1 ? ?概述

?????????　　PROFINET實時以太網(wǎng)是由Profibus?International（PI）組織提出的基于以太網(wǎng)的自動化標準。從2004年4月開 始，PI與Interbus?Club總線俱樂部聯(lián)手，負責合作開發(fā)與制定標準。PROFINET構(gòu)成從I/O級直至協(xié)調(diào)治理級的基于組件的分布式自動化 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)方案，并可以將Profibus技術(shù)和Interbus現(xiàn)場總線技術(shù)在整個系統(tǒng)中無縫地集成。PROFINET能為緊要任務提供最低限度的 性能保證服務，同時也能為非緊要任務提供盡力服務。

2 ? PROFINET的實時通訊分類

?????????　　PROFINET區(qū)分兩類不同性能的實時周期通訊，一種是實時（RT）通訊，主要用于工廠自動化，這一類沒有時間同步要求，一般只要求響應時間為 5-10ms。另一種是等時同步實時（IRT），主要用于有苛刻時間同步要求的場合例如運動控制，電子齒輪。與此對應，PROFINET提供兩類實時通訊 通道具體分為RT實時通道和IRT實時通道。另外還包括一個標準通訊通道，標準通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通訊通道,主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和 讀取診斷數(shù)據(jù)。

?????????　　實時通道RT是軟實時SRT（Software?RT）?方案,它旁路TCP/IP層,同時為優(yōu)化通訊功能,PROFINET?RT幀根據(jù) IEEE802.1Q/P定義了報文的優(yōu)先級,最多可用7級。PROFINET?RT幀中的狀況信息域用來標識設(shè)備和數(shù)據(jù)的狀況（例如：運行，停止，出 錯）。其通訊協(xié)議及幀結(jié)構(gòu)如圖1。

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圖1?PROFINET?RT通訊協(xié)議及其幀結(jié)構(gòu)

?????????　　實時通道IRT是硬實時HRT（Hardware?RT）?方案，實時性是基于一個建立在快速以太網(wǎng)Layer2上的時間觸發(fā)（time- triggered）協(xié)議，由內(nèi)嵌的Switch-ASIC同步實時交換芯片保證。這樣可以進一步縮短通訊棧軟件的處理時間,特別適用于高性能傳輸、過程 數(shù)據(jù)的等時同步傳輸、以及快速的時鐘同步運動控制。由于基于硬件實現(xiàn)，IRT幀中通常無需RT幀中的IEEE802.1Q?VLAN標識。 PROFINET的IRT通訊協(xié)議及幀結(jié)構(gòu)如圖2。
　　

圖2?PROFINET?IRT通訊協(xié)議及其幀結(jié)構(gòu)

?????????　　從圖1，圖2也可以看出，PROFINET?實時數(shù)據(jù)幀（包括RT和IRT?幀）都是在按IEEE802.3所定義的標準化的幀格式基礎(chǔ)上略作改動, 讓其L/T字段的值>1500,這是一個保存的EtherTypeⅡ,可以用于唯一地識別PROFINET的實時數(shù)據(jù)幀以區(qū)別于其他采用標準IT協(xié) 議的以太網(wǎng)幀，優(yōu)先進行傳輸。PROFINE的以太網(wǎng)類型標識中用0x0800標識IP幀，使用0x8892標識PROFINET實時幀。幀中的應用標識 符（frame-ID）域標識所接收的數(shù)據(jù)的傳輸，即標識周期傳輸和非周期傳輸（報警和事件）。

?????????　　按照PROFIBUS國際組織提供的數(shù)據(jù)[1]，PROFINET在IRT通訊方式下應用在同步運動控制場合，其性能比目前的現(xiàn)場總線方案要提升 100倍。這種基于硬件的同步實時（IRT）通訊解決方案能夠在大量數(shù)據(jù)需要傳遞的情況下保持足夠高的時間確定性;同時，可緩解PROFINET設(shè)備上處 理器的通訊任務。因此，本文以下對它進行具體分析。

3 ? ?PROFINET對IEEE?1588的改進

?????????　　PROFINET?IRT所采用的時間同步協(xié)議是基于改進的IEEE1588[2]。IEEE?1588?的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最精確時鐘 （reference?clock）與其它時鐘保持同步，它定義了一種精確時間協(xié)議PTP（Precision?Time?Protocol），用于對標 準以太網(wǎng)或其它采用多播技術(shù)的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的時鐘進行亞微秒級同步。

