PROFINET有哪些特性？PROFINET的工作機制是怎樣的？

1.0 介紹

PROFINET (Process FIeld NETwork)是工業(yè)以太網(wǎng)的一個開放標準，在過程自動化、生產(chǎn)自動化、汽車、機械工業(yè)和驅(qū)動控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。PROFINET已被IEC 61158和IEC 61784標準化。設(shè)備的安全方面已根據(jù)IEC 62061/ISO 13849-1規(guī)范。

PROFINET根據(jù)不同的時間需求被劃分為不同的性能等級。這些等級是:NRT(非實時)、RT(實時)和IRT(同步實時)，它們基于生產(chǎn)者/消費者原則，借助于各種協(xié)議和服務(wù)。

PROFINET IRT主要應(yīng)用于周期時間低于1 ms的運動控制應(yīng)用。采用以太網(wǎng)協(xié)議在VLAN優(yōu)先級的以太網(wǎng)幀中發(fā)送高優(yōu)先級負載數(shù)據(jù)。利用動態(tài)幀打包(DFP)原理和基于硬件同步交換的時間復(fù)用方式，對周期時間進行優(yōu)化。

這項技術(shù)大約已有25年歷史，由西門子和PROFIBUS用戶組織PNO的其他成員公司開發(fā)。

2.0 特性

與該技術(shù)相關(guān)的特性主要有:從管理級到現(xiàn)場或設(shè)備級的通信，靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，如星型或線，靈活的硬實時通信，包括同步運動控制，動態(tài)幀封裝原則，導(dǎo)致靈活的時間周期，支持多種傳輸媒體，如銅，無線，光纖等，所有現(xiàn)場總線的無縫集成，為人，設(shè)備等的安全，防止未經(jīng)授權(quán)的黑客進入系統(tǒng)。高可靠的診斷系統(tǒng)等。

3.0 一致性等級

在PROFINET中定義了三個相互構(gòu)建的一致性等級 。這些等級基于自動化系統(tǒng)的不同需求，分別時CC-A、CC-B和CC-C。

CC-A是層次結(jié)構(gòu)中最低的，具有基本的PROFINET I/O和RT通信功能。IT服務(wù)也可以在這個等級中使用。除了CC-A提供的功能外，CC-B還提供網(wǎng)絡(luò)診斷、網(wǎng)絡(luò)拓撲等功能。媒體冗余協(xié)議選項在這個等級下也是可用的。應(yīng)用包括具有確定性但非同步通信的機器控制。CC-B的一個擴展版本是CC-B (PA)，其中包括過程自動化中應(yīng)用的系統(tǒng)冗余功能。

CC-C包括CC-A和CC-B的所有功能。此外，它使用等時相位提供高度確定的實時數(shù)據(jù)通信。它用于機器控制領(lǐng)域。

4.0 實時通信, 硬實時和軟實時

PROFINET標準區(qū)分了三種性能等級:PROFINET NRT(非實時)、PROFINET RT(實時)和PROFINET IRT(同步實時)。

第一個版本用于非時間關(guān)鍵的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序使用傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)或用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(UDP/IP)進行數(shù)據(jù)傳輸，周期約為100毫秒。其中I/O數(shù)據(jù)的交換采用以太網(wǎng)協(xié)議，而診斷和通信數(shù)據(jù)的傳輸采用UDP/ IP協(xié)議。這種模式下的周期時間大約是10毫秒。最后一個，即PROFINET IRT，是為運動控制應(yīng)用中的關(guān)鍵時間要求而開發(fā)的，周期時間約為1 ms，抖動為1 μ s。

PROFINET中的RT和IRT是有區(qū)別的，盡管這兩個版本都指的是實時。在實時工業(yè)通信協(xié)議中，數(shù)據(jù)交換發(fā)生在指定的時間內(nèi)——通常小于10毫秒。現(xiàn)在，實時系統(tǒng)可以是硬實時，也可以是軟實時——這取決于最后期限的強制程度。硬實時系統(tǒng)本質(zhì)上是確定性的，即網(wǎng)絡(luò)保證消息將在指定的、有限制的時間內(nèi)傳輸，不能快也不能慢。在硬實時系統(tǒng)中，響應(yīng)時間有絕對的限制。另一方面，在軟實時系統(tǒng)中，偶爾違反周期時間或截止日期是可以接受的。

