PROFINET通信实时性分析

PROFINET IO通信实时性分析

摘要：通过对PROFINET IO概念的介绍，以及对PROFINET非实时报文和实时报文在以太网及交换机中的传输时间的研究，得出不同组态距离的IO设备的刷新时间，从而正确设置组态参数，避免了由于刷新时间和看门狗时间设置不当而导致的设备故障。

关键词：PROFINET IO；刷新时间；实时性；响应时间

       PROFINET是PROcess、Field和NET的缩写，是基于工业以太网的开放的、标准的、实时的通信协议，可以应用TCP/IP协议和IT标准，与现场设备实现无缝集成，可以说PROFINET是工业以太网应用在现场级的一种实施协议。

PROFINET主要有两种通信方式[1]：
    （1）PROFINET IO实现控制器与分布式I/O之间的实时通信；
    （2）PROFINET CBA实现分布式智能设备之间的实时通信。
    从PROFINET的角度来看，PROFINET IO是在工业以太网上实现模块化、分布式应用的通信概念。通过PROFINET IO，分布式I/O和现场设备能够集成到以太网通信中。
1 PROFINET IO的基本概念
1.1 PROFINET IO的工程模型
    （1）IO控制器
    IO控制器[2]一般是可编程控制器（例如PLC），它能够执行自动化程序。其功能相当于PROFIBUS类型1的主站。
    （2）IO设备
    IO设备是连接到PROFINET网络中的现场分布式I/O。
    （3）IO监视器
    IO监视器[2]是一种工程设备，通常为PC、HMI或可编程控制器，用于IO控制器和IO设备的调试和诊断，在运行期间连接IO监视器，通常只是暂时性地用于调试和故障处理。IO监视器的功能相当于PROFIBUS类型2的主站。
    1个PROFINET IO系统应该包括至少1个IO控制器和1个IO设备。
1.2  PROFINET IO的数据流
    PROFINET IO通信站点的数据交换是通过标准通道[3]（基于UDP/IP）和实时通道完成的。在这些通道里，数据使用不同的协议进行传输。例如启动时从站参数是由主站通过UDP协议传递的，设备地址名字的分配是通过DCP协议完成的，这些都属于标准数据，也可以称为非实时（NRT）数据。而周期数据[4]、报警数据是通过实时协议传送的，被称为实时数据。
1.3  组态PROFINET IO及其重要概念
1.3.1  组态PROFINET IO
    PROFINET IO组态如图1所示，主站是CPU319-3 PN/DP，从站有3个IO设备，分别为ET-200S，ET-200pro和ET-200eco，还可以继续添加IO设备，SIMATIC 产品系列的 PROFINET 设备具有PROFINET接口[5](带或不带集成交换机)。带集成交换机的 PROFINET 设备通常具有2个端口，用于网络的线性总线结构。 同时还提供有3个或更多端口的 PROFINET 设备以连接树型拓扑。由图1可见，CPU319通过双绞屏蔽线与设备3(ET-200S)连接，不同的ＩＯ设备之间通过它们自带的交换机接口进行连接。

1.3.2  PROFINET IO中的不同时间概念
    (1)发送时钟（Send clock）[6]：IRT或RT通信中2个连续间隔之间的时间段。发送时钟是用于交换数据的可能的最短传输时间；
    (2)更新时间（Update time）：更新时间=发送时钟× Factor。
    在此时间间隔之内，IO 控制器/IO 设备为 PROFINET IO 系统中的IO设备/IO 控制器提供新的数据。可以为每个IO设备单独组态发送周期，并定义将数据从 IO 控制器发送到 IO 设备（输出）的时间间隔以及将数据从 IO 设备发送到IO控制器的时间间隔（输入）。更新时间在SETP7组态中可以设置。
    (3)Factor：Fatcor是放大倍数，为2n，也称减速比（Reduction Ratio）[7]
    (4)看门狗时间 （Watchdog xime）
    通过STEP7，采用更新时间的整倍数来设置看门狗时间，该时间也可由用户修改。如果在看门狗时间内IO控制器没有为IO设备提供输入/输出数据，IO设备将出现故障并给出替换值。这种情况将作为站故障报告给IO控制器。
2 研究PROFINET IO实时性的必要性
    首先，在运动控制系统等对实时性要求很高的领域，用户需要知道PROFINET IO数据循环的周期，以便更好地进行生产。其次，如果在STEP7工程工具中对PROFINET IO设备的更新时间和看门狗时间设置不合适，设备就会在运行时出现莫名其妙的故障。所以，对PROFINET IO实时性的研究是很有必要并且具有现实意义。     
3  PROFINET IO的实时性
3.1  标准以太网的帧结构
    标准以太网的帧如表1所示。可以看出，一个标准以太网帧数据大小为64 B～1  500 B。快速以太网（100 Mb/s）传输1 518 B数据的时间是120 μs,传输64 B数据的时间是5 μs。

