（电子科学与技术专业论文）智能断路器profinet+io通信模块设计与实现.pdf

t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r p r o f i n e ti oc o m m u n i c a t i o nm o d u l e b y s h a n z h i h u a b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o uy a n t a o a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 弘寄 日期：为ff 年s - , 97 石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密do ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：仞i f 年f 月2 莎e l e t 期：矽f 年f 月名日 出 白叶鼍 志一铡 牡讯 智能断路器p r o f i n e ti o 通信模块设计与实现 摘要 现场总线技术的广泛应用使的智能断路器实现了联网监控与自动化控制。然 而随着实时以太网技术的迅速发展，自动化技术领域逐步从现场总线技术向实时 以太网技术方向转变。本文针对原有基于现场总线技术的智能断路器通信控制系 统进行改造，设计了一种基于p r o f i n e ti o 工业实时以太网技术的新型智能断路 器通信模块。 ( 1 ) 分析了当前低压智能断路器与实时以太网技术在国内外的研究现状及发 展趋势，根据我国新一代智能断路器的发展方向，给出了一种基于p r o f i n e ti o 协议的智能断路器通信模块解决方案。并阐述了基于实时以太网技术的智能断路 器在配电保护系统应用中的优势。 ( 2 ) 针对解决方案实现的技术基础，深入的研究了p r o f i n e t 实时以太网协 议结构，以太网实时通信的实现机制，分析了精准时间同步协议p t c p 的同步原 理；研究了可配置实时操作系统e c o s 的结构与特性，分析了可配置机制的实现。 ( 3 ) 根据智能断路器通信与联网监控功能和性能的基本要求，参照相关行业 标准，给出了智能断路器p r o f i n e ti o 通信模块的总体硬件设计方案，包括以太 网通信接口设计，r s 4 8 5 通信接口与电源电路设计等。详细阐述了系统各模块电 路的组成原理并给出了硬件模块电路设计原理图。 ( 4 ) 结合硬件系统设计并根据p r o f i n e ti o 通信规范要求，给出了系统软 件的总体设计思想和实现方法，详细阐述了e c o s 系统移植、以太网控制器驱动程 序、p r o f i n e ti o 设备通信程序、断路器通信协议转换程序的实现原理与方法， 并给出了程序设计的流程图和部分代码实现。 最后根据现有的技术条件和设备情况，搭建了智能断路器通信测试实验平台， 结合断路器监控系统软件与智能断路器对设计样机进行了通信测试，并对测试获 得的相关数据进行了分析。测试结果表明系统运行稳定，达到了智能断路器联网 监控的预期设计要求。 关键词：通信模块；智能断路器；p r o f in e tl0 ；实时以太网；e c o s 操作系统； 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v e l yu s e d o ff i e l d b u st e c h n o l o g y ，t h ei n t e l l i g e n tb r e a k e rh a s r e a l i z e dn e t w o r km o n i t o r i n ga n da u t o m a t i o nc o n t r 0 1 h o w e v e r , a st h er a p i d l y d e v e l o p m e n to fr e a l - t i m ee t h e r n e tt e c h n o l o g y , t h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g yg r a d u a l l y c h a n g e df r o mt h ef i e l d b u st ot h er e a l t i m ee t h e r n e tt e c h n o l o g y i no r d e rt oi m p r o v et h e e x i s t i n gi n t e l l i g e n tb r e a k e rw h i c hi sb a s e do nf i e l d b u st e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp r o p o s e d ak i n do fn e wi n t e l l i g e n tb r e a kc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nt h ep r o f i n e ti o i n d u s t r i a lr e a l - t i m