PROFINET的實(shí)時性及其協(xié)議分析

張國棟,王有春

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

PROFINET的實(shí)時性及其協(xié)議分析

張國棟,王有春

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

針對目前現(xiàn)場總線技術(shù)無法滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)π畔鬏數(shù)乃俾室约靶畔鬏攲?shí)時性的較高需求，PROFINET實(shí)時協(xié)議迅速發(fā)展起來，該協(xié)議在通信方面較現(xiàn)場總線技術(shù)有更好的實(shí)時性以及更高的傳輸速率;首先對標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了研究，分析了PROFINET對標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的優(yōu)化方式；然后詳細(xì)介紹了PROFINET RT和PROFINET IRT的幀結(jié)構(gòu)以及基于具體數(shù)據(jù)的實(shí)時性分析，為西門子STEP7對PROFINET的組態(tài)配置提供了一定的借鑒作用；最后采用西門子的PROFINET IO設(shè)備、IO控制器等，通過STEP7的組態(tài)配置，驗(yàn)證了PROFINET IO之間的通信。

PROFINET；實(shí)時；RT；IRT； STEP 7

0 引言

20世紀(jì)八九十年代，現(xiàn)場總線技術(shù)飛速發(fā)展，但是隨著它在工控界大肆推廣之際，也發(fā)現(xiàn)了它的不足及缺點(diǎn)。首先是它的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，難以統(tǒng)一；其次是它的信息傳輸速率以及實(shí)時性達(dá)不到發(fā)展的要求[1]。

PROFINET是由PI推出的開放式以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它是基于IEEE802.3的用于快速數(shù)據(jù)交換的100%的以太網(wǎng)技術(shù)[2]。PROFINET是一種應(yīng)用于自動化領(lǐng)域的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，支持不同制造商現(xiàn)場設(shè)備之間數(shù)據(jù)的高速安全通信。因此，PROFINET為機(jī)器與系統(tǒng)的各種創(chuàng)新設(shè)計帶來了新的契機(jī)。如今，全球已有28個PROFINET技術(shù)中心，共同努力為用戶解答各種PROFINET相關(guān)問題。

PROFINET一個重要特性是它具有可伸縮性，即基于以太網(wǎng)的通信是可以縮放的，具體來說有3個不同實(shí)時性能：

(1)普通的TCP/IP通信，適用于對實(shí)時性能沒有要求的通信，例如參數(shù)配置及組態(tài)；

(2)實(shí)時通信(RT)，適用于對時間過程數(shù)據(jù)要求較苛刻的通信，例如工廠自動化領(lǐng)域。

(3)等時同步實(shí)時通信(IRT)，適用于對時間過程數(shù)據(jù)要求特別嚴(yán)格的通信，例如運(yùn)動控制領(lǐng)域。

這3種不同實(shí)時性能等級通信覆蓋了自動化領(lǐng)域的全部應(yīng)用范圍[3]。

1 PROFINET的實(shí)時性分析

實(shí)時性，表示系統(tǒng)對外部事件在確定的時間內(nèi)做出反應(yīng)，確定性表示系統(tǒng)有可以預(yù)測的響應(yīng)。實(shí)時系統(tǒng)不僅僅是表現(xiàn)在“快”上，而更重要的是必須對外來事件在限定時間內(nèi)做出反應(yīng)。

表1是PROFINET與ISO/OSI七層模型對應(yīng)關(guān)系，從表中可以看出PROFINET協(xié)議模型中省略了幾層，并且在第2層添加了實(shí)時擴(kuò)展以及優(yōu)先級[4]。

表1 PROFINET與ISO/OSI模型的對應(yīng)關(guān)系

普通的TCP/IP協(xié)議是難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信的，因?yàn)楫?dāng)信息過載時會增加幀的長度，導(dǎo)致增加線路上的傳輸時間。此外，處理器處理對應(yīng)的通信協(xié)議棧會占用相對更長的時間，導(dǎo)致增加信息發(fā)送的周期。

