（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网性能测试与组网优化.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，工业以太网技术有了长足的进步，在管理层、控制层和现场层之间实现纵向 的一网到底成为一种趋势。对于现场级的工业应用来说，数据传输的响应时间和延迟必须 有确定的上限，但是以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访i 口 ( c s m a c d ) 介质访问机 制，具有本质上的不确定性。目前针对工业以太网实时性能的研究采用理论推导结合仿真 分析的方法或是使用普通以太网设备做性能测试，不能完全反映工业现场的真实情况。 针对目前工业以太网实时性能研究的不足之处，本文设计工业以太网测试平台的技术 方案，使用西门子工业控制设备搭建p r o f i n e t 工业以太网测试平台，完成系统集成和 安装调试工作，并分析了延迟、i oc y c l e 等实时性能指标的测试方法。 本文分析了p r o f i e n t 协议使用优化的实时通道和v l a n 优先级标识的实时机制， 在只有实时数据和实时数据混杂非实时数据传输两种情况下建立延迟时间的数学模型。进 而设计了延迟和i oc y c l e 的测试方案，分别使用线形和树形两种拓扑结构，测试网络拓扑 和非实时数据包的长度对延迟的影响，并对测试结果进行分析和比较。然后结合实际测试 结果和理论计算探讨如何合理设置i oc y c l e 。 根据实际的测试结果我们提出了工业以太网的组网原则，针对两级树形拓扑工业以太 网，通过权重参数的设置同时考虑主干网总流量最小和子网负荷差异最小两个优化目标， 建立最优子网划分问题的数学模型。进而改进了遗传算法的适应度函数和选择算子，应用 遗传模拟退火算法求解最优的子网划分。仿真结果表明，优化后主干网的总流量减少了 4 8 ，各子网负荷分布均衡，减少了实时数据帧通过交换机转发的次数，可以有效改善网 络的实时性能。 关键词：工业以太网；p r o f i n e t ；测试平台；延迟时间模型；实时性能测试；子网划分 模型；遗传模拟退火算法 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，i n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g i e sh a v em a d eg r e a ta d v a n c e si nt h e m a n a g e m e n tl a y e r , c o n t r o ll a y e ra n df i e l dl a y e rw i t h i nan e t w o r k t h ei n t e g r a t i o no fm u l t i l a y e r f u n c t i o n sa n do p e r a t i o ns y s t e m sa c r o s st h ew h o l en e t w o r kh a sb e c o m et h er e s e a r c ha n di n d u s t r y f o c u si nt h el o n gr u n i i lg e n e r a l ，t r a n s m i s s i o nd e l a ya n dd a t ar e s p o n s et i m es h o u l dc o m p l y 、) l ，i t l l t h ep r e d e f i n e du p p e rl i m i ti nt h ef i e l d l e v e li n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s c o n s i d e r i n gt h ei n h e r e n t u n c e r t a i n t yo fe t h e r n e t ，m o s tr e s e a r c h e r sa d o p tc a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ( c s m a c d ) a sm e d i u ma c c e s sm e c h a n i s m c u r r e n tr e s e a r c h e so nt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so fi n d u s t r i a l e t h e m e ta r em o s t l yb a s e do nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so ro r d i n a r y e t h e r n e t - b a s e de q u i p m e n tp e r f o r m a n c et e s t i n g ，w h i c hc a n n o tr e f l e c tt h