ee t h e r n e tt e c h n o l o g y f i r s t l y , b ya n a l y z i n gt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt r e n di nt h ed o m e s t i ca n d o v e r s e a so fl o w - v o l t a g ei n t e l l i g e n tc i r c u i t - b r e a k e ra n dr e a l - t i m ee t h e r n e tt e c h n o l o g y , a n da c c o r d i n gt op r i m ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h en e x tg e n e r a t i o ni n t e l l i g e n t c i r c u i t - b r e a k e r ，a ni m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i v ei n t e l l i g e n tc i r c u i t - b r e a k e rb a s e d o np r o f i n e ti op r o t o c o li sg i v e n a n dd e s c r i b e di n d e t a i lt h ea d v a n t a g e so f i n t e l l i g e n tb r e a k e ri m p l e m e n t e dr e a l - t i m ee t h e r n e tt e c h n o l o g yi nt h ea p p l i c a t i o no f p o w e rs u p p l ys y s t e mp r o t e c t i o n s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct e c h n o l o g yo ft h ep r o je c ti m p l e m e n t a t i o n ，t h i s p a p e ra n a l y z e di nd e p t ht h e s t r u c t u r eo fp r o f i n e tp r o t o c o l ，t h em e c h a n i s mo f r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ep r e c i s et i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o lu s e di n p r o f i n e t s t u d i e dt h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n f i g u r a b l er e a l - t i m e e c o so p e r a t i n gs y s t e m r e s e a r c h e dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n f i g u r a b l em e c h a n i s m t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h eb a s i cf u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so f t h e c o m m u n i c a t i v ei n t e l l i g e n tb r e a k e ra n dr e f e r r i n gt ot h er e l e v a n ti n d u s t r ys t a n d a r d s ，t h e p a p e rd e s c r i b e dt h eo v e r a l lh a r d w a r ed e s i g np l a na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e p r o f i n e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei n c l u d i n ge t h e r n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，r s 48 5 c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l e a n dd e s c r i b e di nd e t a i lt h ep r i n c i p l eo fm o d u l ec i r c u i td e s i g n ，a n dg i v e nt h eh a r d w a