在于都使用了精简的堆栈结果。
5）基于标准以太网的任何开发都可以直接应用在PROFINET网络中。
2.2 PROFINET与PROFIBUS的性能比较
本文针对PROFINET与PROFIBUS两种网络，从网络性能、通讯报文及速率等多个方面进行比较和分析。
表1 PROFINET与PROFIBUS的性能比较
名称 PROFIBUS PROFINET
性能
传输最大带宽（Mbps） 12 100
用户数据最大长度（bytes） 244 1400
传输方式 半双工 全双工
主站数 一般1个，多主站会导致DP循环周期过长 多个控制器不会影响IO响应时间
终端电阻 需要 不需要
通讯介质 铜或者光纤 可用无线（WLAN）等额外的介质
站点类型 只能做主站或从站 可以既做IO控制器又做IO设备
从站数量 <126 <255
从表1可以得出，PROFINET较PROFIBUS功能更加完善，具有传输速率更高、抗干扰能力更强、使用更方便等诸多优点。
2.3 PROFINET与PROFIBUS的通信比较
本文将从通信协议的数据传输时间以及总线循环时间等方面来对PROFINET与PROFIBUS两种网络进行比较和分析。
图3 PROFINET与PROFIBUS的ET200总线循环时间时间比较 图4 PROFINET与PROFIBUS的传输时间比较
从图3可以看出，PROFIBUS总线技术也在不断的改进之中，总线循环周期也在逐年降低，但其总线循环时间仍远远大于PROFINET，最大甚至达到40倍以上。
从图4可以看出，PROFIBUS的数据传输时间与其组态的传输速率成反比，但即使在其最大传输速度100Mbps时，其数据的传输时间仍远远大于PROFINET。
2.4 PROFINET的优势
综上所述，PROFINET所具有的主要优势如下：
1）通信速度快，可实现以太网通信的实时性。
2）网络拓扑灵活：针对要联网单元的要求而定，PROFINET网络拓扑有：星型、线型、树型和环型结构。实际的系统是由混合结构组成，可以用铜缆或光缆实现。
3）网络安装可靠：PROFINET网络安装依据工业环境下对以太网的特殊要求给设备制造商提供清晰的设备接口规范和布线要求。
4）一网到底：将底层设备控制网、车间主干网、集中监控网、生产管理网实现了在网络层的统一，最上层网络可通过TCP/IP 协议直接访问和诊断到最低层的I/O设备。
3 PROFIBUS与PROFINET在风力送丝控制系统中的应用比较
PROFIBUS网络结构如图5所示。当工艺风力控制系统的控制任务量大时，PROFIBUS现场总线技术的网络结构复杂、传输速率低、故障点不易定位以及调试不方便等诸多缺点将极为明显。
PROFINET网络结构如图6所示。该网络技术灵活多变，能容纳更多类型的设备，甚至能与PROFIBUS网络无缝连接，保护用户投资。
图5PROFIBUS网络结构图 图6PROFINET网络结构图
安徽某卷烟厂的风力送丝控制系统原来使用的现场总线技术为PROFIBUS网络。该卷烟厂在易地搬迁技改中，顺应新的技术要求，风力送丝控制系统采用了PROFINET网络控制的方案，网络结构如图6所示，风力送丝控制系统结构如图7所示。
图6 PROFINET在风力送丝控制系统中的应用 图7 风力送丝系统结构图
1）方案中包含了S7-400系列PLC、ET200S IO设备、变频器、交换机、触摸屏以及上位机等诸多类型的设备，采用星形网络拓扑，结构简单、易于扩展等，实现了一网到底的控制理念。
2）通过PROFINET，分布式现场设备（如现场IO设备，例如信号模板）可直接连接到工业以太网，与PLC 等设备通讯，并且可以达到与其它现场总线（如PROFIBUS等）相同甚至更优越的响应时间，其典型的响应时间在10ms的数量级，完全满足现场级的使用。
3）基于PROFINET的风力送丝控制系统，不仅优化了控制系统的结构，解决了技术难点，也完全满足了风力送丝的各个性能指标要求。
4）系统调试维护非常方便。
5）尽管风力送丝控制系统是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统，该系统调试完成之后，已经正常运行三年，稳定可靠，且各方面的性能较以前均有显著的提高，有力的保障了卷包车间正常的生产秩序。
4 结论
本文比较了PROFINET与PROFIBUS两种网络控制系统，并将PROFINET应用于卷包风力送丝控制系统。该系统是将PROFINET网络控制应用于生产制造业的有益尝试，对于此类应用具有较好的指导意义。通过PROFIBUS和PROFINET的比较与应用可知：
1）PROFINET网络控制既具有传统的实时性，也有适应新的控制要求的快速性，能克服PROFIBUS控制网络的低速、复杂以及诊断困难等缺点。
2) 在实际应用中，PROFINET网络结构多样，能实现一网到底。与原系统相比，其性能更好，响应时间更少，跟踪性能更好，可快速定位故障点，系统的维护简单。
3）PROFINET网络控制能应用于风力送丝等各种复杂的生产过程控制中，具有较好的实用价值。
参考文献
[1]PROFINET CBA 在烟草制丝线控制系统中的应用《工业控制计算机》2013年第26卷第8期，81-84
[2]PROFIBUS International．PROFINET Technology and Application System Description[Z].2006
[3]西门子（中国）有限公司.基于组件技术的自动化J.仪器仪表标准化与计量，2003(5):23－25
[4]彭杰，李秀元，应启戛. PROFINET及其同步实时通信分析[J]. 微计算机信息，2006，22(25)：208-209.
