PROFINET控制系统设计研究

2023年11月30日发(作者：)

PROFINET控制系统设计研究

孙蓉;苏丽;吕淑平;王国英

【摘 要】PROFINET作为新型总线的代表,为自动化通信领域提供了一个完整的网

络解决方案,可以兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术.本文利用

西门子S7-300系列PLC,对PROFINET IO控制系统进行设计并对其组态,通过

PROFINET IO网络集成PROFIBUS-DP系统.针对五层电梯模型,利用PROFINET

IO技术对现场设备控制的实现方法展开研究,通过模拟五层电梯的工业生产过程,实

现了基于PROFINET的多设备控制系统.同时利用WinCC组态软件完成了监控系

统的设计开发,能够实时监视现场所有电梯模型的状态,并具备报警功能.通过对电梯

模型的成功模拟,为PROFNET技术的推广和普及起到了积极的作用.

【期刊名称】《实验室研究与探索》

【年(卷),期】2014(033)004

【总页数】5页(P103-107)

【关键词】PROFINET IO;PROFIBUS-DP;多设备控制;WinCC监控;电梯模型

【作 者】孙蓉;苏丽;吕淑平;王国英

【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学

自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨

150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001

【正文语种】中 文

【中图分类】TP391

0 引 言

工业通信技术的进步提升了自动化控制系统的性能，近几年来，各总线厂家相继推

出了整合Ethernet和TCP/IP技术的现场总线，这种类型的现场总线将是今后发

展的主流体系[1]。其中的代表是PROFIBUS国际组织(PROFIBUS International)