r em o d u l ec i r c u i ts c h e m a t i c f o u r t h l y , c o m b i n e dw i t ht h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h i sp a p e rg i v e nt h eg e n e r a l s o f t w a r ed e s i g ni d e a sa n dt h er e a l i z a t i o nm e c h a n i s m ，e x p o u n d e dt h ei m p l e m e n t a t i o n p r i n c i p l ea n dm e t h o do fe c o sn e t w o r kd r i v e r ，p r o f i n e tp r o t o c o ls t a c ka n dt h e p r o t o c o lc o n v e r s i o no ft h eb r e a k e r ，g i v e nt h ef l o wc h a r to fp r o g r a ma sw e l la sp a r to f t h ec o d e sr e a l i z a t i o n f i n a l l y , at e s t i n gp l a t f o r mw a ss e t t l e du pa c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gt e c h n i c a l c o n d i t i o na n de q u i p m e n t p e r f o r m a n c e sa n dc o m m u n i c a t i o nt e s t sh a v eb e e nd o n et o i l l 智能断路器p r o f i n e ti o 通信模块设计与实现 t h ep r o t o t y p ec o m b i n e dw i t ht h ep cm o n i t o r i n gs o f t w a r ea n dt h ei n t e l l i g e n tb r e a k e r t h er e l e v a n tt e s td a t ao b t a i n e df r o mt h et e s tw e r ea n a l y z e d t h et e s tr e s u l t ss h o w e d t h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，r e a c h e dt h ee x p e c t i n gr e q u i r e m e n to fi n t e l l i g e n t b r e a k e rn e t w o r k i n gc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ：i n t e l l i g e n tb r e a k e r p r o f i n e t1 0 ； r e a l - t i m ee t h e r n e t ) e c o so p e r a t i n gs y s t e m i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 选题背景1 1 2 可通信智能断路器的发展现状及趋势l 1 3 工业以太网技术应用优势3 1 4 课题来源及研究意义4 1 5 本文的主要研究内容4 第2 章智能断路器通信模块设计技术基础6 2 1p r o f i n e ti o 工业以太网技术一6 2 1 1p r o f i n e ti o 的设备类型6 2 1 2p r o i n e t 实时机制一7 2 1 3p r o f i n e ti o 协议分析1 0 2 2 嵌入式可配置实时操作系统e c o s 1 3 2 2 1 可配置机制原理1 4 2 2 2 系统结构与特点15 2 2 3e c o s 与l x c o s i i 系统比较1 6 第3 章智能断路器p r o f i n e ti o 通信模块硬件设计1 8 3 1 通信模块设计要求及总体硬件结构1 8 3 1 1 智能断路器通信与监控功能要求1 8 3 1 2 通信模块性能要求1 8 3 1 3 总体硬件结构设计1 9 3 2 以太网通信模块设计2 0 3 2 1 处理器l p c 2 3 8 7 特性及e m a c 模块分析一2 0 3 2 2 以太网物理层收发器2 1 3 2 3 以太网接口电路设计2 1 3 3 电源设计 3 4r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通信接口设计 3 4 1r s 2 3 2 接口 3 4 2r s 4 8 5 接口 3 5 编码开关电路 v 2 2 2 3 2 3 2 4 2 5 智能断路器p r o f i n e ti o 通信模块设计与实现 3 6 硬件的抗干扰设计2 5 第4 章智能断路器通信模块软件设计与实现2 