PROFInet工程模型
前言
最近，大家已注意到工業(yè)自動化和公司高層的IT系統(tǒng)的融合以及通過因特網與所有企業(yè)層的全球化聯(lián)網的這種發(fā)展趨勢。這些發(fā)展有助于實現(xiàn)Profibus技術的縱向集成，而同時又完全保留了現(xiàn)有的開放性。PROFInet體現(xiàn)了PROFIBUS縱向集成的一種透明性理念。為了保持與自動化系統(tǒng)較高層的一致性，選用以太網作為通信媒介。通用的PROFIBUS技術的縱向擴展具有三個方面。
首先，PROFInet代表了從I/O層到控制層的分布式自動化系統(tǒng)的統(tǒng)一的基于對象的體系結構方案，它將基于通用的PROFIBUS技術的系統(tǒng)無縫地集成到整個系統(tǒng)中。這也包括通過代理服務器（proxy）將PROFIBUS及其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成到PROFInet系統(tǒng)的簡單集成。代理服務器（proxy）是一種軟件模塊，它實現(xiàn)代表PROFIBUS站和以太網上其它PROFInet站的自動化對象的功能。
以此為基礎，PROFInet指定了一種開放的、面向對象的運行期（runtime）概念。這種概念以具有以太網標準機制的通信功能為基礎，如TCP（UDP）/IP。DCOM機制位于該基本機制的上層。作為用于硬實時通信性能的應用領域的一種選擇，提供了一種相當優(yōu)化的機制。PROFInet部件以對象的形式出現(xiàn)，這些對象之間的通信由上面已提及到的對象協(xié)議的機制提供。PROFInet站之間通信鏈接的建立以及它們之間的數(shù)據(jù)交換由已組態(tài)的相互連接提供。
對于多制造商工程設計方案作出規(guī)定從而可提供用戶友好的PROFInet系統(tǒng)的組態(tài)。該組態(tài)基于工程設計對象模型，使用工程設計對象模型不僅可開發(fā)使用不同制造商部件的組態(tài)工具，而且利用稱之為“facet”（頁面）的方式對制造商和用戶專用的增強功能進行詳細說明。因此，一方面利用各個設備中制造商專用的編程間清晰地劃分界限，另一方面利用稱之為連接編輯器的超級工程工具進行的整個安裝范圍的相互連接，在單一的安裝中可集成不同制造商的產品。
上述這些方面都包含在PROFInet的規(guī)范內，PROFInet涵蓋了分布式自動化系統(tǒng)的所有生命周期階段。
本文是介紹四篇PROFInet系列連載文章中的第一篇，它們論及了PROFInet的各個不同方面。本文的主題是工程設計，它是PROFInet的特殊部分。無論是系統(tǒng)設計人員還是安裝的操作人員，PROFInet的這個方面都與用戶的技術有著密切的關系。由于多年來產品的實際成本不斷下降，在這方面已沒有多大潛力，因此PROFInet是對安裝和運行成本的節(jié)省最具有潛在影響的一個方面。
目標
在起草PROFInet規(guī)范時，最重要的一個目標是簡化系統(tǒng)工作。在此工程設計工具起著決定性的作用，它是最大限度地為降低設備的安裝和操作人員成本的唯一途徑。事實上從用戶的角度看，PROFInet的自動化解決方案的工程設計非常容易。但是，系統(tǒng)對用戶越容易和方便，其內部越復雜。PROFInet工程設計模型也確實如此，為此，系統(tǒng)的設計師們設立了如下竟爭目標：
· PROFInet工程設計工具必須能動態(tài)地擴展，這樣任何制造商的部件用單一的工程設計工具就能容易并且協(xié)調地進行工作；
· 必須提供最大量種類的工程設計屬性，如相互連接、參數(shù)化、測試及調試、診斷等；
· 仍可利用現(xiàn)有的（專用的）編程及工程設計工具；
· 集成現(xiàn)有的方案，如OPC，F(xiàn)DT等；
· PROFInet應與貫穿整個企業(yè)的所有其它DP過程共同運行。例如，它包括管理信息系統(tǒng)MIS和企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP；
· 即使沒有特殊工具，也能將數(shù)據(jù)輸入PROFInet工程設計模型，或將系統(tǒng)內的數(shù)據(jù)轉化為其它應用如Excel；
· 可集成現(xiàn)有的現(xiàn)場總線，尤其是PROFIBUS-DP。
在仔細研究工程設計方案之前，我們不妨對其基本模型簡要地進行說明。
PROFInet工程設計的基礎 — 對象模型
由于各種原因所需要的系統(tǒng)開放性形成了對透明方案的需要，該方案應考慮到這些需要。因而PROFInet始終如一地探索一種基于面向對象的方法。微軟的部件對象模型COM為實現(xiàn)PROFInet奠定了很好的基礎。它建立了獨立的模塊，這些模塊對于外部的功能可通過清晰的對象接口進行存取。接口系指一定數(shù)量功能的組合。通過接口規(guī)定服務器給客戶提供哪些服務。在此情況下，可以說部件實現(xiàn)接口，而實際的實現(xiàn)方式并不影響部件的設計者。
