PROFINET协议类别

PROFINET标准由PROFIBUS和PROFINET国际（PI）组织维护。PROFINET是标准以太网，但是，由于基本以太网无法保证工业自动化系统所需的实时行为，因此采用了一些额外的限制。

这些额外的限制会影响组件选择和网络安装规则，PROFINET利用 TCP/IP协议实现某些功能，但是，它有自己的通道直接嵌入以太网帧中，用于实时通信。

PROFINET由三个主要类别组成：PROFINET CBA、PROFINET IO、PROFINET IRT，以及即将推出的新的第四个标准，称为PROFINET TSN。
PROFINET CBA（基于组件的自动化）
PROFINET CBA基于标准的DCOM（分布式组件对象模型）和RPC（远程过程调用）技术构建，提供从操作网络到控制器和ERP系统的集成系统。PROFINET CBA将网络视为由“技术组件”组成，这些组件充当孤岛，并独立协调其活动以形成一个集成系统。



对于这样的系统来说，DCOM是一项伟大的技术，因为它是一种面向对象的机制，它构建了客户端（数据请求者）如何识别、请求和传输数据源的数据。CBA使用比任何其他常见工业以太网更多的标准信息技术概念和软件，在运行时，CBA使用TCP/IP、COM、DCOM和RPC。

通过使用代理设备，CBA可以扩展到PROFIBUS、AS-i和许多其他协议。

PROFINET CBA连接编辑器用于执行网络的系统特定工程。通过图形界面，用户可以在CBA网络上的设备之间分配角色和关系。

设备功能在XML文件中捕获，以便导入到连接编辑器中。配置完成后，连接编辑器会自动将连接配置信息上传到每个CBA设备。

每个设备下载的连接配置信息描述：

●要建立的TCP/IP连接

●需要远程过程调用

●触发的DCOM接口以及触发时的DCOM接口

PROFINET CBA通过完全集成标准信息技术功能和原则，将自己与竞争协议（Modbus TCP、EtherNet/IP等）区分开来。这使得将PROFINET CBA集成到企业网络技术（如ERP和MES类型系统）中变得更加容易。

PROFINET CBA标准不再受支持，并且在实践中很少使用。
PROFINET IO
PROFINET IO是世界上最常用的工业以太网网络技术之一。

与前面讲到的PROFINET CBA不同，PROFINET IO专注于PLC数据交换，与PROFIBUS的目的和通信能力非常相似。

但是，不应将PROFINET IO与PROFIBUS混淆，因为这两种协议在结构和设计上有很大的不同。PROFIBUS使用请求/响应通信方法，通常通过RS-485。而PROFINETIO通过以太网基础设施在控制器和设备之间使用循环数据传输（非常类似于发布/订阅类型关系）。在PROFIBUS和PROFINET IO中，PLC必须在所有网络组件之间的数据结构中具有用户定义的预先配置。



PROFINET IO使用两个独立的基于以太网的通信通道在PLC和I/O设备之间传输数据：

●标准TCP/IP – 用于参数化、配置和非循环操作。

●实时（RT） – 用于传输标准循环数据传输和警报。RT通信绕过标准TCP/IP协议。

PROFINET IO系统的优势：

●由于绕过TCP/IP堆栈，实时性能允许高速操作

●与PROFIBUS的配置和互操作类似，可以简化迁移和学习

●快速启动

●能够实施的大量诊断和配置信息

●最小化调试时间

●有据可查且得到国际支持的协议

●作为开发周期的一部分，所有PROFINETIO设备都必须经过实验室认证，从而确保性能和可靠性的一致性

PROFINET IO网络中的组件：

● PROFINET IO监控器 – 用于PROFINET网络调试、监控、诊断和配置的计算机和备用人机界面（类似于PROFIBUS中的2类主站）

● PROFINET IO控制器 – 控制通信并执行程序以创建自动化过程的设备，通常称为PLC（类似于PROFIBUS中的1类主站）

● PROFINET IO设备 – 自动化网络中任何有用的PROFINET电缆设备，例如：传感器、执行器和分布式I/O（PROFIBUS中的从设备）

● PROFINET交换机 – 交换设备设计用于连接多个PROFINET组件并控制数据流。交换机还可以集成用于诊断、安全性、冗余和网络拓扑配置的有用功能。

PROFINET IO网络的配置是在PROFINET IO控制器或备用 PROFINET IO监控器工具随附的配置软件中完成的。设置PROFINET IO网络需要以下步骤：

1、使用以下方法对每个I/O设备和I/O控制器进行单独编程：

（1）同一网络上的设备之间具有通用网络ID的每个设备的唯一IP地址。

（2）每个设备的唯一PROFINET名称（PROFINET名称应对设备的功能、类别或位置进行描述）。

2、使用控制器自动化程序中所需的每个I/O设备的以下参数对I/O控制器进行编程

（1）GSDML文件 – GSDML文件是每个I/O设备附带的基于XML的描述性文件，用于向控制器描述设备的功能、配置参数、I/O结构和诊断能力

（2）I/O设备的IP地址

（3）I/O设备的设备名称

（4）设备的I/O配置/模块化构建。此时指定了所有I/O模块（硬件/软件模块），它定义了要共享的循环I/O通道数据
PROFINET IRT（同步实时）
传统的基于以太网的系统集成了一种称为CSMA-CD（载波侦听多址 - 碰撞检测）的技术。这允许一根公共电缆在网络上的多个节点之间传输数据，并且它们单独负责检测和在碰撞事件时重新传输。这在大多数情况下都非常有效，并且周期时间低至1ms，相关抖动约为10至100μs。PROFINET一致性A类和B类设备（PROFINET IO）采用此技术。