7 4 1 软件总体设计方案2 7 4 2 嵌入式e c o s 系统配置与移植2 8 4 2 1 开发平台的建立2 8 4 2 2l p c 2 3 8 7 平台分析2 8 4 2 3e c o s 系统的移植：2 9 4 2 4e c o s 内核移植测试3 2 4 3l p c 2 3 8 7 以太网模块驱动设计与实现3 3 4 3 1e c o s 系统驱动程序结构3 3 4 3 2 以太网驱动程序的基本框架3 3 4 3 3 驱动程序设计与实现3 4 4 3 4 以太网驱动程序测试3 9 4 4p r o f i n e ti o 协议栈设计与实现4 0 4 4 1p r o f i n e t i o 协议栈总体结构设计4 0 4 4 2 数据链路层服务映射模块设计4 1 4 4 3i o 通信模块设计4 4 4 4 4 诊断及警报通信设计4 7 4 5 智能断路器通信模块应用程序设计与实现4 8 4 5 1 通信协议转换原理一4 8 4 5 2 通信模块协议转换应用程序设计4 9 4 6g s d m l 设备描述文件编写5 0 第5 章通信模块测试5 2 5 1 测试平台与测试网络5 2 5 2 测试方法与步骤5 3 5 3 测试结果与结论5 4 总结与展望5 8 参考文献6 0 致谢6 3 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录6 4 附录b 攻读学位期间参加的科研项目6 5 附录c 部分g s d m l 文件6 6 v i 硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 断路器是电力系统中应用最广泛、最重要的开关电器设备之一，它在供电和 配电系统中可以用来分配电能和保护线路和电源设备免受过载、欠压、短路、单 相接地等故障的危害。然而传统的低压断路器采用的是电磁式或电子式的控制器， 功能单一，只能控制断路器跳闸，时限曲线非常简单。随着现场总线技术发展， 自动化系统由集中控制转变为分散控制。与之相配套的断路器逐渐具有了智能化、 模块化、可通信化的特点。通过基于现场总线的开放式的通讯接口，智能断路器 实现了保护多样性、监测、试验、自诊断、显示等功能，满足了联网集中监控和 自动化控制的要求。 近年来随着以太网及t c p i p 网络的迅速发展，网络通信速度大步提升，建设 基础网络设备的成本却逐渐下降；以太网应用范围愈加广泛，几乎可以连接任何 地点的任何设备。以太网技术高速的转输率、广阔的使用范围，极低的实现成本， 促使了很多学者研究如何将以太网技术应用到工业通讯上面。到目前为止，国际 标准i e c 6 11 5 8 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线已经收 录了多种基于实时以太网技术的工业通信协议，自动化技术领域也因此逐步从现 场总线技术向工业实时以太网( r t e ) 技术发展【lj 。新一代的工业自动化网络大部 分是建立于以太网基础之上，工业以太网成为当前的自动化行业技术热点。 p r o f i n e t 是由p r o f i b u s 国际组织( p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ) 推出的新一 代基于工业以太网技术的自动化总线标准，p r o f i n e t 为自动化控制通信领域提 供了一套完整的网络技术解决方案，包括实时以太网、分布式自动化、运动控制、 故障安全以及网络安全等当前自动化行业领域的热点【2 j 。p r o f i n e t 提供了两种不 同的方案，为不同类型的工程应用供最佳的支挂：用于集成分布式i o 应用的 p r o f i n e ti o 和用于分布式自动化系统中的p r o f i n e tc b a 。本文致力于 p r o f i n e ti o 技术的研究与应用，将天正集团公司现有的基于现场总线技术的断 路器通信监控系统向基于实时工业以太网的p r o f i n e ti o 技术转变，迎合国内外 低压电气的发展方向。 1 2 可通信智能断路器的发展现状及趋势 随着我国经济的快速增长以及供电系列的快速发展，对电力系统的稳定可靠 性和自动化程度的要求越来越高。从发电，输电，配电到最后的用电，都提出了 智能断路器p r o f i n e ti o 通信模块设计与实现 控制、监测、保护等自动化与智能化方面的要求。低压断路器作为低压配电系统 中最重要的控制与保护器件，它的自动化和智能化程度决定着电器设备的智能化 程度【3 j 。随着嵌入式系统应用及数字通信技术的发展及应用，低压断路器在接通、 分断、保护、安全、维护等方面的性能与采用热磁式技术的低压断路器相比有了 显著变化。智能断路器已不是简单意义上的一台保护装置，它将保护、计量、控 制、通信等功能融于一体，形成了一个网络型的安全保护系统【3 1 。 从二十一世纪起，由于电子科学技术的迅速发展，新型的智能可通信断路器 在国外各大知名公司里陆续推出。这些产品的性能与技术不断完善，无论是产品 结构还是新技术应用都有非常重大突破和创新。如三菱公司开发的m d u 系列断路 器，它可以直接实现电力能源监控网络系统与设备监控网络系统。而西门子公司 的产品则更为先进，它新推出的可通信低压电器产品系列，可以组成功能强大的 智能自动控制系统，实现电力配电监控系统或者楼宇自动化系统。