profinet通讯实时性、可靠性

1、实用标准文案一、简介：PROFINET 由 PROFIBUS 国际组织(PROFIBUS International, PI)推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一 项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整 的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、 故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如 PROFIBUS)技术，保护现有投资。PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个 主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式 自

2、动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。 PROFINET的实时性，需要了解 PROFINET的协议和工作机制。 PROFINET具有RT和IRT两种等级的实时通讯。PROFINET区分两 类不同性能的实时周期通讯，一种是实时(RT)通讯，主要用于工厂自动化，这一类没有时间同步要求，一般只要求响应时间为 5-10ms。 另一种是等时同步实时(IRT),主要用于有苛刻时间同步要求的场合 例如运动控制，电子齿轮。与此对应，PROFINET提供两类实时通讯 通道具体分为RT实时通道和IRT实时通道。另外还包括一个标准通 讯通道，标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通讯通道，主要用

3、于设 备参数化、组态和 读取诊断数据。根据响应时间的不同，PROFINET支持下列三种通讯方式:1. 1TCP/IP标准通讯PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是 IT领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在 100 ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间 就足够了。2. 2.实时（RT）通讯对于RT,通讯双方，按照Step7组态的各自的时钟周期内，向对方 发送一次数据，实现实时的数据交换。时钟周期设置越短，实时性就 越强。被发送出来的数据，交换机保证其实时性的唯一方式，就是根 据PROFINET数据的QoS来转发该数据，

4、正如胶片所描述的， PROFINET的数据可能会被延迟，延迟的最主要原因就是NRT的报文和交换机的S&F。这时PROFINET的实行性的保证就主要依赖您， 工程师去考虑实际的网络拓扑结构，防止类似的情况发生。必要时， 调整Updatetime和看门狗时间。对于交换机，其工作方式，如胶片所 说有两种，一种S&F,另一种是CT。普通交换机的工作方式使用 S&F。 虽然IRT的交换机的工作方式使用 CT的方式，不过在网络数据发生 累积时，其工作模式会转变成S&F。这样与普通交换机相同。所以使 用IRT交换机在应用RT时，数据负载不能接近满负荷。对于传感器和执行器设备之

5、间的数据交换， 系统对响应时间的要求更 为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer 2)的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在 通讯栈中的处理时间，PROFINET实时通讯(RT)的典型响应时间 是510ms。 PROFINET的RT通讯协议及 帧结构如图1.1和1.2。图1.1PROFINET RTlfi同步/字“分隔1字七源MAC泞七目标 MAC6字节优先权标志布4字节类型子十应用标识符 2字中应用数据4aH90字节状况信息斗字中FCS行节申 IEEES0Z1Q图1.23. 3.同步实时(IRT)通讯对于IRT,通讯双方仍然按照Step7组态的

6、各自的时钟周期内， 向对方发送一次数据，实现实时的数据交换。但是由于IRT的时钟被 同步，这样IRT采用了带宽预留的方式，也就是说在这段时间内，只 有IRT的数据才可以进行传输，其它数据例如TCP或IT数据或者您 所举的数据、语音、图像等数据是无法在这段时间内进行传输。由于 没有数据与IRT的数据争抢带宽，于是保证了 IRT数据的实时性。这 时，一定要选择IRT的交换机例如SCALANCE X200IRT或者选择支 持IRT的设备例如ET200SPNV6.0进行相邻连接，与 RT不同，因 为此时IRT的交换机是IRT实时性的唯一保证。不过PROFINETIRT 还有另外一个优点，如果IRT设备

7、之间由于某些原因无法完成时钟同 步，那么会以RT的方式进行通讯。在现场级通讯中，对通讯实时性 要求最高的是运动控制( Motion Control), PROFINET的同步实时(Isochronous Real-Time, IRT)技术可以满足运动控制的高速通讯需 求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms,抖动误差要小于1 p s,以此来保证及时的、确定的响应。实时通道IRT是硬实时HRT (Hardware RT)方案，实时性是基 于一个建立在快速以太网 Layer2上的时间触发(time- triggered)协 议，由内嵌的Switch-ASIC同步实时交换芯片保证。这样可以进一步

8、 缩短通讯栈软件的处理时间，特别适用于高性能传输、过程 数据的等 时同步传输、以及快速的时钟同步运动控制。由于基于硬件实现，IRT 帧中通常无需 RT帧中的IEEE802.1Q VLAN标识。PROFINET的IRT精彩文档通讯协议及帧结构如图2.1和2.2PRQFIXZT 应用IR.T. RT 实时通道1T应用标准】T协议）TCP .TFPIP原太同f专用ASCI璇件）图2.1二、PROFINET IO的实时性1、标准以太网的帧结构标准以太网的帧如表1所示。可以看出，一个标准以太网帧数据大小为64B1 500 B。快速以太网（100 Mb/s）传输1 518 B数据的时间是120 ws传输6