?????????　　一個IEEE?1588?精密時鐘（?PTP）?系統(tǒng)包括多個節(jié)點,?可以以為每一個都代表一個時鐘,時鐘之間經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)連接。IEEE?1588?將 整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時鐘分為兩種，普通時鐘OC（Ordinary?Clock）和邊界時鐘BC（Boundary?Clock），只有一個PTP?通訊端口的 時鐘是普通時鐘，有一個以上PTP?通訊端口的時鐘是邊界時鐘，每個PTP端口提供獨立的PTP通訊。其中，邊界時鐘BC通常用在網(wǎng)橋（交換機）和路由器 等這些用來劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,用于防止這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生大的延遲抖動。普通時鐘通常用在節(jié)點上。

?????????　　隨著溫度變化和時間推移，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的時鐘頻率將發(fā)生偏差，由此會造成漂移（drifts）。為此，在PTP中需要通過一個閉環(huán)控制（loop）進行補償，以如下PI-loop為例。

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?????????　　其中，?y[k]是被控量，?x[k]是偏差變量，?k代表同步循環(huán)。?K_R，K_n?是 控制參數(shù)。T是采樣時間，它即是PTP同步信息（Sync信息）之間的發(fā)送間隔。每個PTP從屬時鐘以及BC的每個從屬時鐘端口都必須含有類似的閉環(huán)控 制，閉環(huán)控制的設(shè)計直接關(guān)系到時間同步的精度。如圖3上半部分所示，在BC中的時鐘振蕩器（Oscillator）將會參照PTP?Slave，以一定的 函數(shù)關(guān)系進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的時鐘將成為下一個網(wǎng)段的PTP?Master。以此類推，反復進行，直至目的節(jié)點Time?Client。這樣，當在總線式拓 撲中有多個網(wǎng)橋鏈式聯(lián)結(jié)時，這種方式實質(zhì)上產(chǎn)生了控制循環(huán)的級聯(lián)（cascade），會導致不穩(wěn)定,從而使得IEEE?1588無法滿足苛刻的同步要 求?[3]?。

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圖3?IEEE1588邊界時鐘和PROFINET旁路時鐘對比

?????????　　相對于IEEE1588的“Boundary?Clock”，?PROFINET進行了修正，修正后稱之為旁路時鐘BpC（Bypass?clock）[5]。

?????????　　時間同步的關(guān)鍵題目是網(wǎng)橋等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的時延不定常，從而造成時間抖動。假如能找出計算網(wǎng)橋中時延的方法，那么就可以對它進行補償。如圖3下半部分所 示，PROFINET的BpC正是基于這種思想，通過對PTP報文進行必要的操縱和處理（Message?processing）來對時延進行補償，具體 的處理操縱可能涉及貿(mào)易秘密，尚未見公然報道。基本思想如下：

?????????　　1）?假設(shè)一個PTP網(wǎng)橋在端口s收到一個Sync報文，那么接收時間戳T_rx，s將會產(chǎn)生,?當BpC的其它端口j開始向下游傳遞該Sync報文時，發(fā)送時間戳T_tx，j將會產(chǎn)生。這樣，可以得到所需的時鐘校正值（clock?correction）：T_tx,j?-T_rx,s?。

?????????　　2）?如圖4所示，使用Ldi代表傳輸間隔造成的延遲，bdi代表網(wǎng)橋中的時延，將所得到的本網(wǎng)橋內(nèi)時延bdi和本段傳輸時延Ldi的信息加進到將要 轉(zhuǎn)發(fā)的Sync報文中，這樣目的節(jié)點就可以得到報文所盡歷的精確時延。PTP?主時鐘到PTP?從屬時鐘的累積時延為：

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?????????　　借助這以一方式，就可以把網(wǎng)橋看成具有定常時延的網(wǎng)絡(luò)組件，從而避開了控制循環(huán)的級聯(lián)。
　

圖4?時延疊加

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?????????　　PROFINET將極大的改善現(xiàn)有自動化技術(shù)發(fā)展過程中的通訊瓶頸，同時實現(xiàn)自動化技術(shù)從以實現(xiàn)控制任務為主導向?qū)崿F(xiàn)高度集成和優(yōu)化的信息收集、分析 和處理任務為主導的轉(zhuǎn)移，使得實現(xiàn)控制任務將成為未來自動化平臺的低層次要求。本文?？赐ㄟ^對PROFINET實時通訊較具體的分析，能有助于將來我國自 有產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)標準的發(fā)展。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的PROFINET及其同步实时通讯分析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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