PROFINET協(xié)議采用優(yōu)化過的TCP/IP協(xié)議來達(dá)到實(shí)時通信的目的，如圖1。標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的第三層及第四層的作用是對以太網(wǎng)幀進(jìn)行打包和解包，這就會大大增加數(shù)據(jù)在協(xié)議棧內(nèi)的停留時間。而PROFINET實(shí)時協(xié)議跳過了這兩層，從而大大減少了數(shù)據(jù)在通信協(xié)議棧內(nèi)的停留時間[5]。

圖1 PROFINET對標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的優(yōu)化

2 PROFINET RT分析

2.1 PROFINET RT幀結(jié)構(gòu)分析

PROFINET RT幀結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

圖2 PROFINET RT幀結(jié)構(gòu)

PROFINET實(shí)時協(xié)議為了使RT數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，設(shè)置了VLAN標(biāo)簽，該標(biāo)簽中含有優(yōu)先級標(biāo)識符，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級設(shè)置。從圖中可以看出優(yōu)先級是長度為3bit的數(shù)據(jù)，可以設(shè)置0-7的優(yōu)先級，RT幀主要使用優(yōu)先級6或7。

RT幀結(jié)構(gòu)中前面的以太網(wǎng)類型值為0x8100，表明其后緊跟的是VLAN標(biāo)簽。后面的以太網(wǎng)類型值為0x8892，表明該幀是一個RT幀。幀類型識別符描述的是不同設(shè)備之間特定的通信信道，通過幀類型標(biāo)識符與以太網(wǎng)類型的結(jié)合，對RT幀的識別更加容易。CFI的值代表的是以太網(wǎng)或者是令牌環(huán)網(wǎng)的類型。

2.2 RT通信中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式

這里的轉(zhuǎn)發(fā)方式主要是針對交換機(jī)的，有兩種方式：存儲與轉(zhuǎn)發(fā)(Store and Forward，S&F)和直通交換方式(Cut Through，CT)。在RT通信中的轉(zhuǎn)發(fā)方式是存儲與轉(zhuǎn)發(fā)[7]。

對于S&F方式，如圖3所示，交換機(jī)正在轉(zhuǎn)發(fā)PROFINET報文，報文1是非實(shí)時的，報文2和3是實(shí)時的，報文3的優(yōu)先級較高。但由于端口2正在對報文1進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，即使它是非實(shí)時的也不能中斷，所以會首先被發(fā)送出去，而報文2和3按照優(yōu)先級排列等待發(fā)送。所以最終端口1發(fā)送出去順序是報文1，報文3，報文2。

圖3 交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)PROFINET報文

2.3 PROFINET RT協(xié)議實(shí)時性分析

一個完整的幀必須包含前導(dǎo)碼以及空閑時間，根據(jù)圖4，一個RT幀最小為88字節(jié)，如表2所示。在全雙工模式下的傳輸速率為100 Mb/s，傳輸每個字節(jié)所需的時間為0.08 μs。因此傳輸最小的RT幀的時間為7.04 μs。假設(shè)數(shù)據(jù)在傳輸介質(zhì)上的速度為光速的2/3(即200000 km/s)，規(guī)定兩個站之間的最大距離為100 m，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€運(yùn)行時間為0.5 μs。于是，在距離100 m的兩個PROFINET站之間發(fā)送一個最小RT幀的時間為7.54 μs。

表2 RT幀最小長度

由于RT幀是經(jīng)過S&F方式通過交換機(jī)的，舉例用西門子的SCALANCE X200交換機(jī)，查閱手冊，最小RT幀的S&F延遲時間為10 μs。

現(xiàn)在考慮一種對RT數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)最為不利的情況：即假設(shè)RT數(shù)據(jù)通過交換機(jī)時，恰好交換機(jī)正在進(jìn)行最大的非實(shí)時以太網(wǎng)報文的轉(zhuǎn)發(fā)，此時RT數(shù)據(jù)必須等待該非實(shí)時報文發(fā)送完畢之后再進(jìn)行傳輸。最大的非實(shí)時以太網(wǎng)報文有1518個字節(jié)，因此傳輸該報文的時間為1518*0.08 μs=121.44 μs，它在交換機(jī)內(nèi)S&F延遲時間為123 μs。于是，在這種情況下，一個最小的RT幀通過一臺交換機(jī)傳輸至下一設(shè)備的時間為244.44 μs+10 μs+7.54 μs=261.98 μs。