9、4 B数据的时间是5 ps0是1丁;隹以太阿帧咕构字节数7L J亳6 M24(i-15004前导玛定界符H的一.11地址叫£度数据校蛉和PROFINET最突出的特点是它的实时性，从过程自动化到工厂自动化再到运动控制，其实时性可以满足各种各样的应用，PROFIBUS也可以实现上述的功能，不过在实时性较高的场合特别是在运动控制 中，其性能与PROFINET无法相比，无法像 PROFINET一样最小实 时周期为250us,抖动小于1us的精度。PROFINET另外一个突出的 特点是以太网，借用以太网，可以同时传输TCP或IT数据或者数据、 语音、图像等数据，这是 PROFIBUS所无法比拟

10、的。而且由于在以 太网中，诊断更加灵活，SNMP协议，HTTP协议都可以诊断PN设 备，来获取诊断信息。从网络的任何一点，或者通过 WLAN ,随时 随地访问你所需要连接的设备。另外，对于网络的扩展，PROFIBUS只能机械的增加OLM或Repeater等，而且增加的地点多为固定的， 其缺点在设备增容时尤为体现。而 PROFINET使用以太网的连接方 式，加入交换机，插入网线连接即可。这与我们办公的局域网相似， 需要增加设备的时候，只需要连接到交换机的端口即可。基于上述原因西门子全新的 S7-1200只匹配了 PROFINET接口， PROFIBUS的连接只能通过IE/PB LINK PN I

11、O进行无缝集成。2、性能分析：(1)对于PROFINET,数据传输的带宽为100Mbps。(2)对于PROFINET,数据传输的方式为全双工。(3)对于PROFINET, 一致性数据最大为254bytes。(4)对于PROFINET,用户数据的最大为1400byte$(5)对于PROFINET,设备之间的总线长度为100m。(6)对于PROFINET,引导轴可以运行在任意 SIMOTION中。(7)对于PROFINET,可以使用标准的以太网网卡。(8)对于PROFINET RT, 一个PG接入，可能产生极小的反应，而 对于PROFINET IRT,接入不会引起任何问题。(9)对于PROFINE

12、T,使用IT相关的工具即可。(10)对于PROFINET,任意数量的控制器可以在网络中运行。多个控制器不会影响IO的响应时间。(11)对于PROFINET,不需要总线终端电阻(13)对于PROFINET,无线(WLAN)可用于额外的介质。(14)对于PROFINET,所有数据类型可以并行使用， 一个接口可以 既做控制器又做IO设备。(15)对于PROFINET,可以通过拓扑信息确定设备的网络位置。PROFINET作为一种以太网较 PROFIBUS的优势在哪里？1 .通讯速度快2 .通讯距离远3 .实时同步4 .同步实时性(IRT):对于非实时同步的工艺(例如过程控制)，它的 意义不大三、可靠性

13、PROFINET故障安全在过程自动化领域中，故障安全是相当重要的一个概念。 所谓故 障安全，即指当系统发生故障或出现致命错误时， 系统能够恢复到安 全状态(即"零"态)，在这里，安全有两个方面的含义，一方面是指 操作人员的安全，另一方面指整个系统的安全，因为在过程自动化领 域中，系统出现故障或致命错误时很可能会导致整个系统的爆炸或毁 坏。故障安全机制就是用来保证系统在故障后可以自动恢复到安全状 态，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。PROFINET集成了 PROFISafe行规，实现了 IEC61508中规定的SIL3等级的故障安全，很好的保证的整个系统的安全1、标准与

14、网络安全PROFINET的一个重要特征就是可以同时传递实时数据和标准的 TCP/IP数据。在其传递TCP/IP数据的公共通道中，各种业已验证的 IT技术都可以使用（如 http、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。 在使用PROFINET的时候，我们可以使用这些IT标准服务加强对整 个网络的管理和维护，这意味着调试和维护中的成本的节省。PROFINET实现了从现场级到管理层的纵向通讯集成， 一方面，方便 管理层获取现场级的数据，另一方面，原本在管理层存在的数据安全 性问题也延伸到了现场级。为了保证现场级控制数据的安全，PROFINET提供了特有的安全机制，通过使用专用的安全模块，可以 保

15、护自动化控制系统，使自动化通讯网络的安全风险最小化。PROFINET的优势之一就是它能够创建灵活的网络结构。 你可以为你 的网络选择依靠网络元件的长度，速度及布局。例如，假定光纤光学 集成接口你能够延伸到设备之间 300米的距离。额外的构成26千米 的光纤光学距离就可能依靠使用光纤光学的类型及厂商。在一个电子网络中，两台设备之间最大的距离可达100米。目前能够实现构成冗 余的双环形网络来保证自动化系统的可靠性。2、故障安全在过程自动化领域中，故障安全是相当重要的一个概念。 所谓故 障安全，即指当系统发生故障或出现致命错误时， 系统能够恢复到安 全状态（即"零"态），在这里，安全有两个方面的含义，一方面是指 操作人员的安全，另一方面指整个系统的安全，因为在过程自动化领 域中，系统出现故障或致命错误时很可能会导致整个系统的爆炸或毁 坏。故障安全机制就是用来保证系统在故障后可以自动恢复到安全状 态，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。PROFINET 集成了 PROFISafe行规，实现了 IEC61508 中规定的 SIL3 等级的故障安全，很好的保证了整个系统的安全。3、过程自动化PROFINET不仅可以用于工厂自动化场合，也同