profinet通訊實時性、可靠性

1、一、簡介：PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準。作為一項戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當前自動化領(lǐng)域的熱點話題，并且，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術(shù)，保護現(xiàn)有投資。PROFINET是適用于不同需求的完整解決方案，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設(shè)備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標

2、準和信息安全、故障安全和過程自動化。PROFINET的實時性，需要了解PROFINET的協(xié)議和工作機制。PROFINET具有RT和IRT兩種等級的實時通訊。PROFINET區(qū)分兩類不同性能的實時周期通訊，一種是實時（RT）通訊，主要用于工廠自動化，這一類沒有時間同步要求，一般只要求響應(yīng)時間為 5-10ms。另一種是等時同步實時（IRT），主要用于有苛刻時間同步要求的場合例如運動控制，電子齒輪。與此對應(yīng)，PROFINET提供兩類實時通訊 通道具體分為RT實時通道和IRT實時通道。另外還包括一個標準通訊通道，標準通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通訊通道,主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和 讀取診斷數(shù)據(jù)。

3、1、 PROFINET實時通信根據(jù)響應(yīng)時間的不同，PROFINET支持下列三種通訊方式：1. 1TCP/IP標準通訊PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP 是IT 領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實上的標準，盡管其響應(yīng)時間大概在100 ms的量級，不過，對于工廠控制級的應(yīng)用來說，這個響應(yīng)時間就足夠了。2. 2. 實時（RT）通訊對于RT，通訊雙方，按照Step7組態(tài)的各自的時鐘周期內(nèi)，向?qū)Ψ桨l(fā)送一次數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)交換。時鐘周期設(shè)置越短，實時性就越強。被發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，交換機保證其實時性的唯一

4、方式，就是根據(jù)PROFINET數(shù)據(jù)的QoS來轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)，正如膠片所描述的，PROFINET的數(shù)據(jù)可能會被延遲，延遲的最主要原因就是NRT的報文和交換機的S&F。這時PROFINET的實行性的保證就主要依賴您，工程師去考慮實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，防止類似的情況發(fā)生。必要時，調(diào)整Update time 和看門狗時間。對于交換機，其工作方式，如膠片所說有兩種，一種S&F，另一種是CT。普通交換機的工作方式使用S&F。雖然IRT的交換機的工作方式使用CT的方式，不過在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)生累積時，其工作模式會轉(zhuǎn)變成S&F。這樣與普通交換機相同。所以使用IRT交換機

5、在應(yīng)用RT時，數(shù)據(jù)負載不能接近滿負荷。對于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應(yīng)時間的要求更為嚴格，因此，PROFINET提供了一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層（Layer 2）的實時通訊通道，通過該實時通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時間，PROFINET實時通訊（RT）的典型響應(yīng)時間是510ms 。PROFINET的RT通訊協(xié)議及 幀結(jié)構(gòu)如圖1.1和1.2。圖1.1圖1.23. 3. 同步實時（IRT）通訊對于IRT，通訊雙方仍然按照Step7組態(tài)的各自的時鐘周期內(nèi)，向?qū)Ψ桨l(fā)送一次數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)交換。但是由于IRT的時鐘被同步

6、，這樣IRT采用了帶寬預留的方式，也就是說在這段時間內(nèi)，只有IRT的數(shù)據(jù)才可以進行傳輸，其它數(shù)據(jù)例如TCP或IT數(shù)據(jù)或者您所舉的數(shù)據(jù)、語音、圖像等數(shù)據(jù)是無法在這段時間內(nèi)進行傳輸。由于沒有數(shù)據(jù)與IRT的數(shù)據(jù)爭搶帶寬，于是保證了IRT數(shù)據(jù)的實時性。這時，一定要選擇IRT的交換機例如SCALANCE X200IRT或者選擇支持IRT的設(shè)備例如ET200S PN V6.0進行相鄰連接，與RT不同，因為此時IRT的交換機是IRT實時性的唯一保證。不過PROFINET IRT還有另外一個優(yōu)點，如果IRT設(shè)備之間由于某些原因無法完成時鐘同步，那么會以RT的方式進行通訊

