profinet通讯实时性、可靠性

1、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

2、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。

3、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

4、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

5、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510ms 。PROFINET的RT通讯协议及 帧结构如图1.1和1.2。图1.1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

6、，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

7、。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1s，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

8、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64B1  500 B。快速以太网（100 Mb/s）传输1 518 B数据的时间是120 s,传输64 B数据的时间是5 s。PROFINE

9、T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

10、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 IO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

11、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P

12、ROFINET，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

13、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

14、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

15、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