此外，a b b 、 s h n e i d e r 、g e 等国外企业的电能管理系统已经可以将智能断路器、智能化的仪 表、网关、显示设备等类型产品与计算机系统互连，通过强大的电能管理软件实 现对整个配电系统进行统一的分析、调度与控制【4 】。 在国内，智能电网发展计划的提出给我国智能电器的发展带来良好发展空间。 智能电网已经成为最新流行的研究热点，提高低压配电与控制系统运行可靠性以 及自动化程度，实现系统网络化是发展的必然方向。实现电网可靠、安全、经济、 高效运行和环境友好使用是智能电网的发展目标。智能断路器将具有对电网电力 质量进行监控和通信的功能，如监控电网的谐波分量、功率因数、波形畸变，记 录电网的波形变化，实时观测电网的工作情况等【5 】。一旦系统实现网络化，低压电 器设备必将具有双向快速通信功能，经通信适配接口与不同现场总线系统相连接。 而工业以太网技术的应用与发展，将使的低压配电系统的通信网络变得更为高效 与简洁。可通信智能断路器将逐步向工业实时以太网技术方向发展。 智能断路器发展到现在，已不在是普通意义上的保护装置了。它将测量与控 制、通信与诊断等功能融于一体，成为一个智能化的终端设备。而作为智能断路 器的核心：信息处理单元，将采用性能不断提高的数字信号处理器。电子技术与 通信技术的不断发展为智能断路器向功能多样化，稳性可靠化，结构模块化，性 能优越化等方面提供了坚实的技术保障。文献 3 】与 4 】总结出智能断路器主要向四 个方向发展：首先是将多任务的实时操作系统应用到智能断路器的设计中，使的 程序开发周期缩短，便于维护与移植，提高了软件开发的效率，同时又保证了系 统的实时性能；其次是将现场总线技术应用于智能断路器，实现断路器的自动化 控制与应用，从而提高系统的性能与可靠性。同时应用标准化，开放性的通信协 议以增强产品的通用性；再次是智能断路器将具有对电网电能质量进行监控的功 能，如电压电流值，功率因数，谐波分量等。并实时传输电网信息，反映工作情 2 硕士学位论文 况6 1 。最后是人工智能化的方面的发展，智能断路器将具有更高的检测精度及更灵 活的保护功能，为用电设备提供更安全的保护。 1 3 工业以太网技术应用优势 由于标准以太网技术具有实运成本低、通信速率高、实现兼容性好、应用广 泛以及充满前景的持续发展潜力等诸多优点，因而标准以太网技术逐渐的被引入 到工业控制领域成为工业以太网【j 7 1 。同现有的现场总线技术相比，工业以太网可以 满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一，节省专用 的现场总线网络。虽然以太网应用于工业通信还面临着一些问题，但其较高的通 信速率和良好的开放性，使得它在网络化控制系统中的应用受到越来越多的关注 【引。目前已有多个国际组织在研究以以太网为基础的实时以太网技术与协议，并将 现有现场总线协议向以以太网的物理层及数据链为基础方向发展。目前在 i e c 6 1 1 5 8 标准中已收录包括p r o f i n e t ，e t h e r n e ti p ，e p a ，h s e 等多个实时以太 网工业通信协议标准【9 1 ，见表1 1 。其中e p a ( e t h e n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 还是 中国自主研发的工业以太网标准。 尽管现场总线技术是当前商业控制系统中最主要的数字通信技术，但是经过 近些年的发展已经有很多生产商开始提供基于以太网技术的通信产品，用于联接 现场设备【l o 】。有些公司也开始限制其产品同自动控制设备( 如p l c ) 的通信，并对 现有的现场总线设备提供移植的方案。在未来的一段时间内，现场总线技术同实 时以太网会共存，但最终还是会过渡到完全的实时以太网技术f l 。因此工业以太 网技术的应用是符合科技的发展方向。 表1 1 标准化的实时以太网类型 本文的主要内容和结构安排如下： 第1 章绪论。通过分析智能断路器国内外研究发展现状，阐述了基于实时以 太网技术的智能断路器通信技术的开发意义。分析了基于实时以太网技术的智能 断路器在配电保护系统应用中的优势。介绍了课题来源与作者研究工作。 第2 章智能断路器通信模块设计技术基础。分析p r o f i n e ti o 实时以太网 协议结构，以太网实时通信实现机制，分析了p r o f i n e t 精准时间同步协议p t c p 同步原理；研究了可配置实时操作e c o s 系统结构与特性，分析了可配置机制实现。 第3 章智能断路器通信模块硬件设计。结合国家相关标准及浙江天正电气股 份有限公司企业有关标准，给出了硬件设计方案及系统设计的主要功能和性能技 4 硕士学位论文 术指标。根据硬件设计方案设计了电源模块、以太网通信接口、参数设定模块、 r s 4 8 5 通信接口等硬件电路。详细论述了系统各模块硬件电路设计原理及实现方 法。给出了相应电路设计原理图。 第4 章智能断路器通信模块软件设计。结合硬件电路设计与p r o f i n e ti o 通信协议规范给出了软件系统设计方案和实现方法，着重介绍了e c o s 系统的移植 与配置，e c o s 系统下以太网驱动程序的设计实现，p r o f i n e t 数据链路层服务映 射模块、实时i o 数据交换与警报诊断通信的程序设计实现。并介绍了智能断路器 通信协议转换、监控与控制应用程序的设计实现。 