eo p e r a t i o n a ls t a t u so f d i f f e r e n ti n d u s t r i a lf i e l d si np r a c t i c e c o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tr e s e a r c ha b s e n c ei nt h ei n d u s t r i a le t h e m e tr e a l t i m ep e r f o r m a n c e s t u d y , w ed e s i g n s e r i e so fi n d u s t r i a le t h e m e tt e s t p l a t f o r m s o l u t i o n sa n dp r o p o s ea p r o f i n e t - b a s e di n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ks y s t e mi nt h i st h e s i s a d d i t i o n a l l y , w ec o m p l e t et h e s y s t e mi n t e g r a t i o n , c o m p o n e n ti n s t a l l a t i o na n df a u l td e b u g t h ea n a l y s i so fp r o p o s e dt e s t i n g m e t h o d sf o rd e l a ya n di oc y c l ea r ep r o v i d e di nd e t a i l t h i st h e s i sa n a l y z e st h et e c h n i c a ls o l u t i o n sb a s e do nt h eo p t i m i z e dr e a l t i m ec h a n n e l sa n d v l a np r i o r i t yi d e n t i f i c a t i o nm e c h a n i s m si np r o f i e n tp r o t o c o l s w ee s t a b l i s ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed e l a yt i m e ，b o t hi nt e r m so ft h er e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h e m i x e dt r a n s m i s s i o nw i t hr e a l t i m ea n dd e l a y - t o l e r a n td a t a f u r t h e r m o r e ，w ed e s i g nt h et e s t i n g p r o g r a mo ft h ed e l a yt i m ea n di oc y c l e b yu s i n gt h el i n e a ra n dt r e et o p o l o g i e st ot e s tt h ed e l a y e f f e c tc a u s e db yn e t w o r kt o p o l o g ya n dt h el e n g t ho fd a t ap a c k e t t h et e s t i n gr e s u l t sa r ea n a l y z e d t oc o n f i g u r et h ei oc y c l ec o m b i n g 、衍mt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n dp r a c t i c a lr e s u l t s b a s e do nt h ep r a c t i c a lt e s t i n gr e s u l t s ，t h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o np r i n c i p l e so fi n d u s t r i a l e t h e m e ti sp r o p o s e di nt h i st h e s i s c o n s i d e r i n gt h et w o l e v e lt r e et o p o l o g yi n d u s t r i a le t h e m e t ， w ee s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs u b - n e t w o r kd i v i s i o np r o b l e mb ya s s i g n i n gd i f f e r e n t w e i g h tp a r a m e t e r s ，i