PROFINET有哪些特性？PROFINET的工作机制是怎样的？

1.0 介绍

PROFINET (Process FIeld NETwork)是工业以太网的一个开放标准，在过程自动化、生产自动化、汽车、机械工业和驱动控制等领域有着广泛的应用。PROFINET已被IEC 61158和IEC 61784标准化。设备的安全方面已根据IEC 62061/ISO 13849-1规范。

PROFINET根据不同的时间需求被划分为不同的性能等级。这些等级是:NRT(非实时)、RT(实时)和IRT(同步实时)，它们基于生产者/消费者原则，借助于各种协议和服务。

PROFINET IRT主要应用于周期时间低于1 ms的运动控制应用。采用以太网协议在VLAN优先级的以太网帧中发送高优先级负载数据。利用动态帧打包(DFP)原理和基于硬件同步交换的时间复用方式，对周期时间进行优化。

这项技术大约已有25年历史，由西门子和PROFIBUS用户组织PNO的其他成员公司开发。

2.0 特性

与该技术相关的特性主要有:从管理级到现场或设备级的通信，灵活的拓扑结构，如星型或线，灵活的硬实时通信，包括同步运动控制，动态帧封装原则，导致灵活的时间周期，支持多种传输媒体，如铜，无线，光纤等，所有现场总线的无缝集成，为人，设备等的安全，防止未经授权的黑客进入系统。高可靠的诊断系统等。

3.0 一致性等级

在PROFINET中定义了三个相互构建的一致性等级 。这些等级基于自动化系统的不同需求，分别时CC-A、CC-B和CC-C。

CC-A是层次结构中最低的，具有基本的PROFINET I/O和RT通信功能。IT服务也可以在这个等级中使用。除了CC-A提供的功能外，CC-B还提供网络诊断、网络拓扑等功能。媒体冗余协议选项在这个等级下也是可用的。应用包括具有确定性但非同步通信的机器控制。CC-B的一个扩展版本是CC-B (PA)，其中包括过程自动化中应用的系统冗余功能。

CC-C包括CC-A和CC-B的所有功能。此外，它使用等时相位提供高度确定的实时数据通信。它用于机器控制领域。

4.0 实时通信, 硬实时和软实时

PROFINET标准区分了三种性能等级:PROFINET NRT(非实时)、PROFINET RT(实时)和PROFINET IRT(同步实时)。

第一个版本用于非时间关键的应用程序，这些应用程序使用传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)或用户数据报协议/互联网协议(UDP/IP)进行数据传输，周期约为100毫秒。其中I/O数据的交换采用以太网协议，而诊断和通信数据的传输采用UDP/ IP协议。这种模式下的周期时间大约是10毫秒。最后一个，即PROFINET IRT，是为运动控制应用中的关键时间要求而开发的，周期时间约为1 ms，抖动为1 μ s。

PROFINET中的RT和IRT是有区别的，尽管这两个版本都指的是实时。在实时工业通信协议中，数据交换发生在指定的时间内——通常小于10毫秒。现在，实时系统可以是硬实时，也可以是软实时——这取决于最后期限的强制程度。硬实时系统本质上是确定性的，即网络保证消息将在指定的、有限制的时间内传输，不能快也不能慢。在硬实时系统中，响应时间有绝对的限制。另一方面，在软实时系统中，偶尔违反周期时间或截止日期是可以接受的。

为了实现实时通信，PROFINET在报文头中使用VLAN标记。它将可自由使用的最高优先级级别设置为6。它确保PROFINET电报优先通过交换机转发。

最快的数据更新速度。现在，提供和处理数据所需的时间与系统所进行的通信类型无关。只有通过优化栈中的周转时间才能实现更快的数据更新操作。如果能绕过开放系统互连(OSI)模型的某些层来实现更快的栈操作，将会带来更快的操作，并且可以减少栈的周转时间。结果如下图所示。

时间T1和T3保持不变，而时间T2(当数据通过堆栈时)可以通过软硬件的结合来减少。

除PROFINET IRT外，Ethernet Powerlink、SERCOS III等基于以太网的工业协议均采用同步数据通信原理实现硬实时通信。硬实时系统运行在同步时钟上，以减少周期时间和抖动，并提供确定性的行为。

5.0 实现更快的操作

PROFINET是一个开放的协议,它的周期短于31.25微秒,IRT版本不超过1微秒。通过集成交换机发送时，设备的地址信息包含在帧报头中。在这种情况下，帧ID (FID)地址信息在相应的交换机中集成一次。因此,快速转发帧可以减少几个微秒的延迟。

另一种实现更快运算的方法是求和帧法。在这种情况下，来自多个节点(设备)的I/O数据被打包到一个帧中。因此，多个节点只需要一个FCS (帧校验队列)就可以提高吞吐量。这对于具有少量I/O字节的节点特别有利，因为PROFINET在其帧中使用64字节，就像任何以太网帧一样。