[5]张进鸿，赵伟. 基于工业以太网Profinet卷烟制丝线的网络控制系统[J]. 科技风，2013：37.
[6]董伟，李正，赵瑜，等. PROFINET CBA 在煙草制丝线控制系统中的应用[J]. 工业控制计算机，2013，26(8)：81-82.
[7]李秀元，彭杰，应启戛. PROFINET实时通信技术剖析[J]. 电气自动化，2006，28(3)：29-31.
关键词：PROFIBUS；PROFINET；风力送丝系统；实时通信
中图分类号：TE46文献标识码： A
0 概述
随着烟草市场的竞争，按照烟草国家局“卷烟上水平”和“创建优秀卷烟工厂”的行业发展要求，卷烟加工企业提出“提高质量、降低消耗、提升效率”的目标，这就要求卷烟机风力送丝控制系统高可靠性、先进性、高稳定性。随着通讯技术、网络技术、人机接口技术的发展，卷烟机风力送丝控制系统逐渐向数字化、智能化、网络化发展[1]。安徽某卷烟厂在异地搬迁技改中，顺应行业发展新的技术要求，许多设备和系统的控制均采用了PROFINET网络控制方案，其中就包括卷烟机风力送丝控制系统。
卷接机组的风力送丝系统是指由一台负压风机产生的负压，将存贮在喂丝机中的烟丝通过管道输送至卷烟机内，一套风力送丝系统同时为多台卷烟机提供风力，为了稳定各台卷烟机烟丝输送速度和平衡系统风力稳定而建立的一整套设备及相关控制系统。风力送丝控制系统是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。原来使用的的现场总线（如PROFIBUS等）技术，控制任务量大时，具有网络结构复杂、传输速率低、故障点不易定位以及调试诊断不方便等诸多缺点。
1 PROFINET实时通信分类
PROFINET包含两类不同性能的实时周期通信，一种是实时（RT）通信，主要用于工厂自动化，这一类没有时间同步要求，一般只要求响应时间为5~10ms。另一种是等时同步实时（IRT），主要用于有苛刻时间同步要求的场合例如运动控制，电子齿轮。与此对应，PROFINET 提供两类实时通信通道具体分为RT 实时通道和IRT 实时通道。另外还包括一个标准通信通道，标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通信通道，主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。实时通道RT 是软实时SRT(Software RT) 方案，它旁路TCP/IP 层，同时为优化通信功能，PROFINET RT帧根据IEEE802.1Q/P 定义了报文的优先级，最多可用7级。PROFINET RT通信协议及帧结构如图1所示，PROFINET IRT通信协议及其帧结构如图2所示[1-3]。
图1 PROFINET RT通信协议及其帧结构图2 PROFINET IRT通信协议及其帧结构
2 PROFINET与PROFIBUS的比较
2.1 PROFINET与PROFIBUS的关系[3-7]
1）PROFINET和PROFIBUS是PROFIBUS国际组织推出的两种现场总线。
2）PROFINET基于工业以太网，而PROFIBUS基于RS485串行总线。
3）两者协议上由于介质完全不同，没有任何关联。
4）两者相似的地方都具有很好的实时性，原因在于都使用了精简的堆栈结果。
5）基于标准以太网的任何开发都可以直接应用在PROFINET网络中。
2.2 PROFINET与PROFIBUS的性能比较
本文针对PROFINET与PROFIBUS两种网络，从网络性能、通讯报文及速率等多个方面进行比较和分析。
表1 PROFINET与PROFIBUS的性能比较
名称 PROFIBUS PROFINET
性能
传输最大带宽（Mbps） 12 100
用户数据最大长度（bytes） 244 1400
传输方式 半双工 全双工
主站数 一般1个，多主站会导致DP循环周期过长 多个控制器不会影响IO响应时间
终端电阻 需要 不需要
通讯介质 铜或者光纤 可用无线（WLAN）等额外的介质
站点类型 只能做主站或从站 可以既做IO控制器又做IO设备
从站数量 <126 <255
从表1可以得出，PROFINET较PROFIBUS功能更加完善，具有传输速率更高、抗干扰能力更强、使用更方便等诸多优点。
2.3 PROFINET与PROFIBUS的通信比较
本文将从通信协议的数据传输时间以及总线循环时间等方面来对PROFINET与PROFIBUS两种网络进行比较和分析。
图3 PROFINET与PROFIBUS的ET200总线循环时间时间比较 图4 PROFINET与PROFIBUS的传输时间比较
