摘要：本文介紹了實時以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)機器人應(yīng)用中突出需要解決的問題和相應(yīng)的解決方案，詳細介紹了PROFINET IO FSU技術(shù)及其亮點，并成為德國汽車制造商自動化發(fā)起者聯(lián)盟的基本通訊標準。
1、介紹
隨著實時工業(yè)以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，受益的行業(yè)也越來越多。實時工業(yè)以太網(wǎng)通訊最大的亮點就在于，能夠為現(xiàn)場提供大規(guī)模的數(shù)據(jù)量傳輸、垂直的透明數(shù)據(jù)通訊，以及可以與標準的以太網(wǎng)系統(tǒng)互訪、共存。
PROFINET以其靈活性、魯棒性、快速性等優(yōu)點，其應(yīng)用可以覆蓋整個自動化領(lǐng)域，能夠滿足所有的自動化需求。PROFINET與其它實時以太網(wǎng)系統(tǒng)相比，具有更好的特性，如：能夠更靈活地替代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，更能適應(yīng)新的挑戰(zhàn)?；?0多年成功經(jīng)驗的技術(shù)訣竅，PROFINET技術(shù)迅速發(fā)展，并且已經(jīng)成為接下去十年最重要的實時工業(yè)以太網(wǎng)之一。
PROFINET IO特有的快速啟動（FSU，F(xiàn)ast Start Up）技術(shù)，使其IO從站設(shè)備在上電后就能立即與主站進行過程數(shù)據(jù)交換，該功能在工廠自動化的某些特殊應(yīng)用場合是至關(guān)重要的。本文從開發(fā)到應(yīng)用的不同角度，描述了FSU技術(shù)。
2、問題和解決辦法
在過去的十年中，工業(yè)機器人在工廠全方位自動化中的重要性越顯突出和重要。特別是智能機器人在工廠中的應(yīng)用，不僅使其產(chǎn)品線更具靈活性，而且大大減少了每個車間設(shè)備的數(shù)量，這就在很大程度上減少了設(shè)備成本和廠房空間。在一個好的生產(chǎn)計劃下，帶自動加工機構(gòu)的智能機器人其快速且精準的動作，不僅可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)時間，同時也能有效的提供生產(chǎn)效率。當產(chǎn)品必須在生產(chǎn)線上一分鐘之內(nèi)就加工完成，那么就需要機器人的動作能越快越好，且精度也要保持良好，這時，自動加工機構(gòu)的每個動作延遲也都要最小化。在此情形下，如果所有的IO外設(shè)都能與PLC進行準確的過程數(shù)據(jù)交換，那么機器人自動加工機構(gòu)的動作指令就能做到快而準。這就意味著，建立自動加工機構(gòu)與PLC之間的通訊所需要的時間，很大程度的影響著生產(chǎn)效率。
2004年，德國汽車制造商自動化發(fā)起者聯(lián)盟AIDA決定使用PROFINET IO作為工廠自動化的基本通訊標準。而當時，所有實時工業(yè)以太網(wǎng)都面臨一個問題，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)相比，其啟動時間都比較慢。這些實時工業(yè)以太網(wǎng)的啟動時間都在幾個秒的時間范圍，這就很大程度的影響了帶實時工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口及自動加工機構(gòu)ATC的智能機器人在生產(chǎn)線上的應(yīng)用。
基于實際的生產(chǎn)需求，汽車生產(chǎn)企業(yè)也在不斷地推動工廠自動化技術(shù)的發(fā)展。此時，AIDA組織就很明確地規(guī)定了PROFINET IO必須具備的功能需求和性能，功能需求之一就是需要IO設(shè)備的啟動時間小于500 ms。PROFINET IO的快速啟動FSU技術(shù)隨之蘊育而生，來滿足苛刻的現(xiàn)場需求。
技術(shù)
FSU技術(shù)在PROFINET IO最新的規(guī)范中有明確描述，其最基本的定義就是：在設(shè)備上電至接收到第一個周期性輸入數(shù)據(jù)所需要的時間不超過500 ms。由于IO設(shè)備上電后能迅速的實現(xiàn)參數(shù)配置，因此多數(shù)的啟動時間是等待主站控制器發(fā)送的過程數(shù)據(jù)。FSU技術(shù)標準化了相關(guān)的最優(yōu)功能：
－ 使用固定的傳輸參數(shù)（僅限銅線），替代原先使用的自動監(jiān)測參數(shù)，這至少縮短了啟動時間3秒。
－ 網(wǎng)絡(luò)編址不需要掃描每一個IO設(shè)備，在IO設(shè)備啟動后就能自身加載。相關(guān)的參數(shù)配置都保存在IO設(shè)備的不掉電內(nèi)存中，當設(shè)備上電后就能立即被使用。該功能至少能減少啟動時間十幾秒。