接下來研究最遠(yuǎn)IO設(shè)備的刷新時間，為了計算結(jié)果的嚴(yán)苛性，公式中假設(shè)的數(shù)據(jù)都是在比較苛刻的情況下給定的。通用IO設(shè)備刷新公式為：

T=Ns*TNRT+Ns*WRT*(RPB+CPB)+D/V

其中：T為傳輸?shù)阶钸h(yuǎn)站所用的時間；Ns為要刷新的IO設(shè)備的數(shù)目，也就是數(shù)據(jù)要通過的交換機(jī)的總數(shù)目；TNRT為最大非實(shí)時以太網(wǎng)報文傳輸與交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的總時間，為244.44 μs；WRT為所要傳輸?shù)腞T幀字節(jié)數(shù)，這里取最小字節(jié)數(shù)，即88個字節(jié)；RPB為傳輸每個字節(jié)所用的時間，為0.08 μs；CPB為一個字節(jié)在交換機(jī)內(nèi)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)所占用的時間，取0.113 μs；D為數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥骋徽镜木嚯x；V為傳輸介質(zhì)上數(shù)據(jù)的發(fā)送速度，約為200 m/μs。

假設(shè)有64臺交換機(jī)串聯(lián)在一起，每臺交換機(jī)連接一臺IO設(shè)備，每臺交換機(jī)之間的距離為100 m，則D=64*100 m=6 400 m。將上述數(shù)據(jù)代入公式即可得到最遠(yuǎn)IO設(shè)備的刷新時間：

T=64*244.44μs+64*88*(0.08+0.113)μs+6400/200μs=16.763 ms。

STEP7中默認(rèn)IO刷新時間是1ms，但是根據(jù)上述計算結(jié)果，假如一個IO控制器控制64個IO設(shè)備，如果使用默認(rèn)的刷新時間，那么最遠(yuǎn)IO設(shè)備必然會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸故障。假如將刷新時間設(shè)置為17ms，則影響設(shè)備的實(shí)時性。但是根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的組態(tài)配置經(jīng)驗(yàn)，上述情況只有很小的幾率會發(fā)生，因此只需將最遠(yuǎn)IO設(shè)備的刷新時間設(shè)置為8ms左右，就可以既保證設(shè)備的實(shí)時性能，又能有效防止數(shù)據(jù)的傳輸故障。

上述刷新時間的計算方法適用于任何PROFINETRT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用上述方法計算實(shí)際的IO設(shè)備的刷新時間，可以有效避免IO設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸故障。

3 PROFINET IRT分析

3.1PROFINETIRT幀結(jié)構(gòu)分析

PROFINETIRT幀結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 PROFINET IRT幀結(jié)構(gòu)

由于IRT是按時間調(diào)度傳輸?shù)耐ㄐ?，在IRT的現(xiàn)場設(shè)備里具有固定的時間調(diào)度表來定義準(zhǔn)確的發(fā)送時間點(diǎn)。因此可以通過時間位置(Temporalposition)、以太網(wǎng)類型(0x8892)和幀類型標(biāo)識符(FrameID)的組合來識別IRT幀，而且在IRT幀中不需要VLAN標(biāo)簽對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級分配。

3.2IRT通信中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式

在IRT通信中數(shù)據(jù)在交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)方式是直通交換方式。

在直通交換方式中，數(shù)據(jù)包并不是被臨時存放在交換機(jī)中，而是檢查該數(shù)據(jù)包的包頭，獲取該數(shù)據(jù)包的目的地址，啟動內(nèi)部的動態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把該數(shù)據(jù)包直接發(fā)送到輸出端口，實(shí)現(xiàn)交換功能[8]。由于該方式只是檢查數(shù)據(jù)包的包頭(通常大約為14個字節(jié))，不需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存，因此該種方式既不受數(shù)據(jù)包大小的限制，又具有延遲小的優(yōu)點(diǎn)。