还可以通过使用全双工系统实现增强性能,其中输入和输出数据都可以通过这双电缆发送。当一个求和帧被发送、接收、分析和检查到帧中的最后一个节点时,DFP(Discovery and Configuration Protocol)扮演了一个关键的部分。由于数据从前面的节点中获取，后面不与要在取一次,因此它们向最后一个节点传送过程中被剥离出来。因此，帧变得越来越短，数据到达最后一个节点变得更快。 因此，周期更新时间变得更快

PROFINET V2.3的另一个优点是，当IRT通信周期仍在进行时，它可以无限制地进行TCP/IP通信。所涉及的技术是在单个节点中接收大型TCP/IP帧，然后将其分片。单个的碎片按连续的周期发送。在接收端，它们在应用层被组装在一起，以得到未更改的TCP/IP帧。这使得在共享I/O和TCP/IP通信中实现31.25 μs时长的总线周期成为可能。这些碎片的集成是在交换模块中完成的，因此不需要任何额外的特殊装置。

6.0 IRT的工作机制

IRT的工作机制基于时间片机制。IRT网络上的流量由IRT和RT两部分组成，假设IRT流量占网络总带宽的25%，其余的分配给RT流量，如下图所示。

IRT流量通过一次性切片履行严格的时间安排。在此期间，任何非IRT流量都将被缓冲。一旦IRT通信已经结束，缓冲的通信将通过交换机，进入常规的以太网通信。预留的IRT流量是可扩展的。，它刚好足够容纳IRT通信。

高精度的时间片(对于RT和IRT)可以通过交换机实现。如果网络具有以下特性，是可行的:

1. 一个非常精确的主时钟，它将同步网络上所有连接的设备，以创建精确持续时间的时间片。
2. 交换机必须有一些额外的电路来缓冲和保存在IRT阶段执行期间可能接收到的任何以太网流量。

主时钟基于IEEE 1588v2 (IEEE 1588-2008)，它定义了精确时间协议(PTP)。这被放在一个名为精确透明时钟协议(precision transparent clock protocol, PTCP)的协议包中。网络交换机和布线的固有延迟可以通过PTCP计算。跨网络的高精度实时时钟具有非常精确的延迟计算，允许网络中的交换机精确地在所需的时间进入和退出IRT时间片。时钟主使用同步帧来同步这些设备中固有的所有本地时钟发生器。这些设备直接连接在一起，而不需要经过任何非同步设备。

下图，展示了PROFINET协议中的数据如何通过OSI的不同层。数据有三种变体:标准数据、RT数据和IRT/TSN数据。RT和IRT通信绕过会话层、传输层和网络层，从而加快了RT和IRT的周转时间。

7.0 时间敏感组网

它是一系列旨在提高标准以太网确定性的新标准。工业以太网是一种开放标准，西门子正在现场或设备级使用PROFINET，在控制级使用OPC UA。西门子目前正在研究基于以太网的标准时间敏感网络预留带宽，主要侧重于服务质量、低传输延迟以及工业网络实时域不同协议的并行传输。

目前，TSN提供31.25 μ s的循环时间和1 μ s的抖动，但PROFINET IRT已经提供了这样的性能水平。PROFIBUS和PROFINET国际(PI)已经在最新的PROFINET标准中采用了TSN。

TSN通过部署另一个具有一些额外功能的新标准802.1AS-2019，改进了现有的时间同步时钟(IEEE 1588)。采用这种新标准的TSN网络在同步超出预期范围时将产生错误。这个设备在IEEE 1588中没有。与新标准相关的另一个特性是它具有调度优先级。TSN是OSI标准模型中的第二层，它向上兼容以前的以太网和硬实时功能

TSN包括一个广泛的网络配置，集中和分散的运作模式都可以。这两种模式之间的互操作性目前正在开发中。随着TSN的引入，OSI模型的1、2、3层将统一为一个具有更高可扩展性和性能的层。

8.0 使用 IRT

PROFINET IRT中的每个设备(也称为PROFINET一致性C类)-从控制器到设备和交换机必须与PROFINET一致性C类兼容。该类中的最小数据更新率为250 μ s，抖动小于1 μ s。使用合适的硬件可以将数据更新率降低到31.25 μ s。对于更新速率小于250 μ s的, TCP/IP通信被碎片化并以较小的数据包传输。

在使用PROFINET之前，需要正确配置PROFINET IRT。这需要指定IRT操作所需的时间片(带宽)数目，以及设备的周期时间。同样，网络拓扑必须明确指定，这将使IRT设备在IRT时间片内优化IRT传输调度。配置一个C类网络比B类网络更冗长和复杂。

一些控制器，设备和交换机支持等时模式应用，尽管它不是IRT的一部分。此模式用于将应用程序的执行循环锁定到IRT更新间隔。这可以防止过采样或欠采样，确保进入或退出IRT时间阶段是完美的。

上图，展示了PROFINET IRT通信的时间表。一个特定的周期始于网络中所有设备的同步。这是由高度精确的主时钟完成的。根据连接网络的需要，以预留带宽(时间片)发送IRT数据，然后进行RT通信。诊断数据等在头标准通信下发送。