no r d e rt om i n i m i z et h et o t a ld a t at r a f f i co fb a c k b o n en e t w o r ka n dt h e 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nl o a dd i f f e r e n c eb e t w e e ns u b - n e t w o r k s i na d d i t i o n ，w ei m p r o v et h ef i t n e s sf u n c t i o n a n ds e l e c t i o no p e r a t o ro ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dp r o p o s ea n o t h e rg e n e t i cs i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h mt oa d d r e s st h ep r o b l e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a ld a t a t r a f f i co fb a c k b o n en e t w o r kc a nb ed e c r e a s e db y4 8 ，a n de a c hs u b - n e t w o r kl o a di sb a l a n c e d t h ef r e q u e n c yo fr e a l t i m ed a t af l a m e st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h es w i t c h e sa r er e d u c e d ，w h i c h e f f e c t i v e l yi m p r o v e st h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e o fi n d u s t r i a le t h e m e t k e y w o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e t ；p r o f i n e t , t e s tp l a t f o r m ；d e l a y t i m em o d e l ；r e a l - t i m e p e r f o r m a n c et e s t i n g ；s u b n e t w o r kd i v i s i o nm o d e l ；g e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m - v l - 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝塑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 却彬 签字日期： 驴产年事月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 翻彬 签字日期矽f q 年伽沙日 导师签名： 签字日期：矽f o 年乡月阳 峁 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文付梓之际，我首先要向我的导师王智副研究员表示深深的谢意。感谢王老师 对我的悉心指导和一贯支持，感谢王老师为我营造了一个宽松的学习科研环境。王老师认 真严谨的治学态度、勤恳踏实的工作作风、宽宏大度的胸怀、平易近人的长者风范一直深 深影响和激励着我，是我终生学习的楷模。 衷心感谢孙优贤院士为我们提供的优良、开放的治学环境，感谢林庆女士在生活学习 上周到、热忱的关心和照顾。 在求学之路上，我很幸运能够加入协同感知与网络研究组，朝气蓬勃、热情洋溢的兄 弟姐妹给我带来了愉快的实验室生活。特别感谢张雷师姐、吕述刚师兄、周良毅、胡国传 对本文的帮助。感谢实验室的李鸿斌、曹锋、赵军等师兄在学术和生活上的帮助。感谢一 起学习的孙喜策、王志波同学。感谢研究组的骆吉安、陈善涛、薛海亮、沈杰等同学，在 学习，生活过程中与他们所进行的诸多有益的讨论，使我受益匪浅。 最后，我要特别感谢我的家人，正是你们多年来无私的爱和一直以来给予的理解关心 和支持鼓励，我才能全身心的投入到学习和研究工作当中。 刘彬 2 0 1 0 年1 月 于浙江大学 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 引言 第1 章绪论 自动化技术从创立以来就处于不断发展当中，现场总线的使用为工业通信带来了革 新，将自动化系统由集中控制转变为分散控制。但是来自市场等多方面的压力需要制造商 更好地提高生产力、降低成本、减少产品的生命周期等，然而目前的现场总线系统已经达 到了它们性能的极限【l 】。由于以太网技术由于具有成本低、通信速率和带宽高、兼容性好、 广泛的技术支持基础和强大的持续发展潜力等诸多优点，于是以太网技术越来越多的被引 入到工业控制领域。