在需要更快的周期时间和更低的抖动以实现更确定的行为的特殊情况下，可以实施PROFINET IRT。IRT在一致性C类设备中使用定制ASIC，这些ASIC具有定制的MAC层扩展，允许IRT网络内的所有交换机仅为IRT通信提供专用时隙。此时隙称为TDMA（时分多址），在此之后，标准通信信道允许使用CSMA-CD。
PROFINET IRT系统的优势：

●非常“确定性”的行为，电报是按计划发送和接收的，并且具有一致的延迟

●比标准RT通道更快的循环时间，可实现低至31.25μs的循环时间

●为需要提高性能的多轴运动控制系统提供技术解决方案

要实施PROFINET IRT系统，应考虑以下几点：

● IRT网络中的每个组件（包括设备、控制器、交换机）都必须符合PROFINET规定的一致性等级C

●应在控制器内配置IRT同步域（IRT操作的带宽分配）

●在IRT控制器中配置拓扑，这使其能够优化传输计划

● PI（PROFINETInternational）制定了深入的安装指南，在IRT网络的设计阶段应研究并遵守该指南
PROFINET TSN（时间敏感网络）
TSN是PROFINET的最新标准，希望能取代标准的PROFINET IRT。


TSN是指一组IEEE 802标准，默认情况下使以太网具有确定性。TSN是一项即将推出的新技术，位于ISO/OSI模型的第2层。它添加了定义以保证以太网的确定性和吞吐量。以下是构成TSN的一些IEEE标准：
● Enhanced synchronization behavior (IEEE802.1AS)

● Suspending (preemption) of long frames (IEEE802.1-2018)

● Enhancements for scheduled traffic (IEEE802.1Q-2018)

● Path control and bandwidth reservation (IEEE802.1Q-2018)

● Seamless redundancy (IEEE 802.1CB)

● Stream reservation (IEEE 802.1Q-2018)

TSN源于行业对音频/视频交付的使用以及对更多设备和同步通信的需求。网络上的设备比以往任何时候都多，共享和分析的信息也更多。因此，以太网的性能必须更佳是合乎情理的。

TSN上的PROFINET具有融合、可扩展性和灵活性方面的优势。此外，用户将继续访问所有现有的PROFINET功能和配置文件。TSN应用标准化流量整形工具，以确保在必要时实现低延迟和确定性数据交换。

现有的非TSN PROFINET设备可以与新的基于TSN的PROFINET V2.4硬件配合使用，尽管它们可能不会从TSN中受益。底层TSN机制提高了稳健性，可保护实时关键数据免受尽力而为流量的影响。考虑到对数据量不断增长的需求（在未来的工业4.0场景中，这些数据必须与时间关键数据同时通过网络传输），保护实时关键数据是一项基本功能。

TSN专为控制器到设备通信而设计。它可以处理多达1024个设备，并实现31.25μs的循环时间。OPC UA也可以使用当前和未来的TSN标准。然而，PI致力于将OPC UA应用于控制器到控制器或控制器/设备到云的通信。右图说明了PROFINET TSN与基于IP的协议（如OPC UA）互补和协调相互作用的一个例子。在过程自动化、工厂自动化和运动控制中，PLC、远程传感器、远程I/O、运动控制器和驱动器以及计算机化数值控制器都使用PROFINET TSN。

TSN是IEEE指定的一组机制，用于提高以太网的确定性。PROFINET 使用了这些TSN修订：

● Time Synchronization 802.1 AS

● Enhancements for Scheduled Traffic 802.1 Qbv

● Frame Preemption 802.1 Qbu

● Interspersing Express Traffic 802.3 br

● Frame Replication and Elimination forReliability 802.1 CB

● Stationary and Media Access ControlConnectivity Discovery 802.1 AB

TSN具有给定服务质量的帧流，可从单一来源及时交付，通过网络遵循专用路由到达一个或多个目的地。基于流的传输的传输延迟必须受到限制。由来回传输组成的通信关系由两个单独的流设置。

大量常用的工业自动化设备。一组使用TSN标准传输时间敏感流的站点（终端站或网桥）、其端口和连接的单个LAN。将这些设备分组是一项管理决定。不支持TSN标准的设备不能成为TSN域的一部分。但是，非TSN设备的流量可以通过TSN域。

TSN域的配置将遵循即插即用概念，并将使用熟悉的PROFINET工程工具。TSN域特性（流路径、VLAN等）由网络管理引擎（NME）设置并持续维护。NME将成为支持TSN的PROFINET控制器的一部分。它将负责拓扑获取、路径规划和网络配置。首先，用户在工程工具中设置特定的基于策略的网络配置。然后，NME使用这些规则来创建和持续塑造TSN域。

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