為了實現(xiàn)實時通信，PROFINET在報文頭中使用VLAN標記。它將可自由使用的最高優(yōu)先級級別設(shè)置為6。它確保PROFINET電報優(yōu)先通過交換機轉(zhuǎn)發(fā)。

最快的數(shù)據(jù)更新速度?，F(xiàn)在，提供和處理數(shù)據(jù)所需的時間與系統(tǒng)所進行的通信類型無關(guān)。只有通過優(yōu)化棧中的周轉(zhuǎn)時間才能實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)更新操作。如果能繞過開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的某些層來實現(xiàn)更快的棧操作，將會帶來更快的操作，并且可以減少棧的周轉(zhuǎn)時間。結(jié)果如下圖所示。

時間T1和T3保持不變，而時間T2(當(dāng)數(shù)據(jù)通過堆棧時)可以通過軟硬件的結(jié)合來減少。

除PROFINET IRT外，Ethernet Powerlink、SERCOS III等基于以太網(wǎng)的工業(yè)協(xié)議均采用同步數(shù)據(jù)通信原理實現(xiàn)硬實時通信。硬實時系統(tǒng)運行在同步時鐘上，以減少周期時間和抖動，并提供確定性的行為。

5.0 實現(xiàn)更快的操作

PROFINET是一個開放的協(xié)議,它的周期短于31.25微秒,IRT版本不超過1微秒。通過集成交換機發(fā)送時，設(shè)備的地址信息包含在幀報頭中。在這種情況下，幀ID (FID)地址信息在相應(yīng)的交換機中集成一次。因此,快速轉(zhuǎn)發(fā)幀可以減少幾個微秒的延遲。

另一種實現(xiàn)更快運算的方法是求和幀法。在這種情況下，來自多個節(jié)點(設(shè)備)的I/O數(shù)據(jù)被打包到一個幀中。因此，多個節(jié)點只需要一個FCS (幀校驗隊列)就可以提高吞吐量。這對于具有少量I/O字節(jié)的節(jié)點特別有利，因為PROFINET在其幀中使用64字節(jié)，就像任何以太網(wǎng)幀一樣。

還可以通過使用全雙工系統(tǒng)實現(xiàn)增強性能,其中輸入和輸出數(shù)據(jù)都可以通過這雙電纜發(fā)送。當(dāng)一個求和幀被發(fā)送、接收、分析和檢查到幀中的最后一個節(jié)點時,DFP(Discovery and Configuration Protocol)扮演了一個關(guān)鍵的部分。由于數(shù)據(jù)從前面的節(jié)點中獲取，后面不與要在取一次,因此它們向最后一個節(jié)點傳送過程中被剝離出來。因此，幀變得越來越短，數(shù)據(jù)到達最后一個節(jié)點變得更快。 因此，周期更新時間變得更快

PROFINET V2.3的另一個優(yōu)點是，當(dāng)IRT通信周期仍在進行時，它可以無限制地進行TCP/IP通信。所涉及的技術(shù)是在單個節(jié)點中接收大型TCP/IP幀，然后將其分片。單個的碎片按連續(xù)的周期發(fā)送。在接收端，它們在應(yīng)用層被組裝在一起，以得到未更改的TCP/IP幀。這使得在共享I/O和TCP/IP通信中實現(xiàn)31.25 μs時長的總線周期成為可能。這些碎片的集成是在交換模塊中完成的，因此不需要任何額外的特殊裝置。

6.0 IRT的工作機制

IRT的工作機制基于時間片機制。IRT網(wǎng)絡(luò)上的流量由IRT和RT兩部分組成，假設(shè)IRT流量占網(wǎng)絡(luò)總帶寬的25%，其余的分配給RT流量，如下圖所示。

IRT流量通過一次性切片履行嚴格的時間安排。在此期間，任何非IRT流量都將被緩沖。一旦IRT通信已經(jīng)結(jié)束，緩沖的通信將通過交換機，進入常規(guī)的以太網(wǎng)通信。預(yù)留的IRT流量是可擴展的。，它剛好足夠容納IRT通信。

高精度的時間片(對于RT和IRT)可以通過交換機實現(xiàn)。如果網(wǎng)絡(luò)具有以下特性，是可行的:

1. 一個非常精確的主時鐘，它將同步網(wǎng)絡(luò)上所有連接的設(shè)備，以創(chuàng)建精確持續(xù)時間的時間片。
2. 交換機必須有一些額外的電路來緩沖和保存在IRT階段執(zhí)行期間可能接收到的任何以太網(wǎng)流量。

