PROFINET总线技术在西门子TIA博途软件中的应用

王 斌，曲 杰，张国旭，张 明，王 宁，朱 煜

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

0 前言

PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，用于实现工业以太网的集成和一体化的自动控制解决方案。它可以应用在基于工业以太网通信的分散式的现场级设备和需要苛求时间的应用集成，以及基于组件的分布式自动化系统集成中。PROFINET是一种基于工业以太网的自动化通信系统，也是一套全面的以太网标准，可以在工业控制领域中使运用以太网所有的需求得到满足。工业以太网PROFINET标准涵盖了控制器各个层次的通信、其中包括I/O设备的普通自动控制领域和功能更加强大的运动控制领域。所以，工业以太网PROFINET适用于所有的工业控制领域的应用。

1 PROFINET技术分析

1.1 PROFINET标准模块

工业以太网PROFINET标准提供了模块化概念，其功能包括8个主要的模块，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标准和信息安全、故障安全和过程自动化。PROFINET与ISO组织的OSI七层模型之间的对应关系如表1所示。

1.2 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：

（1）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。

（2）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5ms～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、基于以太网第二层的实时通信通道，通过该通道，极大减少了数据在通信栈中的处理时间。因此PROFINET获得等同甚至超过传统现场总线系统的实时性能。

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

三种不同性能等级的PROFINET网络通信覆盖了自动控制领域的全部应用范围。PROFINET标准的关键特性有以下几点：①同一网络中实时通信与普通以太网通信可以同时存在；②标准化的实时通信协议适用于所有应用；③可以从普通性能到高级性能、可以实现时间同步的实时通信。

1.3 PROFINET运动控制

通过PROFINET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。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。

1.4 PROFINET的网络安装

PROFINET支持星型、树型、总线型和环型拓扑结构。为减少布线费用并保证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，保证不同制造商设备间的兼容性。

（1）星形拓扑结构。星形拓扑结构是指每个站点设备都连接到一个交换机呈现为星形分布，它可以应用在设备密度高、覆盖范围不大、空间扩展小的领域中。

（2）树形拓扑结构。由几个星形拓扑结构连接到一起就组成了树形结构。它可以将复杂设备的安装分成几个部分，作为自主设备来进行通信。

（3）总线型拓扑。PROFINET网络结构类似于PROFIBUS的总线型结构，所有通信设备都是串行连接的，应用安装在PROFINET网络中的交换机，实现PROFINET总线拓扑结构。总线型拓扑结构是应用靠近连接端子的转换开关实现，它可应用在需要扩展结构的总线系统中，同样可以优先选用最佳传送系统、装配线等设备。

（4）环形拓扑结构。所有站点由一条环形电缆连接起来形成环形拓扑结构。在当系统为具有高度可用性时，为了防止发生电缆断开或有故障的网络部件时候，可以应用环形拓扑。为了增加有效性，可以选择环形拓扑结构。环形拓扑结构的好处在与可以应对网络组件故障，增加设备可用性和有效性。

1.5 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，PROFINET提供特有安全机制，通过使用专用安全模块，可保护自动化控制系统，使自动化通信网络安全风险最小化。

2 PROFINET技术应用

2.1 TIA博途软件

西门子工业自动化集团发布的“TIA博途”全集成自动化软件，是业内首个采用统一工程组态和软件项目环境的自动化软件，适用于所有自动化任务，这是软件开发领域的一个里程碑，是工业领域第一个带有“组态设计环境”的自动化软件，借助该全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。