从图3可以看出，PROFIBUS总线技术也在不断的改进之中，总线循环周期也在逐年降低，但其总线循环时间仍远远大于PROFINET，最大甚至达到40倍以上。
从图4可以看出，PROFIBUS的数据传输时间与其组态的传输速率成反比，但即使在其最大传输速度100Mbps时，其数据的传输时间仍远远大于PROFINET。
2.4 PROFINET的优势
综上所述，PROFINET所具有的主要优势如下：
1）通信速度快，可实现以太网通信的实时性。
2）网络拓扑灵活：针对要联网单元的要求而定，PROFINET网络拓扑有：星型、线型、树型和环型结构。实际的系统是由混合结构组成，可以用铜缆或光缆实现。
3）网络安装可靠：PROFINET网络安装依据工业环境下对以太网的特殊要求给设备制造商提供清晰的设备接口规范和布线要求。
4）一网到底：将底层设备控制网、车间主干网、集中监控网、生产管理网实现了在网络层的统一，最上层网络可通过TCP/IP 协议直接访问和诊断到最低层的I/O设备。
3 PROFIBUS与PROFINET在风力送丝控制系统中的应用比较
PROFIBUS网络结构如图5所示。当工艺风力控制系统的控制任务量大时，PROFIBUS现场总线技术的网络结构复杂、传输速率低、故障点不易定位以及调试不方便等诸多缺点将极为明显。
PROFINET网络结构如图6所示。该网络技术灵活多变，能容纳更多类型的设备，甚至能与PROFIBUS网络无缝连接，保护用户投资。
图5PROFIBUS网络结构图 图6PROFINET网络结构图
安徽某卷烟厂的风力送丝控制系统原来使用的现场总线技术为PROFIBUS网络。该卷烟厂在易地搬迁技改中，顺应新的技术要求，风力送丝控制系统采用了PROFINET网络控制的方案，网络结构如图6所示，风力送丝控制系统结构如图7所示。
图6 PROFINET在风力送丝控制系统中的应用 图7 风力送丝系统结构图
1）方案中包含了S7-400系列PLC、ET200S IO设备、变频器、交换机、触摸屏以及上位机等诸多类型的设备，采用星形网络拓扑，结构简单、易于扩展等，实现了一网到底的控制理念。
2）通过PROFINET，分布式现场设备（如现场IO设备，例如信号模板）可直接连接到工业以太网，与PLC 等设备通讯，并且可以达到与其它现场总线（如PROFIBUS等）相同甚至更优越的响应时间，其典型的响应时间在10ms的数量级，完全满足现场级的使用。
3）基于PROFINET的风力送丝控制系统，不仅优化了控制系统的结构，解决了技术难点，也完全满足了风力送丝的各个性能指标要求。
4）系统调试维护非常方便。
5）尽管风力送丝控制系统是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统，该系统调试完成之后，已经正常运行三年，稳定可靠，且各方面的性能较以前均有显著的提高，有力的保障了卷包车间正常的生产秩序。
4 结论
本文比较了PROFINET与PROFIBUS两种网络控制系统，并将PROFINET应用于卷包风力送丝控制系统。该系统是将PROFINET网络控制应用于生产制造业的有益尝试，对于此类应用具有较好的指导意义。通过PROFIBUS和PROFINET的比较与应用可知：
1）PROFINET网络控制既具有传统的实时性，也有适应新的控制要求的快速性，能克服PROFIBUS控制网络的低速、复杂以及诊断困难等缺点。
2) 在实际应用中，PROFINET网络结构多样，能实现一网到底。与原系统相比，其性能更好，响应时间更少，跟踪性能更好，可快速定位故障点，系统的维护简单。
3）PROFINET网络控制能应用于风力送丝等各种复杂的生产过程控制中，具有较好的实用价值。
参考文献
[1]PROFINET CBA 在烟草制丝线控制系统中的应用《工业控制计算机》2013年第26卷第8期，81-84
[2]PROFIBUS International．PROFINET Technology and Application System Description[Z].2006
[3]西门子（中国）有限公司.基于组件技术的自动化J.仪器仪表标准化与计量，2003(5):23－25
[4]彭杰，李秀元，应启戛. PROFINET及其同步实时通信分析[J]. 微计算机信息，2006，22(25)：208-209.
[5]张进鸿，赵伟. 基于工业以太网Profinet卷烟制丝线的网络控制系统[J]. 科技风，2013：37.
[6]董伟，李正，赵瑜，等. PROFINET CBA 在煙草制丝线控制系统中的应用[J]. 工业控制计算机，2013，26(8)：81-82.
[7]李秀元，彭杰，应启戛. PROFINET实时通信技术剖析[J]. 电气自动化，2006，28(3)：29-31.