如今以太网从企业信息管理层向下延伸直接应用于工业现场设备间的 通信已经成为一种趋势【2 3 】，使用以太网技术贯穿工业网络的各个层次，实现从现场层到 管理层设备的一致通信已经成为工业自动化领域的共识【4 ，5 】。 1 2 工业以太网技术的优点 相对于现场总线技术，工业以太网具有如下优点【6 ，7 1 ： ( 1 ) 通信速率高 现场总线的最大传输速率仅为1 2 m b p s ，而目前以太网已经广泛使用百兆全双工的通 信速率，千兆以太网技术也逐渐发展成熟。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的 多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。 ( 2 ) 成本低廉 以太网技术的发展非常成熟，得到硬件开发与生产厂商的广泛支持，市场上有多种硬 件产品供用户选择。由于规模化生产的效应， 很多。此外，由于以太网技术已经应用多年， 以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜 人们在以太网的设计，应用等方面积累了很 多经验，大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整 体成本，同时也加快了系统的开发和推广速度。 ( 3 ) 开放性，可与i t 技术结合 随着i n t e m e t 的发展，以太网已渗透到各个角落。使用工业以太网技术可以实现办公 自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成，建立现场层、控制层与管理层之间的一致性 浙江大学硕士学位论文绪论 通信。这样我们可以从中央管理部门通过i n t e r n e t 网络执行上层管理任务，共同管理在不 同地点的自动化设备、实现生产策略、规划市场措施。 1 3 工业以太网面临的问题 以太网技术进入工业控制领域，同样也存在一些问题 8 , 9 1 ，其中主要的是- ( 1 ) 实时性问题 工业现场级的应用对实时性有很高的要求，如果控制对象的工艺要求一个数据包在 2 m s 内由源节点送达目的节点，就必须在2 m s 内送到，否则就达不到工艺的要求，甚至有 可能引发事故。以太网采用载波监听多路访问冲突检测( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，c s m a c d ) 的介质访问方法，网络中的节点要发送报文时，首先监 听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送。如果两个或更多的节点监听到 网络空闲并同时发送报文时，报文将在网络上发生碰撞。因此节点在发送报文时，必须继 续监听网络，当检测到两个或更多报文之间出现碰撞时，节点立即停止发送，等待一段随 机时间，然后尝试重新发送数据。这种情况下数据传输的响应和时延是不可预测的，很难 满足工业控制领域对实时性的要求。如何保证数据传输的实时性是以太网技术进入工业现 场应用的关键性问题。 ( 2 ) 适用于工业自动化控制的应用层协议 以太网技术规范只定义了物理层和数据链路层。目前因特网的应用层协议所定义的数 据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。因此，还需定义 统一的应用层规范。 ( 3 ) 对工业环境的适应性与可靠性 与普通以太网的办公环境不同，工业现场的机械环境、气候环境等条件非常恶劣，因 此对设备的可靠性提出了更高的要求。工业现场中使用的以太网设备必须能够满足耐冲 击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水、以及较好的电磁兼容性等要求，在现场设备或者网络 局部链路出现故障的情况下，也需要能够在很短的时间内建立新的网络连接。 ( 4 ) 本质安全和网络安全 工业以太网如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑本质安全问题，产品材质的 选用需要满足工业现场的本质安全需求。此外，工业以太网正逐步实现和办公管理网络的 一致性通信，带来了很多优点，但是这也使得工业通信暴露在办公环境和i t 环境中常见 浙江大学硕士学位论文绪论 的危害之下，可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全方面的威胁。 因此必须考虑实施针对工业以太网的网络安全问题的解决方案。 1 4 实时性的解决方案 普通以太网的介质访问方式采用c s m a c d ，不能保证工业通信实时性和确定性的要 求。为此，学术界在普通以太网的基础上提出了很多改进措施。首先，应用流量整形技术 处理发送给交换机的大量数据可以防止过载，减小由于碰撞冲突导致的时间延迟【m - t 3 1 。其 次，在交换机中采用更加有效的调度策略也是可行的方法 1 4 - 1 8 】。此外，交换式以太网使用 微网段技术分割网络冲突域【1 9 1 ，子网内节点之间数据的传输仅限于本地子网进行，既不需 要经过主干网，也不占用其它子网的带宽，数据帧碰撞的几率大大减小。高速以太网技术、 全双工通信技术、虚拟局域网技术和交换式以太网技术的发展与相互结合，大大提高了以 太网信息传输的实时性、确定性。 