2.2 系统的网络组态

2.2.1 系统硬件连接（图1）

2.2.2 S7-1200的配置

打开TIA Portal软件，新建一个项目，在添加新设备的界面中选择相应的设备和硬件版本，在随后打开的网络视图中为CPU1214C建立PROFINET网络，并从右侧的目录“Otherfielddevices-＞PROFINET IO-＞Drives-＞Siemens AG-＞SINAMICS”中选择“ SINAMICS S120/S150 CBE20 V4.3”,将其拖到该网络中，并分配给“PLC_1”。鼠标左键点击PROFINET IO网络，在中部的网络视图窗口中将显示刚才新建的PLC站“SIMATIC 1200 station_1”和IO设备“GSD device_1”,如图2所示。点击网络视图中的S7-1200 PLC,在下面的属性窗口中，修改Device Name为“ plc1200”,同样，修改 S120 的 Device Name为“s120pn”。然后在属性窗口中，为 PLC和S120分配IP地址，如图3所示。

图1 S7-1200与S120的硬件连接示意图

图2 PROFINET IO系统组态

图3 分配IP地址

完成上述设置后，将项目下载至S7-1200,这样，S7-1200的IP地址和Devices Name就已经分配好了。现在组态S120的报文，在上图所示的网络视图中打开S120的设备视图，从右侧目录中选择“Standard telegram 1”拖到左侧的地址列表中，如图4所示。

2.2.3 SINAMICS S120的配置

图4 为驱动装置组态报文

打开STARTER软件，新建一个项目，在“Project”菜单中选择“ Accessible Nodes”选项，搜索在线的节点，在搜索到的S120站点上点击右键，选择“Edit Ethernet Node”,在弹出的对话框中设置IP地址和子网掩码以及Device Name,并点击相应按钮完成设置。完成上述设置之后，可以重新在“Project”菜单中选择“Accessible Nodes”选项，将在线的 S120上载到PG/PC中，可以使用“Automatic configuration”对驱动装置在线进行自动配置，并完成静态识别和控制器优化。然后为驱动器配置报文，配置结束后执行“Copy RAM to ROM”将参数存贮至CF卡中。本例中的电机模块为双轴模块，第一个轴SERVO_02选择报文“Standard telegram 1”,第二轴SERVO_03和控制单元均没有配置报文。如图5所示。

图5 S120报文配置

2.2.4 通过PROFINET总线控制电机起停和速度

S7-1200通过PROFINET周期性通讯方式将控制字 1（ STW1）和主设定值（ NSOLL_A）发送至驱动器。①控制字中的Bit0做电机的起、停控制。②主设定值为速度设定值，频率设定值和实际值要经过标准化，使得4000H（十六进制）对应于100%，发送的最高频率（最大值）为7FFFH(200%)。可以在驱动参数P2000中修改参考频率（缺省值为50HZ或者电机的同步转速）。③在S7-1200中需要调用“ DPRD_DAT”和“ DPWR_DAT”系统功能块，其中，“DPRD_DAT”功能块用于读取驱动装置的过程参数，“DPWR_DAT”功能块用于写入驱动装置的过程参数。如图6所示。

图6 S7-1200周期性通讯编程

图7 控制S120的启停和速度

在调用“ DPRD_DAT”和“ DPWR_DAT”系统功能块时需要注意：“LADDR”应该采用“默认变量表”中的系统变量“Standard_telegram_1_PZD-2_2[AI/AD]”。 这里列举一个控制示例，包括“ SERVO_2”控制字、主设定值的发送及状态字和实际频率的读取程序。

（1）控制驱动器运行。通过先发送控制字（STW1）16#047E然后发送16#047F来启动驱动器，该数据控制字在MW20（见图7）中指定，主设定值在MW22中设定。

（2）停止驱动器。发送控制字16#047E至驱动器。

（3）读取驱动器状态字及频率实际值。PLC 接收状态字 1（ ZSW1）,存放在 MW10中；接收驱动器传来的频率实际值，存放在MW12中。

3 总结

在TIA博途软件平台中，PROFINET已成为所有西门子新产品的通信标准。TIA博途作为一个工程组态平台，完美集成了所有工程工具和PROFINET，从而实现了数据管理的高度一致性和完整性。

[1]崔 坚，张 春，赵 欣，编.TIA博途——STEP7 V11编程指南[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 刘国海，编.现场总线 PROFINET[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3] 西门子（中国）有限公司，组编.PROFINET总线技术应用手册.