主時鐘基于IEEE 1588v2 (IEEE 1588-2008)，它定義了精確時間協(xié)議(PTP)。這被放在一個名為精確透明時鐘協(xié)議(precision transparent clock protocol, PTCP)的協(xié)議包中。網(wǎng)絡(luò)交換機和布線的固有延遲可以通過PTCP計算?？缇W(wǎng)絡(luò)的高精度實時時鐘具有非常精確的延遲計算，允許網(wǎng)絡(luò)中的交換機精確地在所需的時間進入和退出IRT時間片。時鐘主使用同步幀來同步這些設(shè)備中固有的所有本地時鐘發(fā)生器。這些設(shè)備直接連接在一起，而不需要經(jīng)過任何非同步設(shè)備。

下圖，展示了PROFINET協(xié)議中的數(shù)據(jù)如何通過OSI的不同層。數(shù)據(jù)有三種變體:標準數(shù)據(jù)、RT數(shù)據(jù)和IRT/TSN數(shù)據(jù)。RT和IRT通信繞過會話層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，從而加快了RT和IRT的周轉(zhuǎn)時間。

7.0 時間敏感組網(wǎng)

它是一系列旨在提高標準以太網(wǎng)確定性的新標準。工業(yè)以太網(wǎng)是一種開放標準，西門子正在現(xiàn)場或設(shè)備級使用PROFINET，在控制級使用OPC UA。西門子目前正在研究基于以太網(wǎng)的標準時間敏感網(wǎng)絡(luò)預(yù)留帶寬，主要側(cè)重于服務(wù)質(zhì)量、低傳輸延遲以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實時域不同協(xié)議的并行傳輸。

目前，TSN提供31.25 μ s的循環(huán)時間和1 μ s的抖動，但PROFINET IRT已經(jīng)提供了這樣的性能水平。PROFIBUS和PROFINET國際(PI)已經(jīng)在最新的PROFINET標準中采用了TSN。

TSN通過部署另一個具有一些額外功能的新標準802.1AS-2019，改進了現(xiàn)有的時間同步時鐘(IEEE 1588)。采用這種新標準的TSN網(wǎng)絡(luò)在同步超出預(yù)期范圍時將產(chǎn)生錯誤。這個設(shè)備在IEEE 1588中沒有。與新標準相關(guān)的另一個特性是它具有調(diào)度優(yōu)先級。TSN是OSI標準模型中的第二層，它向上兼容以前的以太網(wǎng)和硬實時功能

TSN包括一個廣泛的網(wǎng)絡(luò)配置，集中和分散的運作模式都可以。這兩種模式之間的互操作性目前正在開發(fā)中。隨著TSN的引入，OSI模型的1、2、3層將統(tǒng)一為一個具有更高可擴展性和性能的層。

8.0 使用 IRT

PROFINET IRT中的每個設(shè)備(也稱為PROFINET一致性C類)-從控制器到設(shè)備和交換機必須與PROFINET一致性C類兼容。該類中的最小數(shù)據(jù)更新率為250 μ s，抖動小于1 μ s。使用合適的硬件可以將數(shù)據(jù)更新率降低到31.25 μ s。對于更新速率小于250 μ s的, TCP/IP通信被碎片化并以較小的數(shù)據(jù)包傳輸。

在使用PROFINET之前，需要正確配置PROFINET IRT。這需要指定IRT操作所需的時間片(帶寬)數(shù)目，以及設(shè)備的周期時間。同樣，網(wǎng)絡(luò)拓撲必須明確指定，這將使IRT設(shè)備在IRT時間片內(nèi)優(yōu)化IRT傳輸調(diào)度。配置一個C類網(wǎng)絡(luò)比B類網(wǎng)絡(luò)更冗長和復(fù)雜。

一些控制器，設(shè)備和交換機支持等時模式應(yīng)用，盡管它不是IRT的一部分。此模式用于將應(yīng)用程序的執(zhí)行循環(huán)鎖定到IRT更新間隔。這可以防止過采樣或欠采樣，確保進入或退出IRT時間階段是完美的。

上圖，展示了PROFINET IRT通信的時間表。一個特定的周期始于網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步。這是由高度精確的主時鐘完成的。根據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)的需要，以預(yù)留帶寬(時間片)發(fā)送IRT數(shù)據(jù)，然后進行RT通信。診斷數(shù)據(jù)等在頭標準通信下發(fā)送。