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PROFINET通信等級

本文包括如下幾個主題:工業以太網和PROFINET技術;PROFINET通信等級;PROFINET實現不同通信等級的方法。

1、工業以太網和PROFINET技術
工業以太網是用于工業自動化環境中、符合IEEE 802.3標準的以太網。工業以太網采用IEEE 802.1D(媒體訪問控制網橋)規范和IEEE 802.1Q(局域網虛擬網橋)規范,通過使用全雙工通信技術、優先響應技術、流量控制技術及虛擬局域網技術,可以將其實時響應時間做到5-10ms左右。工業以太網和商業以太網是兼容的。

PROFINET技術是國際組織PI推出的一種總線技術,它基于工業以太網技術、TCP/IP技術和IT技術,是一種實時以太網技術。2000年年底,PROFINET作為第10種現場總線列入了IEC61158標準中。PROFINET技術包括PROFINET IO和PROFINET CBA兩部分,它們基于不同的通信模型。

① PROFINET IO
PROFINET IO用來完成工業自動化中分布式系統的控制,主要包括如下三種角色:IO控制器、IO設備和IO監視器;
◆IO控制器(IO Controller)
PROFINET IO系統的主站,執行各種控制任務,包括:執行用戶程序、與IO設備進行數據交換、處理各種通信請求等;
◆IO設備(IO Device)
PROFINET IO系統的從站,由分布于現場的、用于獲取信號的模塊、傳感器及執行器組成;
◆IO監視器(IO Supervisor)
IO監視器用來組態、編程,并將相關的數據下載到IO控制器中,還可以對系統進行診斷和監控。最常見的IO監視器是用戶的編程電腦。

② PROFINET CBA
PROFINET CBA(Component-Based Automation)是基于組件的自動化,它適用于設備/系統之間的通信。如果說PROFINET IO是控制器與現場設備的IO數據交換,那么PROFINET CBA則提供了多個IO系統之間的標準接口,可以組成更大的系統。

2、PROFINET的通信等級
在工業自動化控制中,不同的控制對象其實時性要求也不同。比如過程參數的設置、設備的診斷等一般沒有實時性要求,但是對于分布式傳感器數據的交換就要滿足一定的實時性要求;而對于運動控制,其實時性要求就更高。

基于不同控制對象的實時性要求的不同,PROFINET分成三種不同的通信等級:
①基于TCP/UDP和IP技術的非實時性通信,可以用于組態、參數設置、診斷等非實時性要求的場合;

②實時通信(Real Time Communication,RT),適合周期性數據交換的場合。比如PROFINET IO控制器和IO設備之間,不僅要完成數據的周期性交換,還必須保證一定的實時性。這里的實時性,一般要求循環周期小于10ms;PROFINET的實時通信采用的是軟實時技術,不需要特殊的硬件支持;

③等時同步通信(Isochronous Real Time Communication,IRT)。對于時間要求嚴格同步的通信,比如運動控制,實時通信(RT)的10ms數據交換周期不能滿足要求,這種情況下要采用等時同步通信。該通信模式下,數據的循環刷新時間小于1ms,循環掃描周期的抖動時間不大于1us(微秒);等時同步通信需要特殊的硬件支持;

PROFINET基于標準以太網通信,對于不同的通信等級采用不同的技術方案,非常巧妙的解決了在同一個系統中實現不同通信等級要求的問題。PROFINET IO使用了UDP/IP、RT和IRT技術;而PROFINET CBA則使用TCP/IP技術和RT技術。

3、PROFINET實現不同通信等級的方法
PROFINET中的通信采用的是生產者和消費者的方式。生產者(現場傳感器)把數據傳送給消費者(比如PLC),消費者對數據進行處理,然后再把處理后的數據返回給消費者。數據在傳遞的過程中,大部分的時間消耗在通過通信棧上,也就是以太網模型的層層打包和拆包的過程。因此,要提高數據的實時性,就要對協議棧進行改造。

PROFINET的實時通信,拋棄了TCP/IP或UDP/IP部分,使幀的長度大大縮短,通信棧需要的時間也縮短了。采用IEEE 802.3優化的第2層協議,由硬件和軟件實現自己的協議棧,從而實現了不同實時性等級的要求。由于沒有使用第3層(IP)協議,所以失去了路由功能。但借助MAC地址,PROFINET實時通道保證了不同站點之間能夠在確定的時間間隔內完成對時間間隔要求苛刻的傳輸任務。
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