1.0 介紹
PROFINET (Process FIeld NETwork)是工業以太網的一個開放標準,在過程自動化、生產自動化、汽車、機械工業和驅動控制等領域有著廣泛的應用。PROFINET已被IEC 61158和IEC 61784標準化。設備的安全方面已根據IEC 62061/ISO 13849-1規范。
PROFINET根據不同的時間需求被劃分為不同的性能等級。這些等級是:NRT(非實時)、RT(實時)和IRT(同步實時),它們基于生產者/消費者原則,借助于各種協議和服務。
PROFINET IRT主要應用于周期時間低于1 ms的運動控制應用。采用以太網協議在VLAN優先級的以太網幀中發送高優先級負載數據。利用動態幀打包(DFP)原理和基于硬件同步交換的時間復用方式,對周期時間進行優化。
這項技術大約已有25年歷史,由西門子和PROFIBUS用戶組織PNO的其他成員公司開發。
2.0 特性
與該技術相關的特性主要有:從管理級到現場或設備級的通信,靈活的拓撲結構,如星型或線,靈活的硬實時通信,包括同步運動控制,動態幀封裝原則,導致靈活的時間周期,支持多種傳輸媒體,如銅,無線,光纖等,所有現場總線的無縫集成,為人,設備等的安全,防止未經授權的黑客進入系統。高可靠的診斷系統等。
3.0 一致性等級
在PROFINET中定義了三個相互構建的一致性等級 。這些等級基于自動化系統的不同需求,分別時CC-A、CC-B和CC-C。
CC-A是層次結構中最低的,具有基本的PROFINET I/O和RT通信功能。IT服務也可以在這個等級中使用。除了CC-A提供的功能外,CC-B還提供網絡診斷、網絡拓撲等功能。媒體冗余協議選項在這個等級下也是可用的。應用包括具有確定性但非同步通信的機器控制。CC-B的一個擴展版本是CC-B (PA),其中包括過程自動化中應用的系統冗余功能。
CC-C包括CC-A和CC-B的所有功能。此外,它使用等時相位提供高度確定的實時數據通信。它用于機器控制領域。
4.0 實時通信, 硬實時和軟實時
PROFINET標準區分了三種性能等級:PROFINET NRT(非實時)、PROFINET RT(實時)和PROFINET IRT(同步實時)。
第一個版本用于非時間關鍵的應用程序,這些應用程序使用傳輸控制協議/互聯網協議(TCP/IP)或用戶數據報協議/互聯網協議(UDP/IP)進行數據傳輸,周期約為100毫秒。其中I/O數據的交換采用以太網協議,而診斷和通信數據的傳輸采用UDP/ IP協議。這種模式下的周期時間大約是10毫秒。最后一個,即PROFINET IRT,是為運動控制應用中的關鍵時間要求而開發的,周期時間約為1 ms,抖動為1 μ s。
PROFINET中的RT和IRT是有區別的,盡管這兩個版本都指的是實時。在實時工業通信協議中,數據交換發生在指定的時間內——通常小于10毫秒。現在,實時系統可以是硬實時,也可以是軟實時——這取決于最后期限的強制程度。硬實時系統本質上是確定性的,即網絡保證消息將在指定的、有限制的時間內傳輸,不能快也不能慢。在硬實時系統中,響應時間有絕對的限制。另一方面,在軟實時系統中,偶爾違反周期時間或截止日期是可以接受的。
為了實現實時通信,PROFINET在報文頭中使用VLAN標記。它將可自由使用的最高優先級級別設置為6。它確保PROFINET電報優先通過交換機轉發。
最快的數據更新速度。現在,提供和處理數據所需的時間與系統所進行的通信類型無關。只有通過優化棧中的周轉時間才能實現更快的數據更新操作。如果能繞過開放系統互連(OSI)模型的某些層來實現更快的棧操作,將會帶來更快的操作,并且可以減少棧的周轉時間。結果如下圖所示。
時間T1和T3保持不變,而時間T2(當數據通過堆棧時)可以通過軟硬件的結合來減少。
除PROFINET IRT外,Ethernet Powerlink、SERCOS III等基于以太網的工業協議均采用同步數據通信原理實現硬實時通信。硬實時系統運行在同步時鐘上,以減少周期時間和抖動,并提供確定性的行為。
5.0 實現更快的操作
PROFINET是一個開放的協議,它的周期短于31.25微秒,IRT版本不超過1微秒。通過集成交換機發送時,設備的地址信息包含在幀報頭中。在這種情況下,幀ID (FID)地址信息在相應的交換機中集成一次。因此,快速轉發幀可以減少幾個微秒的延遲。
另一種實現更快運算的方法是求和幀法。在這種情況下,來自多個節點(設備)的I/O數據被打包到一個幀中。因此,多個節點只需要一個FCS (幀校驗隊列)就可以提高吞吐量。這對于具有少量I/O字節的節點特別有利,因為PROFINET在其幀中使用64字節,就像任何以太網幀一樣。