3.3PROFINETIRT協(xié)議實(shí)時性分析

與分析RT協(xié)議實(shí)時性的方法類似，IRT幀在傳輸中的延遲主要分為3個部分：Tm代表IRT幀經(jīng)過通信介質(zhì)傳輸時產(chǎn)生的延遲；Tc代表交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)IRT幀產(chǎn)生的延遲；Tv代表IRT幀經(jīng)過一個快速以太網(wǎng)端口產(chǎn)生的延遲，假設(shè)傳輸?shù)腎RT數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為D，傳輸速度為V，則Tv=D/V，其中V為100 Mb/s。這樣，一個IRT幀在整個通信過程中總的傳輸時間為Tpn=Tm+Tc+Tv。

PROFINET IRT有兩種性能，一種是IRT High flexibility(高度靈活性)，一種是IRT Top performance(頂級性能)。后者實(shí)時性能較前者好，兩者產(chǎn)生這樣區(qū)別的原因是是否在組態(tài)時對通信路徑進(jìn)行了規(guī)劃。當(dāng)控制器控制多個設(shè)備時，前者控制器先發(fā)送給哪個設(shè)備是隨機(jī)的，而后者控制器是先發(fā)送給最遠(yuǎn)的設(shè)備，最后發(fā)送給最近的設(shè)備。

例如一臺以太網(wǎng)控制器控制兩臺設(shè)備，那么IRT幀的發(fā)送有兩種方式：一種是先發(fā)送給較近的設(shè)備，再發(fā)送給較遠(yuǎn)的設(shè)備；另一種則是相反。不難理解，第一種發(fā)送方式的傳輸時間為Tpn=Tpn1+Tpn2=Tm1+Tc1+Tv1+Tm2+Tc2+Tv2，而第二種的傳輸時間必然比第一種小，因?yàn)樵谙葋淼腎RT幀在設(shè)備2中傳送的時候，后來的IRT幀可以在設(shè)備1中傳送，這樣就有效利用了帶寬資源。IRT High flexibility是第一種發(fā)送方式，而IRT Top performance是第二種。

為了方便理解以及公式的推導(dǎo)，作出如下假設(shè)：

(1)一臺控制器要刷新N臺設(shè)備；

(2)控制器與設(shè)備要交換的IRT幀大小相等；

(3)忽略同步幀。

于是，IRT High flexibility的刷新時間計算公式為：

Tflex=N*(Tm+Tc+Tv)

IRTTOPperformance的刷新時間計算公式為：

Ttop=Tm+Tc+N*Tv

例如一個系統(tǒng)中：

(1)一臺IO控制器需要刷新64臺IO設(shè)備，傳輸?shù)腎RT幀都為最小64字節(jié)，于是Tv=5.12 μs。

(2)IRT交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)一個IRT幀的延遲時間大約為3 μs，即Tc=3 μs。

(3)IO控制器和IO設(shè)備之間的距離為100 m，Tm=0.5 μs。

在IRT High flexibility性能下，IO控制器刷新64個IO設(shè)備的總時間為：

Tflex= 64*(0.5+3+5.12)=551.68 μs

在IRTTOPperformance性能下，IO控制器刷新64個IO設(shè)備的總時間為：

Ttop=0.5+3+64*5.12=331.18 μs

接下來假設(shè)一般情況，即要刷新的IO設(shè)備的個數(shù)是N，則：

由上式可知，隨著N值的增大，K值也越來越大。也就是說，在上述情況下，IRT TOP performance與IRT High flexibility的實(shí)時性能差距隨著IO設(shè)備數(shù)量的增加而逐漸拉大，當(dāng)N值較大時，K值約為1.68，此時IRT TOP performance的實(shí)時性比IRT High flexibility高68%左右。

現(xiàn)在考慮IO設(shè)備的數(shù)量保持不變而IRT幀的字節(jié)數(shù)變化的情況，假設(shè)IRT幀的字節(jié)數(shù)為DIRT，那么Tv=DIRT*8/100M=0.08DIRT，代入上式得：

由圖4可知，DIRT的大小為64～1518個字節(jié)，那么上式中K的值為1.669到1.028。隨著DIRT的增大，K值在不斷減小，也就是說IRT TOP performance與IRT High flexibility之間的實(shí)時性能差距是隨著所傳輸?shù)腎RT幀字節(jié)數(shù)的增大而不斷減小的。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)

