本文包括如下幾個(gè)主題：工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET技術(shù)；PROFINET通信等級；PROFINET實(shí)現(xiàn)不同通信等級的方法。
1、工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET技術(shù)
工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動化環(huán)境中、符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用IEEE 802.1D(媒體訪問控制網(wǎng)橋)規(guī)范和IEEE 802.1Q(局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋)規(guī)范，通過使用全雙工通信技術(shù)、優(yōu)先響應(yīng)技術(shù)、流量控制技術(shù)及虛擬局域網(wǎng)技術(shù)，可以將其實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間做到5-10ms左右。工業(yè)以太網(wǎng)和商業(yè)以太網(wǎng)是兼容的。
PROFINET技術(shù)是國際組織PI推出的一種總線技術(shù)，它基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、TCP/IP技術(shù)和IT技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)。2000年年底，PROFINET作為第10種現(xiàn)場總線列入了IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中。PROFINET技術(shù)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(yè)自動化中分布式系統(tǒng)的控制，主要包括如下三種角色：IO控制器、IO設(shè)備和IO監(jiān)視器；
◆IO控制器(IO Controller)
PROFINET IO系統(tǒng)的主站，執(zhí)行各種控制任務(wù)，包括：執(zhí)行用戶程序、與IO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、處理各種通信請求等；
◆IO設(shè)備(IO Device)
PROFINET IO系統(tǒng)的從站，由分布于現(xiàn)場的、用于獲取信號的模塊、傳感器及執(zhí)行器組成；
◆IO監(jiān)視器(IO Supervisor)
IO監(jiān)視器用來組態(tài)、編程，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)下載到IO控制器中，還可以對系統(tǒng)進(jìn)行診斷和監(jiān)控。最常見的IO監(jiān)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(shè)備/系統(tǒng)之間的通信。如果說PROFINET IO是控制器與現(xiàn)場設(shè)備的IO數(shù)據(jù)交換，那么PROFINET CBA則提供了多個(gè)IO系統(tǒng)之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以組成更大的系統(tǒng)。
2、PROFINET的通信等級
在工業(yè)自動化控制中，不同的控制對象其實(shí)時(shí)性要求也不同。比如過程參數(shù)的設(shè)置、設(shè)備的診斷等一般沒有實(shí)時(shí)性要求，但是對于分布式傳感器數(shù)據(jù)的交換就要滿足一定的實(shí)時(shí)性要求；而對于運(yùn)動控制，其實(shí)時(shí)性要求就更高。
基于不同控制對象的實(shí)時(shí)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(shù)的非實(shí)時(shí)性通信，可以用于組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、診斷等非實(shí)時(shí)性要求的場合；
②實(shí)時(shí)通信(Real Time Communication，RT)，適合周期性數(shù)據(jù)交換的場合。比如PROFINET IO控制器和IO設(shè)備之間，不僅要完成數(shù)據(jù)的周期性交換，還必須保證一定的實(shí)時(shí)性。這里的實(shí)時(shí)性，一般要求循環(huán)周期小于10ms；PROFINET的實(shí)時(shí)通信采用的是軟實(shí)時(shí)技術(shù)，不需要特殊的硬件支持；
③等時(shí)同步通信(Isochronous Real Time Communication，IRT)。對于時(shí)間要求嚴(yán)格同步的通信，比如運(yùn)動控制，實(shí)時(shí)通信(RT)的10ms數(shù)據(jù)交換周期不能滿足要求，這種情況下要采用等時(shí)同步通信。該通信模式下，數(shù)據(jù)的循環(huán)刷新時(shí)間小于1ms，循環(huán)掃描周期的抖動時(shí)間不大于1us(微秒)；等時(shí)同步通信需要特殊的硬件支持；
PROFINET基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信，對于不同的通信等級采用不同的技術(shù)方案，非常巧妙的解決了在同一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同通信等級要求的問題。PROFINET IO使用了UDP/IP、RT和IRT技術(shù)；而PROFINET CBA則使用TCP/IP技術(shù)和RT技術(shù)。
3、PROFINET實(shí)現(xiàn)不同通信等級的方法
PROFINET中的通信采用的是生產(chǎn)者和消費(fèi)者的方式。生產(chǎn)者(現(xiàn)場傳感器)把數(shù)據(jù)傳送給消費(fèi)者(比如PLC)，消費(fèi)者對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后再把處理后的數(shù)據(jù)返回給消費(fèi)者。數(shù)據(jù)在傳遞的過程中，大部分的時(shí)間消耗在通過通信棧上，也就是以太網(wǎng)模型的層層打包和拆包的過程。因此，要提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，就要對協(xié)議棧進(jìn)行改造。
PROFINET的實(shí)時(shí)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(shí)間也縮短了。采用IEEE 802.3優(yōu)化的第2層協(xié)議，由硬件和軟件實(shí)現(xiàn)自己的協(xié)議棧，從而實(shí)現(xiàn)了不同實(shí)時(shí)性等級的要求。由于沒有使用第3層(IP)協(xié)議，所以失去了路由功能。但借助MAC地址，PROFINET實(shí)時(shí)通道保證了不同站點(diǎn)之間能夠在確定的時(shí)間間隔內(nèi)完成對時(shí)間間隔要求苛刻的傳輸任務(wù)。
非實(shí)時(shí)通信和實(shí)時(shí)通信的模型如下圖所示：
回到本文開始的問題“PROFINET分布式IO設(shè)備和IO控制器之間采用的是實(shí)時(shí)通信(RT)還是等時(shí)同步通信(IRT)呢？”其實(shí)，這兩種方式在CPU組態(tài)時(shí)都存在的，并且不能更改。在同一個(gè)系統(tǒng)中可能三種通信等級：UDP/IP、RT和IRT都會用到。
好了，關(guān)于PROFINET通信等級的話題就先聊到這里。
相關(guān)閱讀
TIA博途中組態(tài)S7-1500和V90PN的PROFINET通信
西門子S7-200 SMART V2.5支持的智能設(shè)備如何組態(tài)