1 5 现有的工业以太网简介 ( 1 ) e p a t 2 蛇1 】 e p a 实时以太网，是一种全新的适用于工业现场设备开放性通信的实时以太网标准， 由浙江大学、浙大中控共同主持，联合国内科研院所和高校起草制定。它是我国第一个拥 有自主知识产权的现场总线国家标准，也是迄今为止，中国工业自动化领域第一个被国际 认可和接受的标准。e p a 根据控制区域划分微网段结构，设备间的通信被限制在本地区域， 网桥负责不同微网段之间设备通信的转发控制，限制了广播风暴。在调度机制方面，e p a 在数据链路层与网络层之间定义了一个确定性通信调度管理接口，在基于i e e e1 5 8 8 精确 时间同步的基础上，设备按照组态后的顺序，采用分时方式向网络上发送报文，避免了报 文的冲突，确保通信的确定性和实时性。 ( 2 ) e t h e m e t i p l 2 2 1 e t h e m e t i p 由罗克韦尔定义，并由o d v a 和c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 支持。e t h e m e t i p 协议包括i e e e 8 0 2 - 3 协议、t c p i p 协议和控制与信息协议c i p ( c o n t r o li n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 三个部分。e t h e m e t i p 在应用层上利用c i p 协议进行实时i 0 控制和点对点的信息交换， 提供了访问数据和控制设备操作的服务集和对象库，使设备能即插即用。e t h e r n e v i p 基于 浙江大学硕士学位论文绪论 t c p i p 协议，兼容所有标准的以太网通信模块。 ( 3 ) m o d b u s i d a 2 3 】 m o d b u s t c p 由施耐德电气定义，并由m o d b u s i d a 支持，其实时扩展采用了在u d p 上的实时发布者预订者( r e a l - t i m ep u b l i s h e rs u b s c r i b e r ，r t p s ) 机制，在以太网总线上用 r t i ( r e a l t i m ei n n o v a t i o n s ) f f 寸中间件n d d s 实现微秒级的实时性。m o d b u s i d a 采用分级 分布式系统架构：管理级采用t c p i p 标准，完成用户管理功能；控制级包括p l c 、i p c 、 分布式i o 、人机界面、电机速度控制器和网关等，采用m o d b u st c p i p 协议完成控制功 能；现场级采用基于m o d b u s 协议或e t h e m e t 协议的各类设备和i o 装置。 ( 4 ) p r o f i n e t 2 4 1 p r o f i n e t 由西门子开发，并由p r o f i b u s 国际组织支持。p r o f i n e ti o 系统使用 优化的实时通道( 旁路t c p i p 层) ，在数据链路层上减小处理通信栈所需的时间，极大的 改善了网络的刷新时间，同时根据i e e e 8 0 2 1 q 定义了v l a n 优先级，保证实时数据被优 先处理。p r o f i n e t 还通过使用专用的e t e r c 芯片预留带宽，实现硬实时机制，应用于 运动控制领域。 1 6 本文的研究意义和主要工作 1 6 1 研究意义 复杂的工业系统设计项目需要一个极低延迟时间的确定性网络作为这一工程项目的 核心。目前关于工业以太网实时性能的研究有两种方法：一是采用理论推导结合仿真分析 的方式【2 5 之9 】，二是使用普通以太网设备做性能测试 3 0 - 3 4 】，这两种方法都不能完全反映工业 现场的真实情况。工业以太网的性能规范难以捉摸，这主要是因为网络系统存在许多不可 预知的因素，如网络硬件、网络软件、计算机硬件及操作系统等。为了评估工业以太网的 实时性能，最好的方法是搭建实际的工业以太网系统，在真实的网络环境中收集数据，评 估在现场应用中影响实时性的各项因素，从而为系统层面的网络规划提供依据。 交换式以太网的广泛应用，减少了网络中数据帧发生碰撞的几率，但是单纯使用交换 机划分子网并不足以保证工业通信的实时性，如果某一交换机的流量过大，超出交换机的 处理能力，排队将导致数据传输的响应和延迟是不确定的【3 5 1 。对于具体的工业应用来讲， 所使用的工业以太网产品的性能是无法改变的。我们只能在工业以太网的系统层面做组网 优化，更好的满足工业应用的需求。 浙江大学硕士学位论文绪论 针对普通以太网的拓扑优化以满足q o s 约束条件，目前已经提出很多研究方案【3 6 - 3 9 1 ， 但是都不适用于工业通信的特殊需求。文献 4 0 l 针对环形工业以太网这一特定拓扑结构，分 析环形拓扑网络流量的分布特点，使用遗传算法寻找最优的拓扑分布。文献【4 1 1 提出使用遗 传算法设计以太网拓扑结构，优化的目标函数设定为网络平均延迟最小。但是延迟时间的 计算使用基于统计概率的m m 1 随机模型，而工业以太网现场设备间传输的数据多为周 期性的。