快速启动PROFINET IO

工业以太网通信系统，具有更高的数据速率，垂直通信和与建立的IT标准共存的能力等优点，对自动化世界产生了深远的影响。作为一种灵活，强大，快速推进的技术，PROFINET涵盖了所有自动化领域，并通过替换传统现场总线系统的能力和适应新挑战的能力来区分自动化领域。

基于PROFIBUS 20年的成功经验，PROFINET融合的技术将成为未来常见的工业通信系统。PROFINET IO的快速启动(FSU)技术的发展缓解了这一问题，该技术使IO设备能够立即从上电到与IO控制器进行循环数据交换。在工厂自动化中，这种功能是特定应用程序的高优先级需求。本文从不同的角度介绍了FSU技术，从发展到应用。

更快的工具的变化

在过去的几十年里，工业机器人对于高效的工厂自动化已经变得非常重要。现代机器人具有自动更换工具的能力，增加了生产线的灵活性，减少了每个单元的机器人总数。这可以降低成本和所需空间，并可能缩短生产周期，只要工具更换时间尽可能短。当解耦一个工具和耦合另一个工具时，每个延迟都应该被最小化。只有当所有相应的IO外设都与PLC进行循环数据交换时，一个工具，以及整个机器人才可以操作。这意味着在工具上的IO设备和PLC之间建立通信所需的时间将对生产率产生负面影响。

2004年，德国汽车制造商自动化计划(AIDA)决定使用PROFINET IO作为工厂自动化的基本通信标准。然而，与传统现场总线相比，所有工业以太网标准都有启动时间非常慢的缺陷。典型的启动时间在秒的范围内。这一缺点阻碍了在具有自动更换工具功能的机器人上使用工业以太网系统。

由于汽车行业一直在推动新的工厂自动化技术的发展，如机器人的自动换工具(ATC)， AIDA提出了PROFINET IO的额外要求，IO设备必须启动速度超过500毫秒。快速启动技术(FSU)是为了满足这一需求而指定的。

FSU的基本规则在PROFINET IO的最新规范中描述的是，接收到电源和第一循环输入数据之间的时间不应超过500毫秒。FSU的好处可以从第二个启动使用，因为在第一次启动期间，IO设备是参数化和配置的。

这些增强功能删除了特定于协议的延迟。此外，可以通过使用相应的硬件来优化设备的启动。

协议优化是标准化的:
•采用固定传输参数(仅对铜线)，而不是自动检测，缩短启动时间达3秒。
•网络地址不会在每次启动时传递给IO设备，而只在第一次启动时传递。这些参数保存在IO设备的永久内存中。在接下来的每次启动中，从永久内存中检索并重用这些参数。这种优化可以节省几秒钟的时间。
•IO设备宣布准备建立通信，而不是等待IO控制器搜索它。用这种方法最多可以节省一秒钟的时间。

网关和无线解决方案

当今ATCS中的信号的传输主要基于传统的现场总线，例如PROFIBUS，DEVICENET和INTERBUS，其在几百毫秒的面积中具有典型的启动时间。对于长时间，工业以太网通信系统无法在启动时间方面跟上传统的现场总线。

然而，市场设定了新的性能要求，导致了折衷解决方案的开发，最引人注目的是网关和无线解决方案。PROFINET IO，与其他常见的工业以太网系统相比，标准化了设备可以达到500毫秒以上的启动时间的方式。市场上可用的设备保证大约400毫秒的启动时间。开发经验表明，很容易就能达到相当低的时间。

在最近建立的网关概念中，经过验证的现场总线实现了快速ATC，而工业以太网系统负责垂直通信。这一概念的关键缺点是由于使用了两种不同的标准而增加了整个系统的复杂性。这对维护和服务有明显的负面影响。

无线设备通过在耦合工具耦合之前不久，通过保持通信或利用通信建立技术来解决启动问题。

无线解决方案的优点是在启动过程中没有空闲时间和电缆引起的问题(例如，线路中断或电缆或连接器损坏造成的短路)。无线技术的缺点是存在安全风险和干扰，这会导致更高的抖动、更长的周期时间、额外的规划工作，以及局部区域内有限的发射设备数量。

总之，将使用无线技术：
•使用电缆不经济或不可能。
上述缺点的作用微不足道。


未来发展

一家全球领先的德国汽车制造商目前正在规划其未来的生产线，需要为其带有ATC的机器人选择通信外围设备。机器人在应用中的典型操作是焊接和抓取。在一个机器人单元中，车身生产的时间只有45秒，其中包括更换工具的延迟。

汽车制造商已指定以下内容：
•需要启动时间小于500ms的FSU设备。
•由于上述缺点，将不会使用网关概念。
•无线组件的使用受到限制，因为周期通常不令人满意。

德国汽车行业表示，通信组件制造商的下一步是在其设备中实施PROFIsafe和PROFIenergy配置文件。人与机器的安全环境是未来工业通信系统使用的基本前提条件。PROFIsafe满足了这一要求。PROFIenergy目前处于规范阶段，它提供了具有成本效益的能源利用。

在启动时间低于500ms的情况下，PROFINET IO对机器人ATC的利用没有任何障碍。基于AIDA的选择和与其他解决方案相比的优势，PROFINET IO成为ATC系统的批准标准。

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