7、。在現(xiàn)場級通訊中，對通訊實時性要求最高的是運動控制（Motion Control），PROFINET的同步實時（Isochronous Real-Time, IRT）技術(shù)可以滿足運動控制的高速通訊需求，在100個節(jié)點下，其響應(yīng)時間要小于1ms，抖動誤差要小于1s，以此來保證及時的、確定的響應(yīng)。實時通道IRT是硬實時HRT（Hardware RT） 方案，實時性是基于一個建立在快速以太網(wǎng)Layer2上的時間觸發(fā)（time- triggered）協(xié)議，由內(nèi)嵌的Switch-ASIC同步實時交換芯片保證。這樣可以進一步縮短通訊棧軟件的處理時間,特別適

8、用于高性能傳輸、過程 數(shù)據(jù)的等時同步傳輸、以及快速的時鐘同步運動控制。由于基于硬件實現(xiàn)，IRT幀中通常無需RT幀中的IEEE802.1Q VLAN標識。 PROFINET的IRT通訊協(xié)議及幀結(jié)構(gòu)如圖2.1和2.2 圖2.1圖2.2二、PROFINET IO的實時性1、標準以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)標準以太網(wǎng)的幀如表1所示。可以看出，一個標準以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)大小為64B1  500 B?？焖僖蕴W(wǎng)（100 Mb/s）傳輸1 518 B數(shù)據(jù)的時間是120 s,傳輸64 B數(shù)據(jù)的時間是5 s。PROFINE

9、T最突出的特點是它的實時性，從過程自動化到工廠自動化再到運動控制，其實時性可以滿足各種各樣的應(yīng)用，PROFIBUS也可以實現(xiàn)上述的功能，不過在實時性較高的場合特別是在運動控制中，其性能與PROFINET無法相比，無法像PROFINET一樣最小實時周期為250us，抖動小于1us的精度。 PROFINET另外一個突出的特點是以太網(wǎng)，借用以太網(wǎng)，可以同時傳輸TCP或IT數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)、語音、圖像等數(shù)據(jù)，這是PROFIBUS所無法比擬的。而且由于在以太網(wǎng)中，診斷更加靈活，SNMP協(xié)議，HTTP協(xié)議都可以診斷PN設(shè)備，來獲取診斷信息。從網(wǎng)絡(luò)的任何一點，或者通過WLAN，隨時隨地訪問你所需要連接

10、的設(shè)備。另外，對于網(wǎng)絡(luò)的擴展，PROFIBUS只能機械的增加OLM或Repeater等，而且增加的地點多為固定的，其缺點在設(shè)備增容時尤為體現(xiàn)。而PROFINET使用以太網(wǎng)的連接方式，加入交換機，插入網(wǎng)線連接即可。這與我們辦公的局域網(wǎng)相似，需要增加設(shè)備的時候，只需要連接到交換機的端口即可?；谏鲜鲈蛭鏖T子全新的S7-1200只匹配了PROFINET接口，PROFIBUS的連接只能通過IE/PB LINK PN IO進行無縫集成。2、性能分析 ：（1）對于PROFINET，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挒?00Mbps。（2）對于PROFINET，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綖槿p工。（3）對于PROFINET，一致性數(shù)據(jù)最

11、大為254bytes。（4）對于PROFINET，用戶數(shù)據(jù)的最大為1400bytes。（5）對于PROFINET，設(shè)備之間的總線長度為100m。（6）對于PROFINET，引導軸可以運行在任意SIMOTION中。（7）對于PROFINET，可以使用標準的以太網(wǎng)網(wǎng)卡。（8）對于PROFINET RT，一個PG接入，可能產(chǎn)生極小的反應(yīng)，而對于PROFINET IRT，接入不會引起任何問題。（9）對于PROFINET，使用IT相關(guān)的工具即可。（10）對于PROFINET，任意數(shù)量的控制器可以在網(wǎng)絡(luò)中運行。多個控制器不會影響IO的響應(yīng)時間。（11）對于PROFINET，不需要總線終端電阻（13）對于P

