profinet通讯实时性可靠性.docx

profinet通讯实时性可靠性.docx

《profinet通讯实时性可靠性.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《profinet通讯实时性可靠性.docx（8页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

profinet通讯实时性可靠性

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,主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。

1、 PROFINET实时通信

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，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Update time 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5－10ms 。

PROFINET的RT通讯协议及 帧结构如图1.1和1.2。

图1.1

图1.2

3. 3. 同步实时（IRT）通讯

对于IRT，通讯双方仍然按照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。

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ET200S PN V6.0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PROFINET IRT还有另外一个优点，如果IRT设备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1μs，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通讯协议及帧结构如图2.1和2.2

图2.1

图2.2

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64B～1  500 B。

快速以太网（100 Mb/s）传输1 518 B数据的时间是120 μs,传输64 B数据的时间是5 μs。

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/PBLINKPNIO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1400bytes。

（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PROFINETRT，一个PG接入，可能产生极小的反应，而对于PROFINETIRT，接入不会引起任何问题。

（9）对于PROFINET，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

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，也同时面对过程自动化的应用。

工业界针对工业以太网总线供电，及以太网应用在本质安全区域的问题的讨论正在形成标准或解决方案。

PROFIBUS国际组织计划在2006年的时候会提出PROFINET进入过程自动化现场级应用方案。

通过代理服务器技术，PROFINET可以无缝的集成现场总线PROFIBUS和其它总线标准。

今天，PROFIBUS是世界范围内唯一可覆盖从工厂自动化场合到过程自动化应用的现场总线标准。

集成PROFIBUS现场总线解决方案的PROFINET是过程自动化领域应用的完美体验。