PROFINET基礎(chǔ)知識(shí)介紹
2020-7-30新聞
工業(yè)以太網(wǎng)一般使用IEEE 802.3中定義的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輔助采用了服務(wù)質(zhì)量（ QOS）機(jī)制。PROFINET作為工業(yè)以太網(wǎng)之一，它采用了三種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣既滿足了普通以太網(wǎng)的需求，又滿足了工業(yè)系統(tǒng)對(duì)不同應(yīng)用的實(shí)時(shí)性的要求。如下圖1所示。
圖1、PROFINET使用到的三種協(xié)議棧
① 使用了IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP，報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖2所示。大多數(shù)的PROFINET通信是通過(guò)沒(méi)有被修改的以太網(wǎng)和TCP/IP包來(lái)完成。這使得可以無(wú)限制地把辦公網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用集成到PROFINET網(wǎng)絡(luò)中。
圖2、TCP/IP報(bào)文結(jié)構(gòu)
② RT的通信不僅使用了帶有優(yōu)先級(jí)的以太網(wǎng)報(bào)文幀（如下圖3所示），而且優(yōu)化掉了OSI協(xié)議棧的3層和4層。這樣大大縮短了實(shí)時(shí)報(bào)文在協(xié)議棧的處理時(shí)間，進(jìn)一步提高了實(shí)時(shí)性能。由于沒(méi)有TCP/IP的協(xié)議棧，所以RT的報(bào)文不能路由。
圖3、PROFINET RT報(bào)文結(jié)構(gòu)
③ IRT通信是滿足最高的實(shí)時(shí)要求，特別是針對(duì)于等時(shí)同步的應(yīng)用。IRT是基于以太網(wǎng)的擴(kuò)展協(xié)議棧，能夠同步所有的通信伙伴并使用調(diào)度機(jī)制。IRT通信需要在IRT應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)使用IRT交換機(jī)。在IRT域內(nèi)也可以并行傳輸TCP/IP協(xié)議包，如圖4所示。
圖4、PN控制器和PN設(shè)備的分片處理機(jī)制
以PROFINET RT為例來(lái)理解在整個(gè)通信的過(guò)程中實(shí)時(shí)性能是如何來(lái)保證的。
從通信的終端設(shè)備（PN控制器和PN設(shè)備）來(lái)看，首先采用了優(yōu)化的協(xié)議棧，這一點(diǎn)可以在圖1的 ②看到。這樣一來(lái)在終端的設(shè)備上數(shù)據(jù)報(bào)文被處理的時(shí)間大大的縮短，這是實(shí)時(shí)性能保證的一個(gè)方面。其次是終端設(shè)備上采用的分時(shí)間段處理機(jī)制，這一點(diǎn)可以在圖5看到。這樣保證了在每個(gè)通信的循環(huán)的周期內(nèi)終端設(shè)備即可以處理RT的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)又可以處理TCP或UDP的數(shù)據(jù)。且在每個(gè)循環(huán)內(nèi)優(yōu)先處理RT的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是每個(gè)PN終端設(shè)備只對(duì)自己的負(fù)責(zé)，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)按發(fā)送循環(huán)發(fā)送、對(duì)于由其他設(shè)備發(fā)到自己的數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行立即接收，且發(fā)送和接收是并行處理。
圖5、RT的時(shí)間調(diào)度機(jī)制
從通信的傳輸設(shè)備（SCALANCE X交換機(jī)）來(lái)看，首先采用百兆全雙工的交換網(wǎng)絡(luò)，這樣一來(lái)每個(gè)終端設(shè)備的每個(gè)端口都是獨(dú)享帶寬，且可以雙向不間斷的收發(fā)數(shù)據(jù)。其次是交換機(jī)支持802.1P或802.1Q的標(biāo)準(zhǔn)，使得發(fā)到交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的PN的數(shù)據(jù)幀被優(yōu)先處理和轉(zhuǎn)發(fā)，如圖6所示。這一點(diǎn)保證了PN在網(wǎng)絡(luò)上的快速轉(zhuǎn)發(fā)，也是實(shí)時(shí)性能保證的另一個(gè)方面。
圖6、交換機(jī)802.1Q的工作機(jī)制
上面介紹的是PN RT的實(shí)時(shí)性能從機(jī)理上如何保證的。而從量化的角度去分析的話，PN RT完全是靠計(jì)算來(lái)精確保證每個(gè)發(fā)送循環(huán)所能發(fā)送的報(bào)文及對(duì)RT數(shù)據(jù)的時(shí)間的預(yù)留。
對(duì)于RT來(lái)說(shuō)，在物理層上傳輸?shù)淖钚?bào)文幀來(lái)為88個(gè)字節(jié)，最大報(bào)文幀來(lái)為1488個(gè)字節(jié)。其中包括了12個(gè)字節(jié)的幀間隔，如下圖7所示。
圖7、RT的報(bào)文的長(zhǎng)度
百以太網(wǎng)的傳輸速率 ：
每個(gè)字節(jié)傳輸需要的時(shí)間：
最小的RT報(bào)文幀需要的傳輸時(shí)間 0.08
一個(gè)PN控制下帶3個(gè)最小報(bào)文幀（40個(gè)字節(jié)的C_SDU）的PN設(shè)備，PN 控制器的發(fā)送循環(huán)為250 ，通信建立后在PN接口上抓報(bào)分析PN的通信可以分析出PN數(shù)據(jù)幀對(duì)時(shí)間調(diào)度的情況，如下圖8所示。
圖8、PN RT的時(shí)間調(diào)度機(jī)制
除了對(duì)PROFINET RT和IRT的通信調(diào)度的分析外，還對(duì)PROFINET的抗干擾性作了大量的研究。在對(duì)PROFINET推廣的時(shí)候，很多用戶很關(guān)心PROFINET是不是和PRROFIBUS一樣，存在抗干擾的性能差的特點(diǎn)。我從理論和實(shí)際實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了PROFINET的抗干擾性能優(yōu)于PROFIBUS的抗干擾性能。PROFINET是基于IEEE 802.3的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。所以對(duì)PROFINET的抗干擾分析實(shí)質(zhì)上是對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的抗干擾分析。
