PROFINET工業以太網的優勢及故障診斷

丁方旭 劉漢民 馬國志

摘要： PROFINET是西門子公司推出的新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，它以穩定性、高效率和高性能等優勢被廣泛應用，在工業控制系統的地位變得越來越重要。本文介紹了PROFINET的網絡結構、通訊方式及其優勢，總結歸納了6種常用的PROFINET故障診斷方法。

關鍵詞： PROFINET技術;工業以太網;故障診斷

一、前言

PROFINET是由ROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出的新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，它完全兼容工業以太網和現有的現場總線（如PROFIBUS）技術，用于實現工業以太網的集成和一體化的自動控制解決方案。PROFINET工業以太網以其穩定性、高效率和高性能等優勢被廣泛應用。

二、 PROFINET簡介

2.1? 網絡結構

（1）星形拓撲結構。所有的站點連接到一個交換機上，呈現為星形分布。單個PROFINET設備故障時，不會自動導致整個網絡出現故障，它增加或去除站點靈活，容易管理、監督和診斷網絡，但是布線麻煩，成本較高。星形網絡多應用在設備密度高、距離短的區域。

（2） 線形拓撲結構。所有的站點彼此串聯連接，PROFINET的線形拓撲結構類似于PROFIBUS的總線型結構。它的布線成本最節省，網絡安裝簡單，對于布局范圍較廣的工廠，優先使用線型拓撲結構。但當某個設備出現故障時，該設備故障下游的通信將無法進行，網絡將會癱瘓。

（3） 樹形拓撲結構。星形、線形拓撲結構連接到一起就組成了樹形拓撲結構，如圖1所示。樹形拓撲結構可以將復雜設備的安裝分成幾個部分，作為自主設備來進行通信。實際應用中多采用樹形拓撲結

2.2? 通訊方式

為保證通信實時性，需對信號傳輸時間做精確計算，根據響應時間的不同，PROFINET支持以下3種通信方式：

（1）TCP/IP標準通信。PROFINET使用以太網和TCP/IP協議作為通信基礎，在任何場合下都提供對TCP/IP通信的絕對支持，TCP/IP標準通信主要用于設備參數化、組態、讀取診斷數據。

（2）實時（RT）通信。為了能夠滿足自動化中的實時要求，PROFINET提供了一個優化的、基于以太網第二層的實時通信通道，提高了自動化數據刷新方面的性能，系統對實時響應時間縮短到5～10ms，因此PROFINET獲得等同甚至超越傳統現場總線系統的實時性能。

（3）等時實時（IRT）通信。等時實時（IRT）通信是一種同步通信協議，用于在 PROFINET 設備之間循環交換 IRT 數據。PROFINET支持高性能同步運動控制的等時實時（IRT）通信，其高精度確定性可獲得最高的控制質量，因而可精確定位軸。

三、PROFINET優勢

與PRIFIBUS相比，PROFINET具有功能更加完善、系統穩定性加強、使用更方便等諸多優點，它不僅繼承了PRIFIBUS在工業應用的性能要求，也將以太網的優勢融入其中，是一個靈活性、高效率和高性能的系統。

（1）靈活性。PROFINET靈活性非常突出，在工業環境下可實現無線局域網的控制，從網絡的任何一點或通過WLAN ，隨時隨地能訪問需連接的設備。同時網絡安裝簡單、方便，從而提供高度的靈活性。另外可將PROFIBUS現場設備集成到PROFINET網絡中來，保護現有的設備投資。

（2）高效率。PROFINET不僅可以通過一根線纜集成所有的控制需求，還可從設備中讀取大量診斷數據，快速定位故障。同時，在不借助編程軟件情況下，可簡單、快速、準確地對網絡及網絡內的設備進行診斷。

（3）高性能。PROFINET的高性能最為直接的體現是在方便安裝的同時，網絡抗干擾能力大幅提升，為控制系統的穩定運行提供了保障。同時，PROFINET具備更可靠的數據傳輸，可實現精準的運動控制。

四、 PROFINET故障診斷

PROFINET網絡故障時，首先要對故障現象進行詳細的分析，列舉可能引起的原因，常用的故障診斷方法有以下幾種：

（1）通過LED指示燈診斷。借助于PROFINET設備的 LED的狀態和錯誤指示燈，可快速準確判斷通訊中的錯誤或 PROFINET 模塊的錯誤狀態。

（2）通過 S7-1500 CPU顯示屏進行診斷。S7-1500 CPU帶有一個顯示屏和一些操作按鍵，可在不同菜單中顯示控制與狀態信息。

（3）借助以太網測線儀。借助以太網測線儀可快速判斷雙絞線的連通性，快速判斷出網絡布線是否存在斷線問題。

（4）通過 PING 命令。在運行命令框中輸入cmd，在彈出的DOS窗口下，通過 PING 命令可以簡易快速地檢查網絡是否通暢或者網絡連接的速度。

（5）通過STEP 7在線診斷。雙擊“設備與網絡”可以顯示在線系統狀態及組態信息;雙擊故障模塊，可顯示故障模塊的信息。在工作區中打開設備視圖，可以直接看到哪個模塊發生故障;在“診斷” 的“設備信息”中，可以查看詳細的錯誤描述信息。

（6）通過 Web 服務器進行診斷。西門子集成PN接口的CPU集成Web服務器，可快速獲取I/O設備的狀態和詳細的故障信息，如診斷緩沖區、運動控制診斷、網絡拓撲等信息。連接Web服務器的客戶端，例如使用手機，打開IE瀏覽器輸入CPU的IP地址，即可在線瀏覽CPU的信息。

五、結語

PROFINET技術是一種優越的通信技術，它的網絡結構多樣、傳輸速率更高、抗干擾更強。它不僅為設備的穩定運行和精確控制提供了有力保障，而且功能更加完善、使用方便，故障診斷靈活快捷。如今PROFINET已成為西門子所有新產品的通信標準，是“自動化”工業網絡的未來，也為工廠可實現“信息化”奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 西門子有限公司.PROFINET系統說明[Z].2012

[2] 吳永輝，曹琦.PROFINET工業網絡的故障診斷[J]，2019

[3] 張琦，尹嘉娃.PROFINET與PROFIBUS現場總線比較與應用[J].湖南工業大報，2014