k r o m m e n a c k e r 等人在文献【4 2 1 中针对具有延迟约束的交换式以太网的拓扑设计， 使用遗传算法优化网络结构，研究的重点在于使用网络演算理论保证优化后的拓扑满足端 到端延迟限制的要求。 工业以太网要满足实时性的要求，需要网络设计者依据一定的原则，详细分析整个网 络的流量分布，构建一个优化的拓扑结构。 1 6 2 主要工作 为了系统的研究在现场应用中影响工业以太网实时性的各种因素，本文搭建了实际的 工业以太网测试平台，通过测试案例研究工业以太网的延迟和i oc y c l e 等性能指标。基于 测试结果，提出工业以太网的组网原则，并应用遗传模拟退火算法根据现场设备间的通信 关系划分子网，有效的改善了工业以太网的性能。简而言之，本文的主要研究工作包括： ( 1 ) 设计工业以太网测试平台技术方案，基于p r o f i n e t 工业以太网设备搭建测试 平台，完成系统集成和安装调试工作，并研究了延迟、抖动、1 0c y c l e 等性能指标的测试 方法。 ( 2 ) 分析了p r o f i e n t 实时协议的实现机制，建立了延迟时间的数学模型，进而设 计延迟时间的测试案例，分别使用线形和树形两种拓扑形式，测试网络拓扑和非实时数据 帧的长度对延迟时间的影响，并对测试结果进行分析和比较。最后对i oc y c l e 做测试分析 并结合延迟时间的测试结果探讨如何设置i oc y c l e 。 ( 3 ) 根据测试结果提出工业以太网的组网原则：使用树形拓扑结构分割网络冲突域， 尽可能的把具有信息交换的现场设备划分到同一个子网，减少实时数据帧转发的次数，避 免延迟积累。针对工业以太网两级树形拓扑结构的最优子网划分问题，通过权重参数的设 置同时考虑主干网总流量最小和子网均衡分布两个优化目标，建立树形拓扑最优子网划分 的数学模型。 ( 4 ) 针对该模型，我们在遗传算法中融入模拟退火的思想，改进了遗传算法的适应 度函数和选择操作算子，应用遗传模拟退火算法寻找满足约束条件的最优子网划分。最后 通过一个仿真试验验证了本文模型和算法的有效性。 5 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 7 论文的组织结构 本文通过搭建实际的工业以太网测试平台，研究在工业现场应用中影响网络实时性的 各项因素，并给出了组网优化的原则和实施方案。 第一章介绍了以太网技术具有的优势、面临的问题以及如何保证实时性的解决方案， 归纳总结目前关于工业以太网实时性的研究方法，阐述了本文研究的意义和主要工作。 第二章概述了p r o f i n e t 工业以太网所涵盖的内容，着重分析p r o f i n e ti o 使用优 化的通信通道和v l a n 优先级标识的实时机制。 第三章针对工业以太网实时性能研究的不足之处，设计工业以太网测试平台的技术方 案，使用西门子工业控制设备搭建基于p r o f i n e t 的工业控制网络系统，介绍了相应的 网络协议分析工具，研究了延迟、抖动、i oc y c l e 等工业以太网实时性能的测试方法。 第四章首先分析了i e e e 8 0 2 1 q 的非抢占式优先级调度机制，建立延迟时间的数学模 型。进而设计测试案例，测试影响延迟和i oc y c l e 的各项因素，对测试结果进行比较和分 析总结。 第五章基于实际的测试结果提出工业以太网的组网原则，针对工业以太网的两级树形 拓扑结构，对网络流量详细分析，建立最优子网划分问题的数学模型。提出基于现场设备 间的通信关系划分子网并以此为指导应用遗传模拟退火算法设计最优的子网划分，最后通 过一个仿真实例，验证了基于通信关系划分子网可以有效改善工业以太网的性能。 第六章，回顾并总结了整个论文的研究工作，对其中的问题做了进一步的探讨，展望 了今后研究工作的重点方向。 街江大学硕士学位论文 p r o f i n e t 概述厦其实时机制 第2 章p r o f i n e t 概述及其实时机制 奉章摘要概迷7p r o f i n e t 工业以太阿所涵盖的各项内容，着重分析7p r o f i n e tl o 使用优化的 实时通道和v l a n 优先级标识的实时机制 关健词：p r o f i n e t ；实时通道，v l a n 优先级 2 1p r o f i n e t 概述 p r o f i n e t 是由p r o f l b u s 国际组织( p r o f i b u s i n t e r n a t i o n a l p 1 ) 推出的新一代基 于工业以太网技术的工业自动化总线标准如图2 1 所示，p r o f i n e t 童括了诸如实时旺 太网，运动控制，分布武自动化、故障安全毗及网络安全等当前自动化领域的热点话题， 并且完全兼容工业以太网和p r o f i b u s 现场总线技术，正在应用的p r o f i b u s 现场总线 系统可咀无缝集成到p r o f i n e t ，无需对现有设备做任何改动“”。p r o f i n e t 可以为工 业自动化领域提供完整的网络解决方案，即整个工厂从管理层、控制层，到现场层使用同 一种网络连接起来，实现真正的一网到底。 圉2 - 1p r o f i n e t 的模块化概念 p r o f i n e t 是一种开放性的实时工业以太网技术，它允许t c p i p 等标准数据和实时 数据一起在以太网上进行传输，交换机是保证p r o f i n e t 实时通信的核心部件 4 6 1 。