第5 章通信模块测试。结合天正集团p r o f i n e t 智能断路器系统监控软件 与w i r e s h a r k 网络协议分析工具，对测试样机进行通信功能测试。 最后是总结与展望。 5 ( 5 ) 基于x m l 方案的兼容而增强型g s d 模型g s d m l 。 2 1 1p r o f i n e t1 0 的设备类型 p r o f i n e ti o 应用与现在常见的现场总线系统应用一样。它包含了可编程 逻辑控制器p l c 系统、监控系统、现场设备以及远程输入输出设备之间的通信。 一般来说p r o f i n e t 有三个不同的设备类型，图2 1 为p r o f i n e t 设备类型。 ( 1 ) 1 0 监视器( 1 0s u p e r v i s o r ) ：i o 监视器是一种专用于i o 控制器和i o 设 备调试与诊断用的设备，通常为p c 、h m i 或者编程器( v g ，p r o g r a m m i n gd e v i c e 。 ( 2 ) i o 控制器( i oc o m r o l l e r ) ：i o 控制器是一类可编程控制器( 如p l c ，h m i ) ， 它可以执行自动化程序。负责其相关联的现场设备的i p 地址分配，配置，参数化， 6 硕士学位论文 警报处理等。i o 控制器的功能相当于p r o f i b u s 类型1 的主站功能。 ( 3 ) i o 设备( i od e v i c e ) i o 设备代表了主要的现场设备以及远程i o 设备。i o 设 备是输入数据的来源以及输出数据的目的地。它提供了协议中的警报与诊断信息， 设备及过程事件。i o 设备可以接收参数数据块，警告与警报范围以及其它数据。 u p c r v t s o r e t l l 锄e t ， l 澎 图2 1 p r o f i n e ti o 设备模型与交互 2 1 2p r o i n e t 实时机制 实时( r t ，r e a lt i m e ) 表示系统在一个确定的时间内处理外部事件。确定性 ( d e t e r m i n i s t i c ) 意味着系统有一个可预知的响应，因此实时通信的一般要求是：确 定性的响应、标准应用的响应时间5 m s 【2 j 。 对于不同的应用其实时性能要求不同，在p r o f i n e t 协议中包含了下三种实 时类型：实时类型1 ，适合对时间要求不高的应用，一般的工业交换机就可以满足 需求；实时类型2 ，适合中断数据和周期性的数据传输，需对i e e e8 0 2 1 q 进行应 用扩展，要求特殊的工业交换支持机；实时类型3 ，适合时钟同步，等时同步通信 i r t ，响应时间小于l m s ，适合运动控制应用中的数据传输( 抖动时间少于l “s ) ， 需要特殊的工业交换机，且必须对通信路径进行规划。 p r o f i n e ti o 的实时通信功能的主要是在交换式以太网基础上，通过 v l a n 、r t 实时通道、时分复用等技术方式来实现【l2 1 。下面对其进分析： 1 v l a n 在全双工交换式以太网中，因网络冲突而产生的时间延迟得到了很好的解决， 然而在交换机内部依然还是有可能产生延迟而造成不确定性通信的因素。如果交 换的转发口正在转发，或者当前有其它以太帧正处于转发口队列时，实时以太网 帧将阻塞在发送队列得不到及时发送。为减少此类延迟，i e e e 8 0 2 1 q 协议为发送 的以太网帧分配了一个优先级，一个虚拟桥接v l a n 标签( v l a n i d ) 将会添加 到以太网帧内1 1 3 】，图2 2 为p r o f i n e t1 0 实时数据帧结构。 v l a ni d将以太网帧分为0 7 个优先级。p r o f i n e t 实时报文将按照 i e e e 8 0 2 1 q 添加4 个字节的v l a n 标签来区分数据帧的优先级。设备之间的数据 7 t 3 ：在线路上传输时同 图2 3 数据传输延时分析 图2 3 反映了哪些因素影响着发送周期【14 1 。从图中可以看出，通信过程中所 需要的时间主要是由准备数据耗时，执行通信栈耗时，传送数据及处理数据耗时 等部分所组成。而对于快速交换式以太网来说，在网络通信线路上的数据传送延 时相对于处理器执行通信协议栈的时间来说是可以忽略不计的。主要的时间延迟 还是在于执行通信协议栈，正如前面所说t c p i p 栈的执行时间。因此通过对通信 8 硕士学位论文 协议栈进行优化，可以使数据收发周期得到相当大的改观，同时处理器占用时间 也会相应地大大减少。 因此，p r o f i n e t 实时通信协议设计时吸取了一些p r o f i b u sd p 的先进设 计理念，尽量减少通讯协议栈的层次划分以实现数据的快速交付，从而达到工业 自动化的实时通信要求。p r o f i n e t r t 实时协议结构只保留了i s o o s i7 层模型 结构中只的第1 、2 、7 层。同t c p i p 协议栈数据发送过程相比较，p r o f i n e t 的 应用层实时数据将直接交付给以太网驱动程序发送，见图2 4 。同非实时数据传输 过程相比较，实时数据不需要复杂的通信协议处理，这样就大量减少了数据在通 讯协议栈中的处理时间，保证了时间要求苛刻的实时数据传输”】。