Profinet详解

1.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。

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，并且可以完全兼容工业以太网]和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术。

2.技术

为了达到上述的通讯机能，定义了以下三种的通讯协定等级:

• TCP/IP 是针对PROFINET CBA及工厂调试用，其反应时间约为100ms;

• RT（实时）通讯协定是针对PROFINET CBA及PROFINET IO的应用，其反应时间小于10ms;

• IRT（等时实时）通讯协定是针对驱动系统的PROFINET IO通讯，其反应时间小于1ms。

利用以太网的分析工具可以记录及显示的PROFINET通讯协定的封包，也有一些软件可以解读PROFINET的资料帧。

3.Profinet元件模型

一个PROFINET CBA系统会包括许多自动化的元件，元件可能是机械的、电子的或是IT的变量，元件可以由标准的编程工具产生。

元件可由XML格式的PROFINET元件描述（PCD）档来说明。规划工具载入这些描述资料，并建立不同元件之间的逻辑关系。此模式相当程度地受到IEC 61499标准的影响。

PROFINET CBA的基本概念是很多时候自动化系统都可以分为几个小的子系统，彼此有清楚的区分。PROFINET元件一般只由少数几个输入信号控制，借由这些元件，用户写的程式启动了元件中的特定机能，将输出信号传递给另一个元件。其中用到的技术是制作商中立的。以元件为基础的通讯只需要进行规划，不需要进行编程。PROFINET CBA的通讯（非实时通讯）适用于总线周期时间在50…100微秒的系统。

4.Profinet及外部设备

PROFINET网络和外部设备的通讯是借由PROFINET IO来实现，PROFINET IO定义和现场连接的外部设备的通讯机能，其基础是级联性的实时概念，PROFINET IO定义控制器（有“主站机能”的设备）和其他设备（有“从站机能”的设备）之间完整的资料交换、参数设定及诊断机能。PROFINET IO是设计用来在以以太网连接的设备提供快速的资料传输，且支援生产者－消费者模型（provider-consumer model）。支援PROFIBUS通讯协定的设备可以无缝的和PROFINET网络连接，不需要IO代理器（IO-Proxy）之类的设备。设备开发者可以利用市面上贩售的以太网控制器来开发PROFINET IO设备。PROFINET IO适用在网络循环时间在数ms的系统。

PROFINET IO系统包括以下几种设备：

• IO控制器，控制自动化的任务工作。

• IO设备，一般是现场设备，受IO控制器的控制及监控，一个IO设备可能包括数个模组或是子模组。

• IO监控器是一个PC的软件，可以设定参数及诊断个别模组的状态。

PROFINET IO会在IO控制器及IO设备之间建立应用关系（Application Relation,AR），应用关系中会定义有不同的参数传递、周期资料交换及警告处理等特性的通讯关系（Communication Relations,CR）。

一个IO设备的特性会由设备制造商在GSD（General Station Description）档中说明，所使用的语言是GSDML（GSD标记语言），GSD档提供PC监控软件规划PROFINET组态所需要的基本资料。

5.Profinet IO 定址

PROFINET网络中的每个模组都有以下的三个位址：

• MAC位址;

• IP地址;

• 设备名称，是在整个网络组态中对模组定义的逻辑名称。

由于PROFINET使用TCP/IP，会用到MAC位址及IP地址，但若一设备更换为其他设备，其MAC地址会变动，而IP地址是动态定址下的结果，为了让网络上的某一设备有固定的名称，因此会使用设备名称。

为了分配IP地址、子网络遮罩及预设闸道，定义了以下的二种方式：

• DCP(协定)（发现和配置协定）。

• DHCP（动态主机设定协定）。

6.Profinet及实时

在PROFINET IO网络中，程序资料和警告都是实时（real time，RT）传送。PROFINET的实时是依IEEE及IEC的定义，在一个网络周期内允许在有限的时间内处理实时的服务。实时通讯是PROFINET IO资料交换的基础。在处理时，实时资料的优先权比TCP(UDP)/IP资料要高。PROFINET RT是分散式周边实时通讯的基础，也是PROFINET元件模型（PROFINET CBA）的基础。一般资料交换的总线循环时间约在数百微秒以内。

7.Profinet及等时通讯

PROFINET的等时资料交换定义在等时实时（isochronous real time，IRT）机能中。具有IRT机能的PROFINET IO现场设备有整合在现场设备中的switch ports，可以用例如像以太网控制器ERTEC 400/200为基础。一般资料交换的总线循环时间约从数百毫秒至数微秒。等时通讯和实时通讯的差异是前者有高度的确定性，因此总线周期的启始时间可维持到很高的准确度，其抖动至多到1 µs (jitter)。像马达位置控制程序的运动控制应用就会用到等时实时通讯。

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