還可以通過使用全雙工系統實現增強性能,其中輸入和輸出數據都可以通過這雙電纜發送。當一個求和幀被發送、接收、分析和檢查到幀中的最后一個節點時,DFP(Discovery and Configuration Protocol)扮演了一個關鍵的部分。由于數據從前面的節點中獲取,后面不與要在取一次,因此它們向最后一個節點傳送過程中被剝離出來。因此,幀變得越來越短,數據到達最后一個節點變得更快。 因此,周期更新時間變得更快
PROFINET V2.3的另一個優點是,當IRT通信周期仍在進行時,它可以無限制地進行TCP/IP通信。所涉及的技術是在單個節點中接收大型TCP/IP幀,然后將其分片。單個的碎片按連續的周期發送。在接收端,它們在應用層被組裝在一起,以得到未更改的TCP/IP幀。這使得在共享I/O和TCP/IP通信中實現31.25 μs時長的總線周期成為可能。這些碎片的集成是在交換模塊中完成的,因此不需要任何額外的特殊裝置。
6.0 IRT的工作機制
IRT的工作機制基于時間片機制。IRT網絡上的流量由IRT和RT兩部分組成,假設IRT流量占網絡總帶寬的25%,其余的分配給RT流量,如下圖所示。
IRT流量通過一次性切片履行嚴格的時間安排。在此期間,任何非IRT流量都將被緩沖。一旦IRT通信已經結束,緩沖的通信將通過交換機,進入常規的以太網通信。預留的IRT流量是可擴展的。,它剛好足夠容納IRT通信。
高精度的時間片(對于RT和IRT)可以通過交換機實現。如果網絡具有以下特性,是可行的:
- 一個非常精確的主時鐘,它將同步網絡上所有連接的設備,以創建精確持續時間的時間片。
- 交換機必須有一些額外的電路來緩沖和保存在IRT階段執行期間可能接收到的任何以太網流量。
主時鐘基于IEEE 1588v2 (IEEE 1588-2008),它定義了精確時間協議(PTP)。這被放在一個名為精確透明時鐘協議(precision transparent clock protocol, PTCP)的協議包中。網絡交換機和布線的固有延遲可以通過PTCP計算??缇W絡的高精度實時時鐘具有非常精確的延遲計算,允許網絡中的交換機精確地在所需的時間進入和退出IRT時間片。時鐘主使用同步幀來同步這些設備中固有的所有本地時鐘發生器。這些設備直接連接在一起,而不需要經過任何非同步設備。
下圖,展示了PROFINET協議中的數據如何通過OSI的不同層。數據有三種變體:標準數據、RT數據和IRT/TSN數據。RT和IRT通信繞過會話層、傳輸層和網絡層,從而加快了RT和IRT的周轉時間。
7.0 時間敏感組網
它是一系列旨在提高標準以太網確定性的新標準。工業以太網是一種開放標準,西門子正在現場或設備級使用PROFINET,在控制級使用OPC UA。西門子目前正在研究基于以太網的標準時間敏感網絡預留帶寬,主要側重于服務質量、低傳輸延遲以及工業網絡實時域不同協議的并行傳輸。
目前,TSN提供31.25 μ s的循環時間和1 μ s的抖動,但PROFINET IRT已經提供了這樣的性能水平。PROFIBUS和PROFINET國際(PI)已經在最新的PROFINET標準中采用了TSN。
TSN通過部署另一個具有一些額外功能的新標準802.1AS-2019,改進了現有的時間同步時鐘(IEEE 1588)。采用這種新標準的TSN網絡在同步超出預期范圍時將產生錯誤。這個設備在IEEE 1588中沒有。與新標準相關的另一個特性是它具有調度優先級。TSN是OSI標準模型中的第二層,它向上兼容以前的以太網和硬實時功能
TSN包括一個廣泛的網絡配置,集中和分散的運作模式都可以。這兩種模式之間的互操作性目前正在開發中。隨著TSN的引入,OSI模型的1、2、3層將統一為一個具有更高可擴展性和性能的層。
8.0 使用 IRT
PROFINET IRT中的每個設備(也稱為PROFINET一致性C類)-從控制器到設備和交換機必須與PROFINET一致性C類兼容。該類中的最小數據更新率為250 μ s,抖動小于1 μ s。使用合適的硬件可以將數據更新率降低到31.25 μ s。對于更新速率小于250 μ s的, TCP/IP通信被碎片化并以較小的數據包傳輸。
在使用PROFINET之前,需要正確配置PROFINET IRT。這需要指定IRT操作所需的時間片(帶寬)數目,以及設備的周期時間。同樣,網絡拓撲必須明確指定,這將使IRT設備在IRT時間片內優化IRT傳輸調度。配置一個C類網絡比B類網絡更冗長和復雜。
一些控制器,設備和交換機支持等時模式應用,盡管它不是IRT的一部分。此模式用于將應用程序的執行循環鎖定到IRT更新間隔。這可以防止過采樣或欠采樣,確保進入或退出IRT時間階段是完美的。
上圖,展示了PROFINET IRT通信的時間表。一個特定的周期始于網絡中所有設備的同步。這是由高度精確的主時鐘完成的。根據連接網絡的需要,以預留帶寬(時間片)發送IRT數據,然后進行RT通信。診斷數據等在頭標準通信下發送。
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