【Profinet专栏】关于PROFINET智能设备I-Device应用方案的思考

【0. 前言】
工业4.0智能制造的愿景，对互联互通提出了更高要求：生产系统中的机器（包括子系统、设备组件、被加工的产品）全部智能地相互联网，不仅可以连续实时地交换数据及信息，而且可以自我决策并与其他系统/机器进行协同控制/生产。如此一来，机器就初步具备了思考能力，整个系统就可以真正做到智能，把各种执行器/传感器信号、复杂事件检测、独立的本地决策和逻辑/运动控制组合在一起。那么如何使这种智能制造机器的理念落地呢？我们不妨先从了解PROFINET智能设备I-Device的应用方案开始。
【1. 什么情况下需要考虑PROFINET智能设备I-Device？】
继续角色扮演：在招生办的规划下，班级内的学生（PROFINET设备）变得越来越多，班主任（PROFINET控制器）处理课堂教学、作业批改、组织学生活动等具体事务（相当于各种执行器/传感器信号、复杂事件检测、逻辑/运动控制等）的工作负担也变得越来越重。此时班主任需要开展团队协作，例如请一些比较积极主动的学生担任班干部、课代表，甚至叫上别的班主任来帮忙（这些都相当于PROFINET智能设备），协助自己进行班级管理与重要事务的操作（PROFINET控制器将一些控制程序下放或外包给PROFINET智能设备来进行协同控制）。

落实到具体自动化项目中，如果您需要在控制器与控制器之间进行高速PROFINET以太网通讯；或者将一些控制器内的繁琐控制程序下放到本地网络内的设备上，使其得以本地化运行减轻主控制器负荷；或者出于设备动作与工艺的考虑，需要局部区域脱离控制器后依旧能够执行相关程序等类似需求；那么就可以考虑采用PROFINET智能设备I-Device方案了。如上图所示：设备2的工作方式是被动的远程IO模式，只负责响应控制器的指令；而智能设备同时扮演了控制器2与设备1的双重角色，主动性得到提升，既能管好自己负责的片区功能，又能满足其他上级或平级控制器的协作通讯需求。在机电一体化控制领域，功能强大的PROFINET智能设备（例如智能阀岛）能够灵活地集成用户所需的电动与气动功能：通过集成嵌入式PLC与运动控制器，实现本地化的逻辑/运动控制；通过集成工业以太网通讯模块，建立与系统内其他控制系统/组件的PROFINET、OPC-UA联网实时数据交换。
【2. 应用智能设备有助于构筑一种面向工业4.0的智能控制生产系统】
由此可见，采用这样智能设备，有助于用户提高整个控制系统的灵活度，并降低系统性风险。因为对比传统的集中式控制系统，现场层几乎所有的信号都需要汇总交给主控制器来进行集中处理，由此带来主控制器故障可能导致整个系统停止运作的问题；即使通过硬件冗余减少全面停机发生的概率，但是潜在的整体性威胁依旧存在。而智能设备的大量应用，可以构成一种分散型现场层的智能控制方案，在现场层就对信号进行第一时间的收集与处理，并在本地就能实现一些复杂的运动控制功能。与常规的模块化分布式控制理念不同，大量采用智能设备的PROFINET控制系统，表面上看是减轻了主控制器与整个通讯网络的负荷，本质上是增强了系统内各个组成部分的互联互通，并降低整个控制系统的系统性风险。

如上图所示：现场层的每个基本工位，都设置了一个智能设备进行本地化控制，包括人机界面、气缸与电缸的运动控制。智能设备既能本地决策，又能通过PROFINET工业以太网通讯与其他组件进行数据交换，包括重大问题上报并与上位控制层沟通，与其他工位沟通生产信息状态进行协作生产等等。这样的分散型智能控制方案，如果得到不断发展，就可以使机器开始学会思考，也可以初步满足工业4.0在现场层的互联互通愿景。
【3. 关于PROFINET智能设备的组态编程】
实战中，对于智能设备的硬件组态，需要注意每个控制器、智能设备中都是有控制程序的。因此就算是最简单的两个控制器/智能设备之间做I-Device设置，也需要考虑周全，在双方的控制程序中都进行正确的硬件组态。如下图所示：有的控制器能直接激活IO设备模式；有的控制器作为智能设备需要导出GSD文件，再将这个GSD文件导入对方控制器的程序内组态；有的智能设备通讯模块GSDML文件中已经开发了远程控制器模式可以直接调用。

【END】
目前，在实际自动化项目中大量应用智能设备，难度还是比较大的，我认为主要还是体现在成本与控制程序的管理上。随着各种嵌入式硬件与软件方案的不断发展，成本会逐渐降低最终不成什么大问题；但是控制程序的管理就比较复杂，因为控制程序分散在各个智能设备中，各个区域的控制程序虽然各不相同但是相互之间又有一定的关联。修改局部区域智能设备控制程序的过程中，需要特别注意改动后对伙伴设备/控制器带来的可能影响。

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