3.2  交换机制
 　SIMATIC 中的交换机通过 PROFINET 上的2个机制满足实时要求。
　 (1) 存储与转发S&F（Store and Forward）[4]
　 使用存储转发方法时，交换机将完整地存储消息帧，并将它们排成一个队列。 如果交换机支持国际标准 IEEE 802.1Q，则根据其在队列中的优先级存储数据。 这些消息帧随后将有选择性地转发给可访问已寻址节点的特定端口（存储转发）。
　 对于存储转发，数据经过交换机时先存储进行校验，然后由交换机根据地址表再进行转发。
　 (2)直通交换方式（Cut Through）[4]
　 在直通交换方式过程中，并不是将整个数据包临时存储在缓冲区中，而是在目标地址和目标端口已经确定后，马上将整个数据包直接传送到目标端口。这样通过交换机传送数据包所用的时间是最小的，且不受消息帧长度的影响。当目标段与下一个交换机的端口之间的区段已被占用时，数据将“根据优先级的存储和转发过程”临时存储。
　 根据西门子交换机SCALANCE X200手册，64 B的数据S&F延迟时间是10 μs，1 500 B数据S&F延迟时间是130 μs。
　 根据IEEE802.1Q定义的以太网报文的优先级，在标准以太网报文中加入4B来标识报文的优先级，凡是支持IEEE802.1Q的交换机都会对这些报文进行优先级的识别和处理，以图2所示为例说明，交换机的端口2收到报文1并进行存储转发，这时端口3收到报文2和报文3，由于报文1正在被发送，即使它是非实时的报文也不能被中断，由于报文2的优先级低于报文3的优先级，所以报文3会被优先发送出去，这时从端口1发送的顺序就是报文1、报文3、报文2。

3.3  PROFINET IO实时数据传输的延迟时间
    假设组态ET200分布式I/O模块不是很多的情况下，这样一个最小的以太网报文64 B完全可以控制I/O，那么就认为PROFINET报文的大小为64 B。根据快速以太网（100 Mb/s）传输64 B数据的时间是5 μs，经过n台交换机的传输时间约为n×5 μs。根据SCALANCE X200手册，64 B的数据S&F延迟时间是10 μs，经过n台交换机的延迟时间约为n×10 μs。那么RT数据的延迟时间为n×（10+5）μs。
    但是还需要考虑另一种情况，如果RT数据经过每台交换机准备发送，恰好每台交换机都正在转发一个最大的非实时（NRT）以太网报文，RT的数据必须等待非实时（NRT）数据发送完毕然后再进行传输，当然，这种情况是极特殊的。这样通过计算快速以太网传输1 518 B数据的时间是120 μs，最大非实时数据（NRT）以太网报文经过n台交换机的传输时间约为n×120 μs。根据SCALANCE X200手册，1 500 B的数据S&F延迟时间是130 μs，经过n台交换机的延迟时间约为n×130 μs。这种情况，经过n台交换机一个RT数据总的延迟时间约为n×（10+5）μs+n×（130+120）μs。如果存在64台SCALANC X200交换机串联，则“最远”现场IO的延迟时间约为64×（130+120）+64×（10+5）=16.96 ms。
    这样根据所计算的结果，如果通过STEP7设置最远设备的刷新时间PROFINET IO网络中，一个IO控制器控制64个IO设备时，Step7默认计算控制每一个IO的Update time为1 ms。而在PROFINET网络中，不可避免地存在非实时（NRT）数据，例如通过SFB52/53读写数据记录，通过SNMP诊断和维护PROFINET网络、PG诊断、视频或音频等。
    如果使用默认设置的1 ms，则“最远”现场IO可能出现莫名其妙的丢站现象，可能会被认为是电磁干扰等造成的，从而无法排除现场故障。如果存在上述网络拓扑结构，最好设置“最远”现场IO的刷新时间在8 ms以上，或者调整看门狗时间，即调整刷新时间的倍数，使IO控制器和IO设备不会检测到错误。
    根据这种分析方法，对任何的PROFINET网络拓扑结构都可以通过上述的方法确定PROFINET  IO设备的刷新时间，避免出现IO错误。
    如果使用SCANLANCE X IRT交换机串联，由于IRT交换机使用Cut Through的处理数据方式，这样数据的延迟时间会明显缩短。
　 如果使用带有PN接口的ET200串联，由于集成ERTEC芯片，同样适用Cut Though的数据处理方式，这样数据的延迟时间会大大缩短。
　 由交换机的机制和数据在网络介质中传输造成的延迟可以看出，距离主站组态距离不同的IO设备数据更新时间是不同的，距离主站越远的设备，IO数据更新时间越长，所以必须要设定相应的看门狗时间，以避免因为到达看门狗时间数据未更新而造成设备故障误报。
    使用IRT（等时实时）通信可以有效地减少数据在交换机上的延迟，因为IRT数据经过交换机使用的是Cut Through方式。
参考文献
[1]崔坚,李佳,杨光. 西门子工业网络通讯指南（下册）[M].北京：机械工业出版社, 2005：199-201.
[2]RAIMOND P, MARK M,汤亚锋. 西门子PROFINET工业通信指南 [M].北京：人民邮电出版社，2007：46-48.