12、ROFINET，無線（WLAN）可用于額外的介質(zhì)。（14）對于PROFINET，所有數(shù)據(jù)類型可以并行使用，一個接口可以既做控制器又做IO設(shè)備。（15）對于PROFINET，可以通過拓撲信息確定設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)位置。PROFINET作為一種以太網(wǎng)較PROFIBUS的優(yōu)勢在哪里？1.通訊速度快2.通訊距離遠3.實時同步4.同步實時性（IRT）:對于非實時同步的工藝（例如過程控制）,它的意義不大三、可靠性PROFINET故障安全在過程自動化領(lǐng)域中，故障安全是相當重要的一個概念。所謂故障安全，即指當系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)致命錯誤時，系統(tǒng)能夠恢復到安全狀態(tài)（即"零"態(tài)），在這里，安全有兩個方面

13、的含義，一方面是指操作人員的安全，另一方面指整個系統(tǒng)的安全，因為在過程自動化領(lǐng)域中，系統(tǒng)出現(xiàn)故障或致命錯誤時很可能會導致整個系統(tǒng)的爆炸或毀壞。故障安全機制就是用來保證系統(tǒng)在故障后可以自動恢復到安全狀態(tài)，不會對操作人員和過程控制系統(tǒng)造成損害。  PROFINET集成了PROFISafe行規(guī)，實現(xiàn)了IEC61508中規(guī)定的SIL3等級的故障安全，很好的保證的整個系統(tǒng)的安全1、標準與網(wǎng)絡(luò)安全PROFINET的一個重要特征就是可以同時傳遞實時數(shù)據(jù)和標準的TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗證的IT技術(shù)都可以使用（如http、HTML、SNMP、DHCP

14、和XML等）。在使用PROFINET的時候，我們可以使用這些IT標準服務(wù)加強對整個網(wǎng)絡(luò)的管理和維護，這意味著調(diào)試和維護中的成本的節(jié)省。PROFINET實現(xiàn)了從現(xiàn)場級到管理層的縱向通訊集成，一方面，方便管理層獲取現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)，另一方面，原本在管理層存在的數(shù)據(jù)安全性問題也延伸到了現(xiàn)場級。為了保證現(xiàn)場級控制數(shù)據(jù)的安全，PROFINET提供了特有的安全機制，通過使用專用的安全模塊，可以保護自動化控制系統(tǒng)，使自動化通訊網(wǎng)絡(luò)的安全風險最小化。PROFINET的優(yōu)勢之一就是它能夠創(chuàng)建靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。你可以為你的網(wǎng)絡(luò)選擇依靠網(wǎng)絡(luò)元件的長度，速度及布局。例如，假定光纖光學集成接口你能夠延伸到設(shè)備之間300米的距

15、離。額外的構(gòu)成26千米的光纖光學距離就可能依靠使用光纖光學的類型及廠商。在一個電子網(wǎng)絡(luò)中，兩臺設(shè)備之間最大的距離可達100米。目前能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)成冗余的雙環(huán)形網(wǎng)絡(luò)來保證自動化系統(tǒng)的可靠性。2、故障安全在過程自動化領(lǐng)域中，故障安全是相當重要的一個概念。所謂故障安全，即指當系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)致命錯誤時，系統(tǒng)能夠恢復到安全狀態(tài)（即"零"態(tài)），在這里，安全有兩個方面的含義，一方面是指操作人員的安全，另一方面指整個系統(tǒng)的安全，因為在過程自動化領(lǐng)域中，系統(tǒng)出現(xiàn)故障或致命錯誤時很可能會導致整個系統(tǒng)的爆炸或毀壞。故障安全機制就是用來保證系統(tǒng)在故障后可以自動恢復到安全狀態(tài)，不會對操作人員和過程控制系統(tǒng)造成損害。PROFINET集成了PROFISafe行規(guī)，實現(xiàn)了IEC61508中規(guī)定的SIL3等級的故障安全，很好的保證了整個系統(tǒng)的安全。3、過程自動化PROFINET不僅可以用于工廠自動化場合，也