浅谈PROFINET IO通信的实时性

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主要有两种通信方式[1]：

　　（1）PROFINET IO实现控制器与分布式I/O之间的实时通信；

　　（2）PROFINET CBA实现分布式智能设备之间的实时通信。

　　从PROFINET的角度来看，PROFINET IO是在工业以太网上实现模块化、分布式应用的通信概念。通过PROFINET IO，分布式I/O和现场设备能够集成到以太网通信中。

　　1 PROFINET IO的基本概念

　　1.1 PROFINET IO的工程模型

　　（1）IO控制器

　　IO控制器[2]一般是可编程控制器（例如PLC），它能够执行自动化程序。其功能相当于PROFIBUS类型1的主站。

　　（2）IO设备

　　IO设备是连接到PROFINET网络中的现场分布式I/O。

　　（3）IO监视器

　　IO监视器[2]是一种工程设备，通常为PC、HMI或可编程控制器，用于IO控制器和IO设备的调试和诊断，在运行期间连接IO监视器，通常只是暂时性地用于调试和故障处理。IO监视器的功能相当于PROFIBUS类型2的主站。

　　1个PROFINET IO系统应该包括至少1个IO控制器和1个IO设备。

　　1.2 PROFINET IO的数据流

　　PROFINET IO通信站点的数据交换是通过标准通道[3]（基于UDP/IP）和实时通道完成的。在这些通道里，数据使用不同的协议进行传输。例如启动时从站参数是由主站通过UDP协议传递的，设备地址名字的分配是通过DCP协议完成的，这些都属于标准数据，也可以称为非实时（NRT）数据。而周期数据[4]、报警数据是通过实时协议传送的，被称为实时数据。

　　1.3 组态PROFINET IO及其重要概念

　　1.3.1 组态PROFINET IO

　　PROFINET IO组态如图1所示，主站是CPU319-3 PN/DP，从站有3个IO设备，分别为ET-200S，ET-200pro和ET-200eco，还可以继续添加IO设备，SIMATIC 产品系列的 PROFINET 设备具有PROFINET接口[5](带或不带集成交换机)。带集成交换机的 PROFINET 设备通常具有2个端口，用于网络的线性总线结构。同时还提供有3个或更多端口的 PROFINET 设备以连接树型拓扑。由图1可见，CPU319通过双绞屏蔽线与设备3(ET-200S)连接，不同的ＩＯ设备之间通过它们自带的交换机接口进行连接。

　　1.3.2 PROFINET IO中的不同时间概念

　　(1)发送时钟（Send clock）[6]：IRT或RT通信中2个连续间隔之间的时间段。发送时钟是用于交换数据的可能的最短传输时间；

　　(2)更新时间（Update time）：更新时间=发送时钟× Factor。

　　在此时间间隔之内，IO 控制器/IO 设备为 PROFINET IO 系统中的IO设备/IO 控制器提供新的数据。可以为每个IO设备单独组态发送周期，并定义将数据从 IO 控制器发送到 IO 设备（输出）的时间间隔以及将数据从 IO 设备发送到IO控制器的时间间隔（输入）。更新时间在SETP7组态中可以设置。

　　(3)Factor：Fatcor是放大倍数，为2n，也称减速比（Reduction Ratio）[7]

　　(4)看门狗时间（Watchdog xime）

　　通过STEP7，采用更新时间的整倍数来设置看门狗时间，该时间也可由用户修改。如果在看门狗时间内IO控制器没有为IO设备提供输入/输出数据，IO设备将出现故障并给出替换值。这种情况将作为站故障报告给IO控制器。

　　2 研究PROFINET IO实时性的必要性

　　首先，在运动控制系统等对实时性要求很高的领域，用户需要知道PROFINET IO数据循环的周期，以便更好地进行生产。其次，如果在STEP7工程工具中对PROFINET IO设备的更新时间和看门狗时间设置不合适，设备就会在运行时出现莫名其妙的故障。所以，对PROFINET IO实时性的研究是很有必要并且具有现实意义。

　　3 PROFINET IO的实时性

　　3.1 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64 B～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。

　　3.2 交换机制

　　SIMATIC 中的交换机通过 PROFINET 上的2个机制满足实时要求。

　　(1) 存储与转发S&F（Store and Forward）[4]

　　使用存储转发方法时，交换机将完整地存储消息帧，并将它们排成一个队列。如果交换机支持国际标准 IEEE 802.1Q，则根据其在队列中的优先级存储数据。这些消息帧随后将有选择性地转发给可访问已寻址节点的特定端口（存储转发）。

　　对于存储转发，数据经过交换机时先存储进行校验，然后由交换机根据地址表再进行转发。

　　(2)直通交换方式（Cut Through）[4]

　　在直通交换方式过程中，并不是将整个数据包临时存储在缓冲区中，而是在目标地址和目标端口已经确定后，马上将整个数据包直接传送到目标端口。这样通过交换机传送数据包所用的时间是最小的，且不受消息帧长度的影响。当目标段与下一个交换机的端口之间的区段已被占用时，数据将“根据优先级的存储和转发过程”临时存储。

　　根据西门子交换机SCALANCE X200手册，64 B的数据S&F延迟时间是10 μs，1 500 B数据S&F延迟时间是130 μs。

　　3.3 PROFINET IO实时数据传输的延迟时间

　　假设组态ET200分布式I/O模块不是很多的情况下，这样一个最小的以太网报文64 B完全可以控制I/O，那么就认为PROFINET报文的大小为64 B。根据快速以太网（100 Mb/s）传输64 B数据的时间是5 μs，经过n台交换机的传输时间约为n×5 μs。根据SCALANCE X200手册，64 B的数据S&F延迟时间是10 μs，经过n台交换机的延迟时间约为n×10 μs。那么RT数据的延迟时间为n×（10+5）μs。

　　所谓反应时间是液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗所需要的时间(其原理是在液晶分子内施加电压，使液晶分子扭转与回复)。常说的25ms、16ms就是指的这个反应时间，反应时间越短则使用者在看动态画面时越不会有尾影拖曳的感觉。一般将反应时间分为两个部分：上升时间(Rise time)和下降时间(Fall time)，而表示时以两者之和为准。

　　根据这种分析方法，对任何的PROFINET网络拓扑结构都可以通过上述的方法确定PROFINET IO设备的刷新时间，避免出现IO错误。

　　如果使用SCANLANCE X IRT交换机串联，由于IRT交换机使用Cut Through的处理数据方式，这样数据的延迟时间会明显缩短。

　　如果使用带有PN接口的ET200串联，由于集成ERTEC芯片，同样适用Cut Though的数据处理方式，这样数据的延迟时间会大大缩短。

　　由交换机的机制和数据在网络介质中传输造成的延迟可以看出，距离主站组态距离不同的IO设备数据更新时间是不同的，距离主站越远的设备，IO数据更新时间越长，所以必须要设定相应的看门狗时间，以避免因为到达看门狗时间数据未更新而造成设备故障误报。

　　使用IRT（等时实时）通信可以有效地减少数据在交换机上的延迟，因为IRT数据经过交换机使用的是Cut Through方式。

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