腳本語言如VBA可通過由COM標準化的OLE自動化接口存取PROFInet對象。也就是說，用戶為了滿足其特定的需要應有一種符合PROFInet工程設計工具功能范圍的特別簡單的方法 — 利用各自的增強功能。
PROFInet自動化解決方案包含在運行期進行通信的自動化對象即運行期自動化對象（簡化為RT-AUTO）。RT-AUTO是在PROFInet物理設備上運行的軟件部件。RT-AUTO之間的相互連接必須用組態(tài)工具進行規(guī)定。為此目的，RT-AUTO在組態(tài)工具中有其相應的對應物，它包含整個組態(tài)過程所需要的所有信息：工程系統(tǒng)自動化對象（ES-AUTO）。當編譯和裝載應用時就從每個ES-AUTO創(chuàng)建與之相匹配的RT-AUTO。這樣組態(tài)工具將知道該自動化對象是哪臺設備上的，就可獲得以工程系統(tǒng)設備（ES-Device）形式出現(xiàn)的該對象的對應物。嚴格地說，ES-Device對應于邏輯設備（logical device）。此外，邏輯設備和物理設備之間有一種分配關系。多數(shù)情況是1 : 1 的分配關系， 也就是說相對于每一個硬件或物理設備就有一個固件精確地與之相對應。但是，單個硬件也可裝載幾個彼此獨立運行的軟件包。最明顯的例子是具有獨立計算能力的設備，如：帶有槽PLC的PC或具有操作員接口和PLC部件的bbbbbbs CE設備。再如，將來Moeller公司將提供更多的具有X系統(tǒng)系列的類似設備。
圖1：PROFInet的對象模型
術語‘工程設計系統(tǒng)對象’（Engineering System bbbbbb，即ES-bbbbbb）用于表示組態(tài)工具的上下關系中的所有對象。它包括用戶在組態(tài)期間檢測和控制的所有對象。因此，它是工程設計對象的基本類別。工程設計系統(tǒng)對象（ES-bbbbbb）的實例、相互連接和參數(shù)化構成了專用而實際安裝的自動化解決方案的模型。通過下載激活后，就建立了以工程設計模型為基礎的運行期軟件。
PROFInet規(guī)范描述了應用 ‘工程設計系統(tǒng)對象’（ ES-bbbbbb）的約定支撐技術條件的對象模型。在此基礎上，可實現(xiàn)符合PROFInet的工程設計系統(tǒng)；但是與此同時，每個PROFInet設備的制造商也就不需要開發(fā)他們自己的組態(tài)工具，這樣就避免了一些重復性的開發(fā)工作。例如Moeller公司可使用西門子公司的工業(yè)軟件SIMATIC的連接編輯器。
工程設計系統(tǒng)主站和重復使用策略
一種特別專用的對象是工程設計系統(tǒng)主站（Engineering System Master， 即ES-Master）。它由預先建立的模型而形成ES-bbbbbb的專用實例。通過實現(xiàn)工程系統(tǒng)主站（ES-Master），部件制造商可為PROFInet工程設計系統(tǒng)建立新的自動化對象。
部件制造商必須為PROFInet組態(tài)工具提供ES-Master對象。這是一種由預先建立的模型而創(chuàng)建的ES-Auto、ES-Device等專用實例的部件。為了使用部件制造商提供的自備部件，只需建立具有空的安裝指南的實例。當然，如果部件制造商起草的安裝指南便于對其部件的利用從而提供在竟爭中他們有所區(qū)別的性能特點，這也不阻止部件制造商起草安裝指南。
然而，ES-Master也可由設計者從現(xiàn)有的自動化解決方案中創(chuàng)建。這樣，他（她）可將整個或部分的解決方案存檔，便于以后再使用。由于已建立的解決方案中所含的出錯比從頭開始建立的解決方案要少，因此使用該解決方案不僅減少了工程本身的實際開銷而且還縮短了投運周期。
PROFInet方案產生了兩種不同的再利用策略：實例解決方案和稱為工程設計系統(tǒng)混合對象（Engineering System Compound bbbbbbs，即ES-Compounds）的混合對象。實例解決方案不一定是一種全面的解決方案；它也可以包含一個自動化解決方案中可重復使用的那一部分。另一方面，ES-Compound代表一種全面的解決方案，因此它可單獨使用。它可作為基礎模塊而重復使用，這就是為什么它作為單個對象出現(xiàn)在程序庫及自動化解決方案中的緣由。
圖2：ES-Compound的舉例
對于自動化對象的說明語言，PROFInet采用XML標準。對于具有可編程功能的設備，部件生成器必須從程序生成用于連接編輯器的XML文件。這也可通過編程工具或下載工具進行。程序本身通常采用制造商的工具生成。程序的下載應用必要的優(yōu)先權機制由PROFInet工程設計啟動并由程序下載facet來執(zhí)行，facet必須由制造商實現(xiàn)。
圖3：PROFInet的總體結構（從工程設計的角度看）