推出的PROFINET[2]。

PROFINET全称Process Field Net，覆盖了自动化技术的所有要求，可以实现控

制层级横向与纵向的集成[3]。可以说，PROFINET技术代表着自动化控制系统的

发展趋势，而且在我国PROFIBUS现场总线的应用，相对于其它现场总线更为广

泛一些，因此，对于继承了PROFIBUS一些技术的PROFINET的研究很有必要。

文章基于PROFINET标准，从PROFINET IO技术出发，集成现有现场总线系统，

充分结合PLC技术和人机界面技术，对多设备控制系统进行设计。从实践的角度

检验PROFINET在自动化领域中的应用。

1 PROFINET结构分析

1.1 PROFINET的产生

从实际情况来看，Ethernet目前还难以解决与现场总线的差异[1]。客观地说，

Ethernet并不会马上取代全部现场总线。而整合Ethernet和TCP/IP技术的现场

总线才将是今后发展的主流体系和应用焦点。其中， PROFINET是新型总线的代

表[4]。

PROFINET的概念是由PROFIBUS国际组织于2001年8月提出的。PROFINET

是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。是一项战略性的技术创新，

PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时

以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热

点话题，并且作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线技

术，保护投资[5]。

1.2 PROFINET的结构

PROFNET分为两大方面：用于集成分布式I/O的PROFINET IO，和模块化装备

的PROFINET CBA。PROFNIET通信包含3个等级[2]：① 组件的通信使用

TCP/PI协议，循环时间约为100ms，较适用于控制器之间的通信；② 实时通信

的循环时间为10 ms，较适用于分布式I/O；③ 等时同步实时通信的循环时间为

1 ms，适用于运动控制系统[6]。

1.2.1 PROFINET IO的结构和通信机制

PROFINET IO是用于分布式应用的通信观念，是为基于以太网的现场设备之间的

高速数据交换而设计的。使用I/O代理服务器，它可被用来从己有的PROFIBUS

创建自动化解决方案。可以完全集成已有的PROFIBUS系统。

PROFINET IO定义了以下设备类型：

(1) IO控制器。典型的IO控制器为一台PLC，可以在其内部自动执行程序。

(2) IO监视器(工程站)。IO监视器可以是一个编程设备、PC或用于诊断的HMI。

(3) IO设备。IO设备是利用PROFINET IO耦合的分布式I/O设备[6]。

图1给出了设备类型(IO控制器、IO监视器、IO设备)，通信路径和服务。所有需

要交换的数据都赋予用于寻址的槽和子槽。

图1 PROFINET IO中的传输路径

1.2.2 PROFINET CBA简介

PROFINET CBA(Component Based Automation)立足于PROFINET标准，把整

个生产系统按照工艺过程划分为相对独立的功能组件单元，由此简化了通信并极大

缩短了项目实时的周期。PROFINET组件表述了系统中的工艺技术模块。每个

PROFINET组件都有一个接口，它包含能够与其他组件交换的或可以用其他组件

激活的技术变量。接口描述输入/输出的特性。

1.3 PROFINET通信

由于不同的现场应用对通信系统的实时性有不同的要求，PROFINET提供了三种

不同通信方式，分别为：① TCP/IP标准通信，② 实时(RT)通信和③ 等时同步实

时(IRT)通信[7]。

1.3.1 TCP/IP标准通信

PROFINET使用TCP/IP和IT标准通信。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面上的

标准，其响应时间为100ms左右。TCP/IP包括两个部分。其中TCP表示传输控

制协议，控制实际的数据传送；IP是网际协议，功能是给网络中的计算机实现明

确编址。

1.3.2 实时通信

实时(Real Time，RT)表示系统在一个确定的时间内处理所有的外部事件。对于传

感器和执行器之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，大概需要5～

10 ms。PROFINET提供了一个可优化的、基于以太网第二层的实时通信通道，通

过该实时通道， PROFINET获得了极佳的实时性能。

1.3.3 等时同步实时通信

PROFINET使用等时同步实时(Isochronous Real-Time，IRT)技术来满足运动控

制(Motion Control)对响应时间的要求，响应时间要小于1 ms，抖动误差要小于

1 μs。

2 控制系统硬件设计

设计的系统中，硬件设计要做的主要工作是连接电梯模型和PLC、设计并组态

PROFIBUS-DP系统，实现PROFINET IO系统的设计安装和组态。系统的总体结

构如图2所示。

图2 系统总体结构图

系统中，西门子S7-300 CPU 315-2PN/DP作为IO控制器；ET200S IM151-7

CPU为DP从站；SCALANCE X208为PROFINET网络中的交换设备； IE/PB

LINK PN IO为代理服务器；KJ-221F电梯模型是系统的控制对象。

2.1 电梯模型与PLC的连接

系统中，KJ-221F电梯模型是控制系统的控制对象来完成程序指令的。由于电梯

模型既反映了PLC技术在日常生活中的应用，又带有典型的顺序、逻辑控制等多

种特征，所以利用它代表控制对象。

