【Profinet专栏】关于PROFINET与I/O总线集成应用的思考

【0. 前言】
尽管在各种智能设备的协同工作下，机器正在变得越来越聪明，但是仅有聪慧的头脑恐怕还远远不够。我们还需要灵敏而丰富的感知、敏捷而精准的执行，也许才能真正将机器的所思所想，落实为对人类有益的实际生产成果。由此可见，在探索工业4.0 智能制造的自动化项目实践中，我们将会遇到关于传感器与执行器在产品与技术应用方面越来越大的挑战。
【1. 来自执行器/传感器层的挑战】
经典的企业自动化网络模型，自上到下包含5个层级：计划编制层（Planning Level）、控制层（Control Level）、单元层（Cell Level）、现场层（Field Level）、执行器/传感器层（Actuator/Sensor Level）。其中，执行器/传感器层需要与现场层的控制器连接，因此本质上是属于现场层的一部分。之前关于 PROFINET的一些思考，主要聚焦在现场层的控制器与 IO 设备上，考虑了一些提高通讯网络稳定与快速性能以及智能化的问题，而现在有必要来看看一些
PROFINET 在执行器/传感器层的应用问题。
挑战1：安装数量越来越多，安装位置越来越分散。想要使机器具有丰富的感知，机器的每个部位上都有传感器覆盖的必要；类似的，想要实现丰富的机械动作输出，执行器也有必要如此覆盖在机器的各个部位；由此产生了大量且分散的IO 信号需要处理。对于收集处理大量的 IO 信号，一个大容量的且功能集成较多的 IO 设备也许就可以解决问题。但是每个PROFINET 控制器带动 PROFINET设备的能力（设备数量）都有各自的上限（就像一个班级中不可能有无限多的学生）。由此我们可能在处理过多分散的 IO信号时，发现仅靠一个控制器网络内的设备，还不足以覆盖这么多的分散区域。
挑战2：功能要求越来越高，接线要求越来越简洁。为了实现机器感知的灵敏、动作的敏捷，执行器/传感器层对于自身发送接收 IO信号的更新时间要求是很高的，甚至会低于控制器的循环扫描周期。而目前执行器/传感器的产品种类与功能也越来越丰富，电气控制接口形状遵循各自不同的协议规范，电气信号格式也多种多样，例如电压型电流型模拟量、数字开关量等等。这么多分散的不同规格的信号线缆接到IO 设备上，需要 IO 设备本身集成各种类型的 IO模块，不仅增加了电气调试编程的复杂度，而且增加了电气接线施工与故障诊断的复杂度。终端用户往往也希望对于各种各样的执行器/传感器层 IO信号线，最好也能类似 PROFINET那样一网到底，只需一种通讯线，就搞定所有类型的执行器/传感器产品方案的电气接线与控制工作。
由此可见，如果有一种擅长于处理执行器/传感器层 IO 信号的总线网络，作为 PROFINET 网络的延伸，与 PROFINET集成在一起，共同管理整个现场层的通讯网络，就显得越来越有意义且有必要了。
【2. 关于 PROFINET 与 I/O 总线集成应用的方案】
如下图所示，随着工业以太网技术的普及与相关产品的发展，从传统的手动工位到整个自动化工厂，我们都可以用 PROFINET通讯方案将它们连接在一起。而从应用复杂度的角度来看，对于数据结构相对简单，数量众多布局分散的执行器/传感器信号处理来说，更轻量级的I/O 总线协议有时候显得性价比更高。

作为现场 I/O 总线的主流通讯协议，AS-Interface 与 IO-LINK总线系统都有各自的独特优势。AS-Interface 具有非常灵活的树型拓扑结构，使得 AS-I设备在机器上灵活布局，尽可能接近末端执行机构，优化循环周期提高生产效率；而 IO-LINK设备的数据量相对更大一些，可以控制参数比较复杂的执行器/传感器，例如多个阀位（24个阀位48个线圈，优于多针接线方案）的阀岛、比例阀、驱动器等等。如下图所示，通过这些I/O 总线设备（例如 IO-LINK 设备）与协议转换网关（IO-LINK 转成 PROFINET，网关可以是单独的PROFINET 设备，也可以是 PROFINET 设备中的一个组成模块），可以将最低级设备连接到高层的 PROFINET控制器网络中，从而构成完整的企业现场层的工业通讯控制网络。

这些 I/O总线取代了传统自控系统中繁琐的底层连线，实现了现场设备信号的数字化和故障诊断的现场化，智能化，大大提高了整个系统的可靠性，并且节约了安装，调试和维护成本。
【3. 关于 IO-LINK 设备的组态编程】
以下截图显示了 IO-LINK 设备在 PROFINET 网络中的集成组态，一般有两种形态：一种情况是 PROFINET 转IO-LINK 网关本身就是一整个 PROFINET 设备，另一种情况是 PROFINET 转 IO-LINK网关作为一个子模块，集成在一个PROFINET 设备上。

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