借助 于以太网，工业现场设备的诊断更加灵活，s n m p 协议，h t t p 等标准协议都可以诊断 ，- 浙江大学硕士学位论文 p r o f i n e t 概述及其实时机制 p r o f i n e t 设备获取诊断信息，从网络的任何一点或者通过w l a n 可以随时随地访问所 需要连接的设备。p r o f i n e t 可以实现系统范围内的通讯，并支持工厂范围内的工程与组 态，直到现场级均采用i t 标准，已经在诸如汽车工业、食品、饮料以及烟草工业和物流 工业等各种行业领域得到广泛应用。 2 1 1p r o f i n e ti o p r o f i n e t i o 是为现场设备之间高速数据交换而设计的。p r o f i n e t i o 4 7 1 规定了i o 控制器与i o 设备之间的所有数据交换方式，同时规定了i o 控制器和i o 设备的参数化方 法，它基于生产者消费者模型，采用微秒级的总线周期进行快速数据交换。通过p r o f i n e t i o ，分布式现场设备( 如现场的i o 信号模板) 可直接连接到工业以太网，与p l c 等设备 通讯，并且可以达到与现场总线相同甚至更优越的响应时间，其典型的响应时间在1 0 m s 的数量级，完全可以满足现场级的使用需求。利用p r o f i n e ti o ，所有的现场设备都可 连入一致的网络结构中，为整个车间提供统一的通信。通过代理服务器，下一级p r o f i b u s 总线段中的现场设备能够无缝集成到p r o f i n e ti o 系统中，从而保护了原有的投资。 p r o f i b u sd p 的用户界面广泛应用于p r o f i n e ti o 的组态、编程和诊断中，方便工程人 员的设计和使用。 2 1 2p r o f i n e tc b a p r o f i n e tc b a t 4 8 】( c o m p o n e n tb a s e da u t o m a t i o n ，基于组件的自动化) 基于开放的 p r o f i n e t 标准实现分布式、模块化的自动控制概念，满足广泛的智能控制工厂模块化的 需求。随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统的分散程度也越来越高。工业 控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演迸，因此，基于组件的自动化成为新兴的趋 势。c b a 基本的概念是：一个自动化车间可以根据不同的情况分解成自治单元，即工艺 模块，而车间的实现由设计和功能相同或只有细微差别的几个工艺模块完成。工厂中相关 的机械部件、电气电子部件和应用软件等具有独立工作能力的工艺模块抽象成为一个封 装好的组件，各组件问使用p r o f i n e t 连接。组件的创建和组件的应用分离开来，可用 图形化组态的方式实现各组件间的通讯配置，不需要另外编程，大大简化了系统的配置及 安装调试过程并且得到的设备系统模块能重复使用。p r o f i n e tc b a 定义了两种通信方 式，一种是实时循环数据通信，另一种是基于d c o m 的非循环数据通信，非常适合控制 器之间的通信。 2 1 3 通信等级 不同的现场应用对通信系统的实时性有不同的需求，在衡量系统实时性的时候，我们 r 浙江大学硕士学位论文p r o f i n e t 概述及其实时机制 一般使用响应时间作为系统实时性的一个标尺。根据响应时间的不同要求，p r o f i n e t 支 持三种性能等级的通信方式【4 9 】，覆盖了自动化应用领域的所有要求，如图2 2 所示。 n 取样次数 0 2 5 1 0 m s 1 0 m s1 0 0 m s 响应时间 图2 - 2p r o f i n e t 三种通信等级模式 t c p i p 标准通信 p r o f i n e t 基于工业以太网技术，兼容t c p i p 协议。t c p i p 是i t 领域在通信协议方 面事实上的标准，其响应时间为l o o m s 量级，适用于管理级和工厂控制级的应用。 实时( r e a l t i m e ，r t ) 通信 对于控制器和i o 设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，典型的响 应时间是5 1 0 m s 。对于这类应用，p r o f i n e t 提供了一个优化的、基于以太网第二层的 实时通信通道。通过该实时通道，极大地减少了数据在协议栈中的处理时间。此外， p r o f i n e tr t 的数据扩展了4 个字节的v l a n 标识，表示其优先级，p r o f i n e tr t 帧的 优先级是6 。当r t 帧和t c p i p 帧同时传输时，p r o f i n e tr t 的数据会被交换机优先转 发，这样保证通信的确定性。 同步实时通信 在现场级的通信应用中，对实时性要求最高的是运动控制，在1 0 0 个节点下，其响应 时间要小于1 毫秒，抖动误差要小于1 微秒。p r o f i n e t 应用同步实时( i s o c h r o n o u s r e a l - t i m e ，i r t ) 技术来保证及时、确定的响应。