电梯模型外呼按钮、轿厢内选层按钮和各层限位开关为PLC的输入，继电器动作

的指示灯为PLC的输出，电机由继电器控制[8]。

2.2 PROFINET IO系统安装与组态

本系统中，PROFINET IO系统为星形拓朴结构。PROFINET IO系统安装无源器件

包括电缆、接头等。电缆为IE FC标准电缆GP2×2(A型)，该电缆为标准的总线电

缆。接头为工业以太网FC RJ45接头。系统组态的前提是PC机上装有STEP 7软

件和普通以太网卡。

将组态数据下载后，组态成功，各设备工作在RUN状态时，全亮绿灯。

PROFINET IO系统组态的各设备的地址信息如表1所示。地址信息分为

PROFIBUS地址和PROFINET地址。

表1 设备组态地址设备PROFIBUS地址PROFINET地址IO控制器—192.168.0.1

监视器/编程器—192.168.0.125IE/PBLINKPNIO2192.168.0.2ET200S03—

ET200S14—ET200S25—ET200S36—

系统组态时，选择的IP地址段为C类网络中“私用”段，不能直接连接公共

TCP/IP网络。如果系统要连接到公共网络上，则需要重新进行IP地址的分配。

3 控制系统软件设计

本章主要内容是控制系统软件的设计。软件设计主要分为电梯控制程序的设计、多

设备控制程序两部分。软件的设计环境是STEP7[9]。

3.1 电梯程序的设计

电梯程序设计采用模块化编程的方法。将整个程序分为主程序、电梯内外呼梯登记

程序、电梯运行方向的确定程序、电梯运行控制程序以及楼层显示程序五部分。

3.2 多设备控制程序

通过软件编程，实现控制系统设备间的通信，以及数据的实时交换和处理。从而实

现利用电梯模型模拟工业生产过程，把每个电梯模型作为一个生产流程，利用

PROFINET和PROFIBUS网络传递各个流程的数据，协调控制各流程设备的运行。

3.2.1 控制系统通信的实现

本系统利用PROFINET IO的程序接口，实现系统IO控制器和IO设备之间的通信，

并且通过IO控制器可以实现所有IO设备之间的数据共享。IO控制器与智能从站

通信过程如图3所示。

图3 IO控制器与智能从站通信过程

图3显示了IO控制器与智能从站通信的过程。由于代理服务器的功能，IO控制

器访问DP从站的方式和访问IO设备的方式是相同的，用户数据的交换通过调用

系统功能SFC14 DPRD_DAT和SFC15 DPWR_DAT来完成的。

3.2.2 控制系统通信数据处理

本系统中，主要的通信数据是DB从站向IO控制器发送的控制对象的运行数据。

包括电梯模型内外呼按钮、限位开关等的状态信息。将数据传输到接收站的程序的

方法是，把数据传送到已定义好的输出共享数据块中[10]。数据会通过已有的网络

连接和通信组态，传输到接收站的输入共享数据块中。接收数据的方法是，接收到

的数据都存放在输入数据共享块中，可以直接利用输入数据共享块中的数据，可以

以位、字节或字的方式直接调用这些数据，也可以将这些数据直接赋给程序中的变

量。在程序设计时，为了便于数据信息的管理，可以为通信数据处理单独建立一个

FC块。

3.2.3 制造业生产过程模拟程序

制造业生产过程可以分为原材料预处理、零部件加工、装配、质量检测四个连续的

流程。这里把每个电梯当作一个流程：电梯0代表原料预处理，电梯1代表零部

件的加工，电梯2代表装配，电梯3代表质量检测。从而，利用程序设计流程运

行和流程间的交接。电梯模型模拟生产过程可以描述如图4所示。

图4 利用电梯模型模拟生产过程

程序的设计主要是IO控制器对各设备运行状态信息的处理，利用IO控制器设定

系统工作的模式：独立运行或者是模拟生产过程[11-12]。如果处于模拟生产过程，

设定电梯0在一、二层间运行，电梯1在二、三层间运行，电梯2在三、四层间

运行，电梯3在四、五层间运行。以电梯1为例，其运行的规则是，从二层运行

到三层后，等待电梯2，直到电梯2回到三层，电梯1返回二层；在二层时，等

待电梯0，直到电梯0上升到二层，电梯开始上升。其它电梯运行规则类似。

IO控制器的任务是对各现场设备写入控制指令，并且屏蔽模拟生产过程模式不需

要的信号。屏蔽多余信号的方法是，在IO控制器的输出数据块中将不需要的信号

位复位。发送到对应从站。智能从站根据IO控制器的指令控制电梯运行。

4 基于WinCC的监控系统的设计

利用WinCC监控软件，进行监控系统的设计，目的是实现对控制对象的实时监视

和报警功能。主要任务是实现WinCC和IO控制器的通信，设计监控界面。

4.1 WinCC与IO控制器通信

通过与IO控制器的通信，WinCC可以间接地获得控制对象的运行状态信息。通

过对WinCC和自动化系统之间的连接进行组态，建立变量连接IO控制器中的地

址将IO控制器中的数据读入WinCC系统中。由指定的通信驱动和通道来进行通

信处理。本系统使用TCP/IP通信通道。

4.2 WinCC监控界面的设计

系统界面分为两部分：系统主界面和系统子界面。系统主界面包含整个系统的结构

信息以及进入子界面的接口[13-14]。系统子界面是各现场控制对象的运行监视界

面，包含控制对象的实时运行状态信息和返回主界面的接口。可以通过主界面和子

界面之间的切换来观察系统中各个设备的实时运行状态。

4.2.1 监控系统主界面

在WinCC浏览器的左侧窗口，打开“图形编辑器”，新建一个图形文件，并命名

为“监控系统主界面”。设置画面的大小为1024×768，其他参数选择默认。然

后利用WinCC提供的工具设计系统主界面。

主界面体现了PROFINET IO系统的原理图，包括IO监视器、IE/PB LINK IO和

ET200S的图形和它们的连接关系。在主界面上，每个表示现场设备ET200S的下

面，放置了进入该设备控制对象子画面的按钮。同时设置了WinCC监控系统退出

按钮。

