【干货】PROFINET基础知识介绍,工控老兵必知!

工业以太网一般使用IEEE 802.3中定义的以太网标准。针对自动化系统的网络节点辅助采用了服务质量（ QOS）机制。PROFINET作为工业以太网之一，它采用了三种不同的方法来实现。这样既满足了普通以太网的需求，又满足了工业系统对不同应用的实时性的要求。如下图1所示。


图1、PROFINET使用到的三种协议栈

① 使用了IEEE 802.3以太网标准和TCP/IP，报文结构如图2所示。大多数的PROFINET通信是通过没有被修改的以太网和TCP/IP包来完成。这使得可以无限制地把办公网络的应用集成到PROFINET网络中。


图2、TCP/IP报文结构

②RT的通信不仅使用了带有优先级的以太网报文帧（如下图3所示），而且优化掉了OSI协议栈的3层和4层。这样大大缩短了实时报文在协议栈的处理时间，进一步提高了实时性能。由于没有TCP/IP的协议栈，所以RT的报文不能路由。


图3、PROFINET RT报文结构

③IRT通信是满足最高的实时要求，特别是针对于等时同步的应用。IRT是基于以太网的扩展协议栈，能够同步所有的通信伙伴并使用调度机制。IRT通信需要在IRT应用的网络区域内使用IRT交换机。在IRT域内也可以并行传输TCP/IP协议包，如图4所示。



图4、PN控制器和PN设备的分片处理机制

以PROFINET RT为例来理解在整个通信的过程中实时性能是如何来保证的。
从通信的终端设备（PN控制器和PN设备）来看，首先采用了优化的协议栈，这一点可以在图1的 ②看到。这样一来在终端的设备上数据报文被处理的时间大大的缩短，这是实时性能保证的一个方面。其次是终端设备上采用的分时间段处理机制，这一点可以在图5看到。这样保证了在每个通信的循环的周期内终端设备即可以处理RT的实时数据又可以处理TCP或UDP的数据。且在每个循环内优先处理RT的实时数据。这里需要强调的是每个PN终端设备只对自己的负责，需要发送的数据会按发送循环发送、对于由其他设备发到自己的数据会进行立即接收，且发送和接收是并行处理。



图5、RT的时间调度机制

从通信的传输设备（SCALANCE X交换机）来看，首先采用百兆全双工的交换网络，这样一来每个终端设备的每个端口都是独享带宽，且可以双向不间断的收发数据。其次是交换机支持802.1P或802.1Q的标准，使得发到交换机网络的PN的数据帧被优先处理和转发，如图6所示。这一点保证了PN在网络上的快速转发，也是实时性能保证的另一个方面。



图6、交换机802.1Q的工作机制

上面介绍的是PN RT的实时性能从机理上如何保证的。而从量化的角度去分析的话，PN RT完全是靠计算来精确保证每个发送循环所能发送的报文及对RT数据的时间的预留。
对于RT来说，在物理层上传输的最小报文帧来为88个字节，最大报文帧来为1488个字节。其中包括了12个字节的帧间隔，如下图7所示。



图7、RT的报文的长度

百以太网的传输速率 ：
每个字节传输需要的时间：
最小的RT报文帧需要的传输时间 0.08
一个PN控制下带3个最小报文帧（40个字节的C_SDU）的PN设备，PN 控制器的发送循环为250 ，通信建立后在PN接口上抓报分析PN的通信可以分析出PN数据帧对时间调度的情况，如下图8所示。



图8、PN RT的时间调度机制

除了对PROFINET RT和IRT的通信调度的分析外，还对PROFINET的抗干扰性作了大量的研究。在对PROFINET推广的时候，很多用户很关心PROFINET是不是和PRROFIBUS一样，存在抗干扰的性能差的特点。我从理论和实际实验上验证了PROFINET的抗干扰性能优于PROFIBUS的抗干扰性能。PROFINET是基于IEEE 802.3的以太网标准。所以对PROFINET的抗干扰分析实质上是对工业以太网的抗干扰分析。