i r t 使用硬实时机制，通过使用专用的 e t e r c 芯片对带宽实现预留，i r t 的数据帧在预留的带宽内进行数据通信，保证了实时数 浙江大学硕士学位论文p r o f i n e t 概述及其实时机制 据传输的确定性。i r t 的等时同步实时，不但预留了带宽，而且还定义了数据传输的次序， 保证刷新时间最小。这样，在一个通信周期中，先传输依靠时间的i r t 数据( 带宽预留) ， 然后一起传输依靠m a c 寻址的r t 数据和n r t 的数据。 2 1 4 现场总线集成 借助于代理( p r o x y ) 的概念，p r o f i n e t 可以在现场总线系统和p r o f i n e t 之间实 现无缝集成，现有的设备可以不经任何修改连接到p r o f i n e t ，对于简单的车间扩展而言， 这是一项重要的功能。这样就可以构建现场总线和工业以太网组成的混合系统，并可逐步 升级到p r o f i n e t ，保护了原有的投资。 2 2p r o f i n e ti o 的实时机制 实时表示系统在一个确定的时间内处理外部事件。确定性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 p r o f i n e ti o 的实时功能通过协议栈的优化和使用v l a n 优先级来实现，是一种软 实时机制。 2 2 1 优化的实时通道 供应者 ( 发送器) 消费者 ( 接收器) 提供数据 t 21 执行通信栈 、 t 3 传送数据 、j 执行通信栈 处理数据 岛 1 t 1 图2 3 发送周期的组成 - 1 0 浙江大学硕士学位论文i a r o f i n e t 概述及其实时机制 如图2 3 所示，设备之间的发送周期( 也即数据从设备a 的应用传输到设备b 的应用 的耗时) 由生产者提供信息的时间f ，生产者与消费者之间的通信时间f ：+ 乙+ ，消费者 的信息处理时间氏三部分组成。消费者对生产者的响应的逆过程同样由这三部分构成。我 们所讲的实时通信的刷新时间是指真正的数据通信的时间也即2 o ：+ 岛+ f 4 ) 。对于百兆全 双工的快速以太网来说，在以太网线路上的数据传送的时间厶与执行通信栈的时间相比是 可以忽略不计的。因此在刷新时间以及实时响应中任何重大的改进主要通过通信栈的优化 来实现 工业自动化中的应用一般都是小数据量、高频率的循环数据交换。使用标准的通信协 议，如t c p i p 或者u d p i p ，帧的长度过长会导致数据在网络线路中的传送时间增加。 t c p i p 协议使用三次握手机制，保证了连接性，但是其他网络性能，如数据速率、延迟 和抖动、数据包的丢失等则不能保证。此外，通信栈的打包和解包占用处理器的计算时间 相对较长，这些都会导致发送周期的增加。因此t c p i p 协议不适合直接使用于实时工业 以太网。 i t 应用 例如 工业自动化应用 h m s n m 咿标准数据实时数据 d h c p t c p a p 理 k i p 矿 r ti r t e t h e m e t r e a l - t i m e 图2 - 4p r o f l n e t 协议架构 为了满足工业自动化的实时要求，p r o f i n e t r t 吸取了p r o f i b u s d p 的设计理念， 尽量减少通讯堆栈的层划5 0 1 。与t c p i p 协议相比，p r o f i n e t r t 在i s o o s i 的7 层模型 结构中只保留了第1 、2 、7 层，如图2 4 所示。这样就尽量减少了数据在通讯堆栈中打包 和解包的时间，保证r t 数据在最短时间内完成交换。通过这种软件方案的改进，可以在 传统的以太网控制器上实现实时通信通道。该通道居于i s o o s i 参考模型的第二层。此处， 数据包的寻址不是通过i p 地址来实现的，而是使用接收设备的m a c 地址。 1 1 浙江大学硕士学位论文 p r o f i n e t 概述及其实时机制 p r o f i n e t 通过对发送器和接收器的通信栈的优化，可以使更新率有相当大的改观， 处理器负载也会相应地减少【5 。实时通信允许精确限定传输时间，保证网络中的不同站点 能够在一个确定的时间间隔内进行时间要求苛刻的数据传输，而且可以和其他的标准协议 如t c p i p 在同一个网络中使用而不会产生问题。 2 2 2v l a n 优先级标识 为了使实时帧运行时间内的抖动( 最大周期偏差) 尽量小，p r o f i n e t 不仅优化了通 信栈，而且也对以太网中传输的数据帧进行了优化，以求能在多数情况下达到最佳的实时 效果。p r o f l n e t 实时报文按照i e e e 8 0 2 1 q 添加4 个字节的v l a n ( v i r t u a ll o c a la r e a n e t w o r k ，虚拟局域网) 标签来区分数据帧的优先级【5 2 1 ，如图2 5 所示。设备之间的数据 帧由实时以太网交换机依据优先级进行处理。用户优先级可以取0 ( 最低优先级) 到7 ( 最 高优先级) 之间的数值。p r o f i n e t r t 帧的优先级是6 ，标准的t c p i p 数据采用优先级