對通信進行設計而不是編程 — 如何開展工作？
對設計者而言，PROFInet自動化解決方案的明顯優(yōu)勢在于：設計者無需關注以太網方面的通信細節(jié)。因為從用戶的角度，PROFInet組態(tài)工具的基本功能只是定義對象的通信連接。為此目的，自動化對象通過線連接在一起以形成梯級。為此，PROFInet的開發(fā)者們創(chuàng)立了一個概念即“連接編輯器”。
連接可有兩種形式：一個對象的數(shù)據(jù)源可與某個不同對象的數(shù)據(jù)接收器鏈接；或在一個對象中生成的事件觸發(fā)某個不同對象的過程。
組態(tài)工具了解自動化對象的數(shù)據(jù)和事件接口。設計者把這些接口之間彼此相連接。互連信息在下載時裝載到設備中。接收方或消費者（consumer）僅根據(jù)互連信息就可建立與數(shù)據(jù)或事件的生產者（producer）的連接并請求組態(tài)的數(shù)據(jù)。PROFInet運行期環(huán)境（即每個制造商在其設備上實現(xiàn)的環(huán)境）關注平滑的、無錯誤的通信。
這就是說，對PROFInet而言，通信無需為每個自動化解決方案重復地進行編程。運行期核已包含在全部的功能內，然后這只需提供連接數(shù)據(jù)。該方案說明PROFInet與其它有關的與之相競爭的解決方案相比它所具有的特殊能力。
驚人的多種頁面（facet）
頁面（facet）代表一種逼真的增強性PROFInet對象模型的概念。這些頁面到底是什么呢？頁面執(zhí)行一組專用的ES-bbbbbb的功能或子功能，它為用戶以一種特殊的可視化方式表達對象。這樣，相互連接的頁面僅處理該對象與其它對象的通信鏈接。為了實現(xiàn)對該對象的參數(shù)化，用戶可改變到參數(shù)化頁面。他（她）可利用設備分配頁面將一個自動化對象分配給一臺物理設備。最后，使用下載頁面將相互連接信息裝載到該設備上。
有些頁面，如上面剛描述的那些頁面是由PROFInet標準定義的。其它的頁面是應用專用的。每個實現(xiàn)自動化對象的制造商可定義他（她）自己類型的頁面。PROFInet標準確保這些頁面可與ES-bbbbbb連接。此類例子有診斷頁面，它以最佳方式提供設備非常專用的診斷信息；還有測試或調試頁面，這些頁面可對設備的一些特殊功能進行測試；當然還有許許多多的各種類型的頁面。
在設備分配頁面中，它實現(xiàn)的程序確定那些與專用的自動化對象兼容的設備。這就使得組態(tài)工具能為一個給定的自動化對象僅指示那些專用的設備，而所選擇的對象也可在這些專用設備上運行。另一方面，對于那些具有固定功能的設備，反之亦然：如果用戶首先已選擇了設備，那么他（她）可展示那些可用于該設備上的專用RT-AUTO并從它們中間選擇所期望的對象。
原則：開放的、多制造商設計
PROFInet的規(guī)范展現(xiàn)了組態(tài)工具接口的描述，也就是說使得每一個制造商都能建立符合PROFInet的他（她）自己的組態(tài)工具。然而，由于這個工具不包含任何制造商專用的實現(xiàn)，因此無論何時都能使用不同制造商的工具。工程設計工具可用已定義的接口的方法將制造商專用的部分包括進去。
根據(jù)COM編程規(guī)則，未規(guī)定實現(xiàn)而只定義了清晰的接口。PROFInet策略確保了總線順暢的通信功能，但同時也給予制造商一種可能性即通過執(zhí)行他們自己的實現(xiàn)與其競爭者相區(qū)別。
結論
PROFInet的優(yōu)點在工程設計領域已是顯而已見的。一旦無需對通信進行編程而只需很方便地進行組態(tài)，創(chuàng)建自動化解決方案就變得相當簡單?，F(xiàn)有的現(xiàn)場總線可通過代理服務器（proxy）方案無縫地集成到PROFInet自動化解決方案中。
已測試的解決方案的重復使用性縮短了開發(fā)和投運的時間，因此大大地節(jié)省了成本。根據(jù)已建立的標準對接口所作的詳細描述，為所有的制造商開辟了一條增強他們自己的專用產品的道路。
隨著使用PROFInet方案而加速的Profibus技術發(fā)展，PROFIBUS國際組織（PI）充分考慮到IT技術的最新發(fā)展趨勢以及公司內較高和較低IT功能的進一步融合。尤其是PROFInet技術的出現(xiàn)為任何專門制造商的獨立系統(tǒng)的工程設計創(chuàng)立了一種方案。
PI對PROFInet的開發(fā)工作正以全速進行著。現(xiàn)可給PROFIBUS的會員免費提供PROFInet規(guī)范的第一個版本。PROFInet的第二個版本已提供給在開發(fā)工作中作出重大貢獻的那些公司進行測試和移植。在測試程序和互操作性測試完成后，PROFInet 于2001年7月面市。
本文標簽：PROFInet工程模型
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