－ IO設(shè)備可自發(fā)布準備就緒信號來建立通訊，取代了原先需要等待主站控制器的命令才能建立連接通訊。通過這種方式，也能減少1秒的時間。
這些增強的功能避免了協(xié)議規(guī)約所規(guī)定的專門時間延遲，此外，結(jié)合相應(yīng)的硬件設(shè)施，設(shè)備的啟動時間也可以最優(yōu)化。
關(guān)于FSU技術(shù)的詳細信息在相關(guān)標準或案例文獻（參考文獻[1]）中都有詳細的描述。
可選方案的比較
當今，自動加工機構(gòu)ATC都配備了已被廣泛認可的現(xiàn)場總線技術(shù)，如PROFIBUS，DeviceNet或INTERBUS。這些傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的啟動時間都小于100ms，而實時工業(yè)以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)在啟動時間方面就不如傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)。市場因素也決定需要新的性能來滿足生產(chǎn)需求，因此這就導(dǎo)致了相關(guān)折衷解決方案的出現(xiàn)：網(wǎng)關(guān)和無線技術(shù)。與其它實時工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)相比較，PROFINET IO標準化了時間參數(shù)，其設(shè)備的啟動時間可以小于500ms。目前市場上的PROFINET IO設(shè)備也表現(xiàn)出，其啟動時間大約在400ms左右。如果具有豐富的開發(fā)經(jīng)驗，IO設(shè)備的啟動時間還可以縮短到更小。
由于現(xiàn)場總線技術(shù)使得自動加工機構(gòu)ATC的啟動快速，而實時工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)在垂直的透明數(shù)據(jù)通訊上又有明顯優(yōu)勢，因此，近年來網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)使得這兩種系統(tǒng)可以并存。但是，網(wǎng)關(guān)最主要的缺點就是，增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性。這在維護和服務(wù)方面都會帶來顯著的負面影響。
無線設(shè)備解決了快速啟動的問題，其方式是：通過始終保持通訊，或利用短時通訊建立技術(shù)。無線解決方案的優(yōu)點是，在設(shè)備啟動和因傳輸電纜引起的問題（如，由于電纜或連接器的損壞導(dǎo)致的線路斷開或短路）期間，都不存在空閑時間。這種方式也能有效節(jié)約成本。但是，無線技術(shù)無法改變的缺點就是，通訊的安全性以及接口的約束，會導(dǎo)致更高的時間抖動、循環(huán)時間、意想不到的問題出現(xiàn)和有限的傳輸設(shè)備數(shù)量。因此，無線技術(shù)僅適用于：
－ 不可能使用電纜的區(qū)域或在乎電纜成本的應(yīng)用
－ 無線技術(shù)的缺點可忽略不計的應(yīng)用場合
用戶的看法
某全球著名的德國汽車制造商目前正在計劃其將來的生產(chǎn)線，不得不為帶有自動加工機構(gòu)ATC的智能機器人選擇合適的通訊外設(shè)。這些機器人在生產(chǎn)線上，最典型的操作就是焊接和夾抓。而對機器人來說，車身的生產(chǎn)節(jié)拍是45秒，該時間已經(jīng)包含了自動加工機構(gòu)動作切換的時間延遲。這就強調(diào)了所使用的通訊部件的重要性。該汽車制造商已經(jīng)有了明確的方案選擇：
－ 需要帶有FSU技術(shù)的設(shè)備，其啟動時間需小于500ms；
－ 由于網(wǎng)關(guān)的自身缺陷，在整個系統(tǒng)中將不使用；
－ 使用有限的無線設(shè)備
德國汽車企業(yè)也已經(jīng)達成統(tǒng)一的共識：將在通訊部件中再實現(xiàn)PROFIsafe和PROFIenergy功能。將來工業(yè)通訊系統(tǒng)的使用，對于工人和機械設(shè)備來說，安全生產(chǎn)環(huán)境是最基本的先決條件，PROFIsafe可以滿足其需求。目前，PROFIenergy規(guī)范還在制訂當中，主要規(guī)范能源的有效利用及成本有效控制。
結(jié)論
PROFINET IO技術(shù)具有小于500ms的啟動時間，是帶有自動加工機構(gòu)ATC智能機器人的最佳選擇。基于AIDA的選擇，及與其它實時工業(yè)以太網(wǎng)相比，PROFINET IO所具有的技術(shù)優(yōu)勢，PROFINET IO將很快成為ATC系統(tǒng)的標準通訊接口。
（轉(zhuǎn)載）