上述計算結(jié)果是有現(xiàn)實(shí)意義的，因?yàn)樵谑褂肞ROFINET IRT功能時，需要利用西門子組態(tài)軟件STEP7為IRT進(jìn)行帶寬的分配。若帶寬分配的過多，則不僅造成帶寬的浪費(fèi)，還會使得RT以及NRT數(shù)據(jù)的傳輸延遲更大。若帶寬分配的過少，則較遠(yuǎn)IO設(shè)備的刷新不成功，必然會出現(xiàn)系統(tǒng)故障。所以，為IRT分配好合適的帶寬是很重要的，既能夠有效利用帶寬資源，又能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定無誤的運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PROFINET通信

實(shí)驗(yàn)使用的是西門子的設(shè)備，通過設(shè)備間的組態(tài)來實(shí)現(xiàn)PROFINET的通信。

PROFINET的IO現(xiàn)場設(shè)備在PROFINET上有著相同的等級，在使用STEP7進(jìn)行組態(tài)的過程中，這些現(xiàn)場設(shè)備(IO device，IO 設(shè)備)制定由一個中央控制器(IO controller，IO 控制器)控制?，F(xiàn)場IO設(shè)備的文件描述定義在GSD(XML)文件。

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：

(1)導(dǎo)入GSD文件，并在STEP7中進(jìn)行硬件組態(tài)，圖5為硬件組態(tài)的最終結(jié)果。

圖5 STEP 7中硬件組態(tài)

(2)編寫相關(guān)程序，下載到IO控制器中，圖6為使用STL語言編寫的用戶程序。根據(jù)在硬件組態(tài)中的ET200S兩個站的DI，DO模板地址，在Network1中，對ET200S1進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，在Network2中，對ET200S2進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

(3)IO控制器和IO設(shè)備自動的交換數(shù)據(jù)，如果ET200S1的DI模板，有信號輸入，那么相應(yīng)的位會顯示為1，如圖7所示。

圖7 控制器和設(shè)備自動交換數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

PROFINET在國內(nèi)的研究還處于比較落后的階段，大多數(shù)的研究都偏應(yīng)用方面，對PROFINET的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)時性等較深層次的研究還是比較少的。研究PROFINET的實(shí)時性，可以廣泛的應(yīng)用在運(yùn)動控制領(lǐng)域、過程控制領(lǐng)域、分布式自動化等工業(yè)控制領(lǐng)域，甚至在航天分布式設(shè)備控制領(lǐng)域也有不可估量的應(yīng)用價值。

[1] 李 程. 基于PROFINET協(xié)議的現(xiàn)場總線設(shè)備研究[D].青島：青島科技大學(xué),2010.

[2] 湯亞鋒. 西門子PROFINET工業(yè)通信指南[M]. 北京: 人民郵電出版社,2007.

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[4] Peter Neumann, Axel Poschmann. Ethernet-based Real-Time Communications with PROFINET IO [A].WSEAS Transactions on Communications[C]. 2005:122-130.

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Analysis of Real-time Performance and Protocol Based on PROFINET

Zhang Guodong, Wang Youchun

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)

In order to meet the high demand of the transmission rate and real-time performance in industrial control field, a real-time protocol of PROFINET for industrial Ethernet is proposed. The protocol has better real-time performance and higher transmission rate than the field bus technology. Firstly, the standard TCP/IP protocol was studied, and the optimization of the standard TCP/IP protocol for PROFINET was analyzed. Then, the frame structure of PROFINET RT and PROFINET IRT were analyzed in detail. The real-time analysis based on concrete data was introduced and this will be a certain reference for STEP7 configuration of Siemens. Finally, with the help of Siemens PROFINET IO devices and IO controller, through the configuration of Siemens STEP7, the communication between PROFINET IO devices were finally realized.

PROFINET；Real-time；RT；IRT；STEP 7

2016-10-13；

2016-11-11。

張國棟(1989-)，男，山東日照人，碩士研究生，主要從事測試與控制方向的研究。

1671-4598(2017)03-0187-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.051

TP301

A