摘要：本文介紹了實時以太網技術在工業(yè)機器人應用中突出需要解決的問題和相應的解決方案，詳細介紹了PROFINET IO FSU技術及其亮點，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)以太網通訊系統(tǒng)在自動化領域的應用越來越廣泛，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)據量傳輸、垂直的透明數(shù)據通訊，以及可以與標準的以太網系統(tǒng)互訪、共存。 PROFINET以其靈活性、魯棒性、快速性等優(yōu)點，其應用可以覆蓋整個自動化領域，能夠滿足所有的自動化需求。PROFINET與其它實時以太網系統(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)，更能適應新的挑戰(zhàn)?；?0多年成功經驗的技術訣竅，PROFINET技術迅速發(fā)展，并且已經成為接下去十年最重要的實時工業(yè)以太網之一。 PROFINET IO特有的快速啟動（FSU，F(xiàn)ast Start Up）技術，使其IO從站設備在上電后就能立即與主站進行過程數(shù)據交換，該功能在工廠自動化的某些特殊應用場合是至關重要的。本文從開發(fā)到應用的不同角度，描述了FSU技術。 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用，不僅使其產品線更具靈活性，而且大大減少了每個車間設備的數(shù)量，這就在很大程度上減少了設備成本和廠房空間。在一個好的生產計劃下，帶自動加工機構的智能機器人其快速且精準的動作，不僅可以縮短產品的生產時間，同時也能有效的提供生產效率。當產品必須在生產線上一分鐘之內就加工完成，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外設都能與PLC進行準確的過程數(shù)據交換，那么機器人自動加工機構的動作指令就能做到快而準。這就意味著，建立自動加工機構與PLC之間的通訊所需要的時間，很大程度的影響著生產效率。 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)以太網都面臨一個問題，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術相比，其啟動時間都比較慢。這些實時工業(yè)以太網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)以太網通訊接口及自動加工機構ATC的智能機器人在生產線上的應用。 基于實際的生產需求，汽車生產企業(yè)也在不斷地推動工廠自動化技術的發(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設備的啟動時間小于500 ms。PROFINET IO的快速啟動FSU技術隨之蘊育而生，來滿足苛刻的現(xiàn)場需求。 技術 FSU技術在PROFINET IO最新的規(guī)范中有明確描述，其最基本的定義就是：在設備上電至接收到第一個周期性輸入數(shù)據所需要的時間不超過500 ms。由于IO設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。FSU技術標準化了相關的最優(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。 － 網絡編址不需要掃描每一個IO設備，在IO設備啟動后就能自身加載。相關的參數(shù)配置都保存在IO設備的不掉電內存中，當設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，結合相應的硬件設施，設備的啟動時間也可以最優(yōu)化。 關于FSU技術的詳細信息在相關標準或案例文獻（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ATC都配備了已被廣泛認可的現(xiàn)場總線技術，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需求，因此這就導致了相關折衷解決方案的出現(xiàn)：網關和無線技術。與其它實時工業(yè)以太網系統(tǒng)相比較，PROFINET IO標準化了時間參數(shù)，其設備的啟動時間可以小于500ms。目前市場上的PROFINET IO設備也表現(xiàn)出，其啟動時間大約在400ms左右。如果具有豐富的開發(fā)經驗，IO設備的啟動時間還可以縮短到更小。 由于現(xiàn)場總線技術使得自動加工機構ATC的啟動快速，而實時工業(yè)以太網系統(tǒng)在垂直的透明數(shù)據通訊上又有明顯優(yōu)勢，因此，近年來網關的出現(xiàn)使得這兩種系統(tǒng)可以并存。但是，網關最主要的缺點就是，增加了整個系統(tǒng)的復雜性。這在維護和服務方面都會帶來顯著的負面影響。 無線設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。無線解決方案的優(yōu)點是，在設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，無線技術無法改變的缺點就是，通訊的安全性以及接口的約束，會導致更高的時間抖動、循環(huán)時間、意想不到的問題出現(xiàn)和有限的傳輸設備數(shù)量。因此，無線技術僅適用于： － 不可能使用電纜的區(qū)域或在乎電纜成本的應用 － 無線技術的缺點可忽略不計的應用場合 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線，不得不為帶有自動加工機構ATC的智能機器人選擇合適的通訊外設。這些機器人在生產線上，最典型的操作就是焊接和夾抓。而對機器人來說，車身的生產節(jié)拍是45秒，該時間已經包含了自動加工機構動作切換的時間延遲。這就強調了所使用的通訊部件的重要性。該汽車制造商已經有了明確的方案選擇： － 需要帶有FSU技術的設備，其啟動時間需小于500ms； － 由于網關的自身缺陷，在整個系統(tǒng)中將不使用； － 使用有限的無線設備 德國汽車企業(yè)也已經達成統(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，對于工人和機械設備來說，安全生產環(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。 結論 PROFINET IO技術具有小于500ms的啟動時間，是帶有自動加工機構ATC智能機器人的最佳選擇?；贏IDA的選擇，及與其它實時工業(yè)以太網相比，PROFINET IO所具有的技術優(yōu)勢，PROFINET IO將很快成為ATC系統(tǒng)的標準通訊接口。