PROFINET基礎知識介紹

工業乙太網一般使用IEEE 802.3中定義的乙太網標準。針對自動化系統的網路節點輔助採用了服務質量（ QOS）機制。PROFINET作為工業乙太網之一，它採用了三種不同的方法來實現。這樣既滿足了普通乙太網的需求，又滿足了工業系統對不同應用的實時性的要求。如下圖1所示。

圖1、PROFINET使用到的三種協議棧

使用了IEEE 802.3乙太網標準和TCP/IP，報文結構如圖2所示。大多數的PROFINET通信是通過沒有被修改的乙太網和TCP/IP包來完成。這使得可以無限制地把辦公網路的應用集成到PROFINET網路中。

圖2、TCP/IP報文結構

RT的通信不僅使用了帶有優先順序的乙太網報文幀（如下圖3所示），而且優化掉了OSI協議棧的3層和4層。這樣大大縮短了實時報文在協議棧的處理時間，進一步提高了實時性能。由於沒有TCP/IP的協議棧，所以RT的報文不能路由。

圖3、PROFINET RT報文結構

IRT通信是滿足最高的實時要求，特別是針對於等時同步的應用。IRT是基於乙太網的擴展協議棧，能夠同步所有的通信夥伴並使用調度機制。IRT通信需要在IRT應用的網路區域內使用IRT交換機。在IRT域內也可以並行傳輸TCP/IP協議包，如圖4所示。

圖4、PN控制器和PN設備的分片處理機制

以PROFINET RT為例來理解在整個通信的過程中實時性能是如何來保證的。

從通信的終端設備（PN控制器和PN設備）來看，首先採用了優化的協議棧，這一點可以在圖1的 看到。這樣一來在終端的設備上數據報文被處理的時間大大的縮短，這是實時性能保證的一個方面。其次是終端設備上採用的分時間段處理機制，這一點可以在圖5看到。這樣保證了在每個通信的循環的周期內終端設備即可以處理RT的實時數據又可以處理TCP或UDP的數據。且在每個循環內優先處理RT的實時數據。這裡需要強調的是每個PN終端設備只對自己的負責，需要發送的數據會按發送循環發送、對於由其他設備發到自己的數據會進行立即接收，且發送和接收是並行處理。

圖5、RT的時間調度機制

從通信的傳輸設備（SCALANCE X交換機）來看，首先採用百兆全雙工的交換網路，這樣一來每個終端設備的每個埠都是獨享帶寬，且可以雙向不間斷的收發數據。其次是交換機支持802.1P或802.1Q的標準，使得發到交換機網路的PN的數據幀被優先處理和轉發，如圖6所示。這一點保證了PN在網路上的快速轉發，也是實時性能保證的另一個方面。

圖6、交換機802.1Q的工作機制

上面介紹的是PN RT的實時性能從機理上如何保證的。而從量化的角度去分析的話，PN RT完全是靠計算來精確保證每個發送循環所能發送的報文及對RT數據的時間的預留。

對於RT來說，在物理層上傳輸的最小報文幀來為88個位元組，最大報文幀來為1488個位元組。其中包括了12個位元組的幀間隔，如下圖7所示。

圖7、RT的報文的長度

百乙太網的傳輸速率 ：

每個位元組傳輸需要的時間：

最小的RT報文幀需要的傳輸時間 0.08

一個PN控制下帶3個最小報文幀（40個位元組的C_SDU）的PN設備，PN 控制器的發送循環為250 ，通信建立後在PN介面上抓報分析PN的通信可以分析出PN數據幀對時間調度的情況，如下圖8所示。

圖8、PN RT的時間調度機制

除了對PROFINET RT和IRT的通信調度的分析外，還對PROFINET的抗干擾性作了大量的研究。在對PROFINET推廣的時候，很多用戶很關心PROFINET是不是和PRROFIBUS一樣，存在抗干擾的性能差的特點。我從理論和實際實驗上驗證了PROFINET的抗干擾性能優於PROFIBUS的抗干擾性能。PROFINET是基於IEEE 802.3的乙太網標準。所以對PROFINET的抗干擾分析實質上是對工業乙太網的抗干擾分析。

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