通用低压电器篇
孙凡金(1977 ),男,副教授,博士,研究方向为网络控制系统。
Profi net 工业以太网实时通信协议分析
孙凡金,!刘彦呈,!潘新祥
(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连!116026)
摘!要:在分析P ro fi net 关键技术组成的基础上,对其实时性优化技术进行了综述,并通过分析通信连接的建立及维护,实时协议的组成及通信策略,以及RT 与I RT 的通信技术与实现方法,从整体上研究了P rofi net 实时性优化的协议组成及基本特性,对设计与优化基于Profi net 工业以太网的自动化系统具有一定借鉴。
关键词:Prof i ne t ;实时性;通信连接;同步
中图分类号:T P 393.04!文献标识码:A !文章编号:1001 5531(2008)21 0030 04
The Anal ysis of the Real T i m e Co mmun icati on
Protocol i n Profinet !!!
SU N Fanji n ,!LIU Yancheng,!PAN X i n x iang
(Schoo l ofM arine Eng i n eeri n g ,Da lian M ariti m e Un iversity ,Da lian 116026,Ch i n a)
!!Abstract :Based on the analysis o f P ro fi net ∀s key techno l ogy ∀s constituti on ,its rea l ti m e opti m iza tion tech no l ogy w as survey ed .By ana l yz i ng t he buil d and m ai n tenance of co mmun ica ti on connect ,rea l ti m e protoco l ∀s con stituti on and communicati on stra tegy ,RT and I RT ∀s communicati on techno logy and rea liza ti onm e t hod ,t he protoco l constit ution and basi c character i stics for P ro fine t rea l ti m e opti m i zati on w ere st udied ,wh ich can be re ference f o r de si gn i ng and opti m izi ng autom ati c system based on Profi net .
K ey words :Profi n et ;real ti m e ;co mmun icati on connect ;synch ronous
刘彦呈(1963 ),男,教授,博士生导师,研究方向为工业监控网络。潘新祥(1964 ),男,教授,从事船舶网络化监控技术的研究。
0!引!言
Profinet 是国际组织P NO (Pro fi b us N ati o na l O rganizati o n)提出的用于工业自动化的实时以太网标准[1,2]
。为支持不同工业级应用,Profi n et 提
供了集成式Profinet I O 和分布式自动化中创建模块化设备系统的Pro fi n et CBA [3]
。Profinet I O 对分布式I/O 使用实时通信(RT)和同步实时通信(I R T)协议。RT 通信时钟周期可达10m s 量级,适用于工厂自动化的分布式I/O 系统。I RT 通信时钟周期可达1m s 量级,适用于运动控制系统[4,5]。Profinet CB A 使用TCP /I P 和RT 两种基于组件的通信方式。它允许时钟周期由TCP 协议的100m s 量级降至RT 的10m s 量级,从而更适用于PLC 之间的通信。本文通过分析Profinet 实时性协议的组成,对其通信连接建立及管理、实
时同步机制、等时同步实现方法及关键技术进行
了深入分析,阐述了Profi n et 实时通信解决方案实现方法。
1!Pro fi net 协议架构
传统的以太网使用CS MA /CD (带有冲突监测的载波监听多路访问)协议实现介质访问控制,虽然工业以太网可使用标准的通信协议(如TCP /I P 或UDP /I P)来提高其实时性,但数据包的传输时延很大程度上依赖网络负载而不能预先确定,因此标准协议通信过程中会产生帧过载现象,这即加大传输时延及处理器计算时间,从而延长发送周期,严重影响网络的实时性。为此,Profi net 通过对发送器和接收器的通信栈进行实时性优化,可保证同一网络中不同站点可在一个确定时段内完成时间要求严苛的数据传输。Profine t
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通过软实时和硬实时方案对I SO /OS I 参考模型的第2层进行了优化,此层内所改进的实时协议对数据包的寻址不是通过I P 地址实现的,而使用接收设备的MAC 地址,同时保证与其他标准协议在同一网络中的兼容性。Profinet 的协议架构如图1
所示。
图1!P rofi net 通信协议架构
!!根据自动化系统的控制及通信要求,将应用层的数据规划为标准数据(非实时数据)和实时
数据,标准数据是对时间没有严苛要求的数据,它使用传统以太网的标准通道,通常完成设备参数化、诊断数据读取、互连数据加载、非周期数据交换、信道组态等任务;实时数据是对时间有严苛要求的数据,它使用Profinet 优化的实时通道,其传输控制被映射到ISO /OSI 模型第2层内3种实时类型,实时类型1用于用户数据的高性能传输、周期数据交换;实时类型2用于事件触发的周期性数据传输;实时类型3主要实现等时同步数据的高性能传输,通常用于运动控制系统。
2!通信连接建立及维护
Profinet 的实时协议使用发送器/接收器通信方式进行数据传输。Pr o fi n et 设备可同时作为接收器和发送器进行工作。在周期性实时数据的通信中,数据交换是基于连接的,连接的建立及删除由应用层协议控制;数据的接收器不会对数据包的接收状态向发送器进行明确回复,而仅通过监控时间间隔来考察数据接收情况。此外,Profinet 实时协议不支持数据的分段及重组,以及长度超出以太网标准数据包长度(包含所有协议首部)的传输。
当发起者(如Profi n et 控制器)收到要建立的连接方面的信息时,这些信息可能来自于工程设
计系统,也可能来自于保存的组态数据,它利用这些数据自动尝试与响应者建立连接。在成功建立连接之后,发送器向接收器传输实时的生产数据或I/O 数据。与此相反,发起者也可提供删除连接的触发,如上位操作终端或设计系统删除连接。此外,发起者可以将发送器和接收器组合在同一个设备中,其回路的监控是通过实时协议的数据安全特性、发送器和接收器的高层协议和特殊的监控机制来实现的。Profinet 建立与删除连接的过程如图2
所示。
图2!P ro fine t 连接建立与删除
3!实时通信协议
Profinet 实时协议采用E t h er N et II 。为减小交换机在帧处理时的最大周期偏差,使用VLAN 标签对帧进行优先级标识,从而控制运行时间内设
备之间的数据流。Pr o fi n et 实时帧使用优先级6或7发送。遵照I E EE 802.1Q,VL AN 标签对以太网帧扩展了4Byte 。E thertype 0x8100确定VLAN 标签协议标识符。VLAN 帧格式在I E EE 802.1D 中定义。I EEE 分配以太网协议0x8892对实时帧进行标识。帧类型标识符用于描述两个设备之间的通信信道。以太网与帧类型标识符的结合即可对实时帧进行识别,实时帧结构如图3所示。!!其中,RT 数据区内的用法与结构没有具体定义,但若实时帧长度<64Byte ,则实时数据的长度必须扩展到最小40Byte 。VLAN TPI D 区的CFI 用于区别以太网和令牌环网的类型。对于接收器,控制器首先验证6Byte 的目的地址,随后在Profinet 协议栈中用以太网类型和帧类型标识符将帧分配到相应信道。
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