但是由于没有 使用第3 层网络协议，实时数据传输失去了路由功能，因而数据包使用接收设备 的m a c 地址来寻址。 f p r o f i n e t i o j n o n - r t l r t j 图2 4p r o f i n e ti o 实时通道示慈图 3 时分复用 p r o f l n e ti o 采用的是1 0 0 m 全双工传输模式，理论上作何一个设备都有可 能一直使用线速传输以太网帧。这样的行为如果持续一定时间，将会使等时同步 通信无法正常工作。因此p r o f i n e ti o 设计了时分多路复用机制来限制各个设备 的发送行为【1 6 】。图2 5 为p r o f i n e t 时分复用机制。 d e v i c e l d e v i l 2 d e v i e , e 3 垄鲞堕塑壁! ! ! 坚 囤回圆 s a f e t y m a r g i n 卜帼圈 回圆圈 f r a m e o k s e t 。+ 。一 1r i t , t 问谰唐诵信鼻j a l - 涌信 图2 5p r o f i n e t 时分复用机制 以太网接口处的数据传输将根据发送时钟进行分割。发送时钟周期可配置为 3 1 2 5 i t s 4 m s 之间，一般为l m s 。发送时间内分为三个发送阶段。第一个发送时间 阶段是等时同步数据发送阶段，所有的i r t 帧将在此时间内发送。这些数据帧将 9 霄 智能断路器p r o f i n e ti o 通信模块设计与实现 会被特殊的交换机直接转发( 直通i r t ) 。而这些交换机是经过预定义配置时间表 设置过的。在每一个时间偏移处，预先计划好的帧( 由f r a m e o f f s e t 决定其发送时 间) 将会被直接转发。第二个发送时间段为实时数据( 实时类型1 和2 的帧，以 及遵照i e e e s 0 2 1 q 分配了优先级的非实时帧) 发送阶段，这时候的交换机切换到 正常的工作方式( 存储转发) ，并进行地址解析。最后一个阶段为非实时数据发送 阶段，主要用于其它网络协议如t c p i p 的数据发送【1 7 j 。 考虑到系统性能及安全，一般在每个发送周期里，r t ( 包括r t c ，r t a ，i r t ) 传输不应用超过5 0 的带宽，r t 与n r t 共使用大约6 0 带宽，以保留足够的安 全裕度。每个发送周期的起始，由同步主机通过基于i e e e l 5 8 8 改进行型p t c p 协 议进行同步【l 引。而网络中的交换机将会同步其时钟及i r t 时间表。 由于不是所有的网络设备都需要高性能的数据转输，不同的i o 设备的数据传 输率并不一样，因此最慢的设备不应当来决定整个网络的发送时钟，因此对这些 类型的设备需通过一个基于发送时钟的时间缩放比( r e d u c t i o nr a t i o ) 进行传输。 使的设备的发送时间间隔可以调节。同时，为了进行一步优化带宽，还可以把不 同设备的周期数据分配到不同的发送阶段中【2 j 。图2 6 为帧缩减速比与发送阶段示 意图，其中发送周期= 发送时钟2 4 ；2 ”为缩放，l 为最大缩放比例；发送阶段为一个发 送时钟，它的取值范围为l 到缩放比减一。 哑堕四 f lf 2f 3f lf 2f lf 2f 3f if 2 f 发送 - 4 - m-。 e ：j e n 斗鼬 1 一l ，a - r 一l 协 lf 1 l f 3 i 帧1 、3 ：用缩放l 传输 i 发送周期 i l f 2 i 羟嬲鬻嚣 图2 6p r o f i n e t 帧发送缩减比与发送阶段 2 1 3p r o f i n e ti o 协议分析 p r o f i n e t 协议规范在i e c 6 1 1 5 8 中类型1 0 中定义，i e c 6 1 7 8 4 现场总线行规 集中c p f 3 3 对p r o f i n e ti o 设备的实现进行了协议筛选。p r o f i n e ti o 协议结 构参照于o s i 标准。图2 7 为p r o f i n e t 协议i s o 结构。 p r o f i n e ti o 物理层采用的是i e e e 8 0 2 31 0 0 m 快速以太网标准。数据链路 层按照i e e e s 0 2 3 全双工及8 0 2 1 q 标准。网络层及传输层中p r o f i n e ti o 引用 了标准的t c p i p ，u d p i p 协议。应用层定义了无连接分布式远程过程调用( c l d c er p c ) ，用于上下文管理以及通用读写服务；为了实现实时通信，p r o f i n e t 旁路了中间层，将应用层服务直接映到路据链路层d d l m ( d i r e c td a t el i n k e rl a y e r m a p ) ，建立了实时通道i l 引。 1 0 硕士学位论文 i s 0 o s ip r o f i n e ti o p r o f r n e t1 0s e r v i c e s p r o t o c o l 7 应用层 c o n n e c t i o n l e s sr p c 6 表示层无 5 会话层无 4 传输层 i fu d p v 3 网络层i p i e c6 1 7 8 8 4 ，i e e e 8 0 2 3 ， 2 数据链路层 f u l l - d u p l e x ，