4.2.2 监控系统子界面

控制系统子界面是监控现场控制对象运行状态的关键部分，监控系统中，共有四个

子界面，各界面设计步骤类似。根据电梯的特点，监控系统子界面可以分为电梯主

体界面、轿箱内控制界面、电梯外控制和报警部分、界面跳转部分以及文本信息部

分。

4.3 监控系统调试

WinCC监控系统调试和运行，包括主界面调试、子界面调试以及系统整体调试

[15]。将主界面保存，并点击工具栏中的运行按钮，系统会自动运行。可以根据现

场设备的信息，检查监控系统运行是否正常，从监控屏幕上可以确定出错的位置。

子界面调试运行的方法与主界面相同。

系统整体调试时，首先将主界面定义为启动画面。运行WinCC监控系统，直接进

入主界面。

先运行WinCC系统，会自动进入监控主界面，鼠标左键点击“监控电梯1”，进

入电梯1监控界面。在电梯1监控界面上，鼠标点击“监控电梯0”可以转到电

梯0监控界面。在电梯0上鼠标左键点击“返回主界面”，画面会切换到监控系

统主界面。依照这种方式，对整个系统循环测试，如果调试过程中，界面切换正常

且各界面达到预期的目标，则认为调试成功了。

5 结 语

通过利用设计的PROFINET的多设备控制系统对多个五层电梯为控制对象的研究，

我们得出：

(1) PROFINET利用PROFINET IO集成了PROFIBUS系统，成功地将PROFIBUS

设备集成到PROFINET网络中。通过IO控制器对各现场设备的写入指令，从而实

现协调控制现场多个控制对象，成功地模拟了工业的生产流程。为实际的工业控制

领域提供了可靠的理论基础。

(2) 相比其他总线，新型总线标准PROFINET的相关技术：协议结构、传输技术、

网络结构等在自动化领域中的应用范围更广，可以实现从现场设备级到工业控制级

直到企业管理级的一致性通讯。

(3) 利用PROFIBUS-DP网络有着显著优点，它无需任何外加的设备，方法灵活、

通用，可以实现离线组网，而且调整配置方便，按照本文方法，使用PROFIBUS-

DP构成的网络系统高速、廉价，对于准确性和实时性要求比较高的系统特别适合，

具有广泛的应用前景。

参考文献(References)：

【相关文献】

[1] 刘国海，李康吉，薛文平,等.现场总线PROFINET[M].北京：电子工业出版社,2007：15-17.

[2] 崔 坚.西门子工业网络通信指南(下册)[M].北京：机械工业出版社，2007：200-204.

[3] 李 鑫.工业以太网PROFINET技术的研究与实现[D].北京：北京化工大学，2007.

[4] Raimond Pigan，Mark Meter.西门子PROFINET工业通信指南[M].汤亚峰等译.北京：人民邮

电出版社，2007：13-15,264.

[5] Profibus ET IO Part 5：Application Layer Service

Definition[S].Version 1.0,2004.

[6] Profibus et—连接各个领域[J].仪器仪表标准化与计量,2001(2):24-27.

Profibus et——Connect all Fields [J]. Instrument Standardization and

Metrology, 2001(2):24-27.

[7] 陈海东. PROFINET——面向自动化未来的以太网现场总线解决方案[J].现代制造,2004(12):34-

361.

CHEN Hai-dong. PROFINET—Ethernet Fieldbus Solutions to the Future-oriented

Automation[J]. Maschinen Markt,2004(12):34-361.

[8] 北京华控通力科技有限公司.KJ-221F电梯模型使用说明书.北京华控通力科技有限公司,2005.

[9] 罗庚兴.西门子STEP 7编程软件的使用方法[J].南方金属,2006(5):35-39.

LUO Geng-xing. A Description of Siemens Programming Software STEP7 and Its

Application[J]. Southern Metals,2006(5):35-39.

[10] 边春元，任双艳，满永奎.S7-300/400 PLC实用开发指南[M].北京：机械工业出版社，2007：

310-312.

[11] 龚仲华.S7-200/300/400 PLC应用技术-通用篇[M].北京：人民邮电出版社,2007.

[12] Hans Berger著，张同庄，郝鹏飞，方荣惠等译.西门子S7-300/400 PLC编程梯形图与功能

块图描述[M].北京：人民邮电出版社,2007：317.

[13] 白艳艳,陈卫福,于春娜.开放式数控系统中软PLC的研究开发[J].机械管理开发,2005,84(3):24-

27.

BAI Yan-yan, CHEN Wei-fu, YU Chun-na. Study on Soft PLC of Open NC System.[J].

Mechanical Management and Development,2005,84(3):24-27.

[14] 黄延延,林 跃,于海彬.软PLC技术研究及实现[J].计算机工程,2004,30(1):165-167.

HUANG Yan-yan, LIN Yue, YU Hai-bin. Research and Implementation of the Soft PLC

Technology[J]. Computer Engineering,2004,30(1):165-167.

[15] 西门子(中国)有限公司自动化驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大

学出版社,2004.