如何改善工业网络通信——PROFINET@TSN

摘要

通过部署先进的以太网技术以及与TSN技术的无缝集成，可以帮助制造企业增强工业设备的网络通信能力。

将工业通信接口集成到自动化设备中，首先要收集信息以确定工业网络的功能以及熟悉手头的任务。如果不需要每次都重新开始，则新设备的开发速度会更快。

根据所需的功能（一致性等级），必须为每个案例选择合适的实施类型。可用的开发能力、公司专业知识、生成接口的预期成本以及上市时间，也发挥着重要作用。

有各种入门套件和评估方式可用于大多数实施案例。这些集合可以快速介绍开发活动，并且通常还包含完整的开发环境。示例程序、电路以及框图特别有用。开发包还包括相关供应商的可认证PROFINET堆栈和详细文档。

硬件和软件设计所需的行动计划和支出，在很大程度上取决于所选择的实施方法。此时，设备制造商可以独立地进行开发工作，也可以与开发或技术合作伙伴协同工作。独立开发需要良好的PROFINET专业知识，拥有自己的硬件和软件开发资源。

为了减轻自动化设备制造商在开发资源方面的压力，PI组织为其成员公司提供完整的开发包、可以随时安装的PROFINET通信模块以及一系列开发服务。这一切都为设备制造商提供了从设计阶段到硬件和软件开发再到认证所需的支持。

实时要求

IEEE802.3 以太网标准旨在确保PROFINET自动化设备之间， 以及PROFINET自动化设备和其它标准以太网设备之间的无故障通信。对于实施要求比较严格的应用，PROFINET提供的机制使标准和实时通信能够并行共存。可以使用三个相互构建的性能级别来扩展与PROFINET的通信：

1

工程数据和非时间关键数据的传输，通过传输控制协议/ 网际协议（TCP/IP）进行。所有自动化设备之间都可以进行标准通信。

2

实时（RT）通道可用于传输过程数据。

3

对于运动控制等同步应用，使用等时同步实时（IRT）通信。这使时钟速率<1ms且抖动<1μs。

等时同步实时功能基于设备中的硬件支持，这意味着必须使用特定的专用集成电路（ASIC）、微控制器和现场可编程门阵列（FPGA）。没有等时同步实时硬件支持的商用交换机专用集成电路仅适用于实现具有实时功能的自动化设备。可以基于标准以太网组件和PROFINET软件堆栈开发具有实时通信功能的设备。

一致性等级

为了满足自动化系统的不同要求， 为PROFINET定义了三个相互依赖的一致性等级（Conformance Classes，简称CC）。每个类的功能范围，由典型应用领域确定。在为PROFINET设备接口选择实施选项之前，设备制造商必须考虑所需的一致性等级，因为接口实现的类型会影响可以实现的一致性等级。三个一致性等级的关键功能及其优点如下所述：

CC-A：使用现有以太网网络的基础设施，包括基本PROFINET功能的集成。可以不受限制地使用所有信息技术服务。典型应用案例可以在楼宇自动化和过程自动化应用中找到。

CC-B：该等级的功能范围包括CC-A的功能，并且设备更换简单易行，无需特殊的工程工具。简单网络管理协议（SNMP）支持网络功能的扩展设备诊断，例如端口状态消息。为了提高数据可靠性，可以选择性能适应的介质冗余协议。可以不受限制地使用所有IT 服务。典型应用可以在具有更高级机器控制的自动化系统中找到，其具有确定性但非同步的数据循环。绝大多数PROFINET设备都属于这一类。

CC-C：该等级的功能范围包括CC-B的所有功能，还支持高精度和确定性数据传输，包括等时应用。如果发生故障，集成的可选介质冗余可以平滑切换I/O 数据流量。可以不受限制地使用所有IT 服务。典型应用是运动控制领域。

一旦设备制造商决定了在产品上需要实现哪些PROFINET功能，下一个问题就是如何实现这些功能。有三种选择：

◆ 将专用集成电路布置在印刷电路板上以处理PROFINET通信。

◆ 将模块插入设备PCB 上的插槽中。与专用集成电路不同，模块可以通过物理电缆连接器、磁性元件、物理层（用于OSI 模型的物理层电路）、集成的以太网交换机以及处理PROFINET堆栈的芯片来满足网络需求。有一系列背板连接可用——从双端口存储器到SPI 到紧凑型闪存卡接口。

◆ 购买软件堆栈并在应用程序处理器上实现。软件堆栈是最常见的PROFINET实现方式之一，这是批量实现协议的最具成本效益的方式，同时这也是实施PROFINET 最复杂的一种方式。堆栈涉及许多外围软件，如操作系统、IP堆栈、非易失性RAM 等。

TSN和PROFINET



TSN 服务无缝集成到PROFINET架构中。它们位于ISO/OSI模型的第2 层，维护现有的上层PROFINET 功能。图片来源：PI 组织

时间敏感网络（TSN）是一种很有前途的技术，为PROFINET提供了很多潜力。TSN旨在将广泛的IT网络与自动化网络的稳健性和确定性相结合。简而言之：通过标准IT网络实现硬实时。这并不意味着是对PROFINET的革命。相反，它代表了PROFINET正在构建的一个更有远见的架构。

TSN为PROFINET提供ISO/OSI模型中的新第2层。它对应当今的实时和等时同步实时技术。这表明TSN在未来几年内不会取代实时或等时同步实时。这是一个附加选项，具有许多潜在的好处。现在提供实时和等时同步实时解决方案的制造商，未来仍然可以继续提供它们。使用实时或等时同步实时来运营系统的用户，可以确信他们使用的技术具有可持续性。

TSN提供了使用标准芯片组实现这一目标的可能性，因为TSN基于开放标准，并得到许多半导体供应商的支持。关于PROFINET的所有其它内容均保持不变，尤其是诊断、配置、报警等服务。这使用户和设备制造商在将来可以轻松使用TSN。他们可以在现有知识的基础上继续使用他们开发的应用程序。