實(shí)時(shí)通信在工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現場(chǎng)級通信的中的應用

1、TCP/IP標準通信

PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP 是IT 領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標準，盡管其響應時(shí)間大概在100 ms的量級，不過(guò)對于工廠(chǎng)控制級的應用來(lái)說(shuō)，這個(gè)響應時(shí)間已經(jīng)足夠了。

2、實(shí)時(shí)（RT）通信

對于傳感器和執行器設備之間的數據交換，系統對響應時(shí)間的要求更為嚴格，因此，PROFINET提供了一個(gè)優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層（Layer 2）的實(shí)時(shí)通信通道，通過(guò)該實(shí)時(shí)通道可極大地減少數據在通信棧中的處理時(shí)間。PROFINET實(shí)時(shí)通信的典型響應時(shí)間是5～10ms網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)也包含在網(wǎng)絡(luò )的同步過(guò)程之中，即交換機。同步的交換機在PROFINET概念中占有十分重要的位置。在傳統的交換機中，要傳遞的信息必定在交換機中延遲一段時(shí)間，直到交換機翻譯出信息的目的地址并轉發(fā)該信息為止。這種基于地址的信息轉發(fā)機制會(huì )對數據的傳送時(shí)間產(chǎn)生不利的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PROFINET在實(shí)時(shí)通道中使用一種優(yōu)化的機制來(lái)實(shí)現信息的轉發(fā)。

3、等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）通信

現場(chǎng)級通信對通信實(shí)時(shí)性要求最高的是運動(dòng)控制，PROFINET的等時(shí)同步實(shí)時(shí)技術(shù)可以滿(mǎn)足運動(dòng)控制的高速通信需求，在100個(gè)節點(diǎn)下，其響應時(shí)間要小于1ms，抖動(dòng)誤差要小于1ms，以此來(lái)保證及時(shí)的、確定的響應。

保障同步實(shí)時(shí)

對于PROFINET ，為了保證高質(zhì)量的等時(shí)通信，所有的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)必須很好地實(shí)現同步，這樣才能保證數據在精確相等的時(shí)間間隔內被傳輸，網(wǎng)絡(luò )上的所有站點(diǎn)必須通過(guò)精確的時(shí)鐘同步以實(shí)現同步實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。例如：通過(guò)規律的同步數據實(shí)現通信循環(huán)的同步，其精度可以達到微秒級。這個(gè)同步過(guò)程可以精確記錄其所控制的系統的所有時(shí)間參數，因此能夠在每個(gè)循環(huán)的開(kāi)始實(shí)現非常精確的時(shí)間同步。這么高的同步水平單純靠軟件是無(wú)法實(shí)現的，想要獲得這么高精度的同步實(shí)時(shí)，必須依靠網(wǎng)絡(luò )第二層中硬件的支持，即西門(mén)子IRT等時(shí)實(shí)時(shí)ASIC芯片。

每個(gè)通信周期被分成兩個(gè)不同的部分，一個(gè)是循環(huán)的、確定的部分，被稱(chēng)之為“實(shí)時(shí)通道”；另外一個(gè)是標準通道，標準的TCP/IP數據通過(guò)這個(gè)通道傳輸。

實(shí)時(shí)通道為實(shí)時(shí)數據預留了固定循環(huán)間隔的時(shí)間窗，而實(shí)時(shí)數據總是按固定的次序插入，因此，實(shí)時(shí)數據就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時(shí)間用來(lái)傳遞標準的TCP/IP數據。這樣，兩種不同類(lèi)型的數據就可以同時(shí)在PROFINET上傳遞，而且不會(huì )互相干擾，實(shí)現了PROFINET技術(shù)對以太網(wǎng)技術(shù)的兼容?；谄胀ㄒ蕴W(wǎng)技術(shù)的各種網(wǎng)絡(luò )服務(wù)功能，如SNMP、HTML等，也同樣可以在PROFINET上運行。用戶(hù)在獲得高性能實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )的同時(shí)，還可以享受以太網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)帶來(lái)的便利。

                                          圖3  循環(huán)周期分為實(shí)時(shí)通道和開(kāi)放通道

由于實(shí)時(shí)數據在確定的時(shí)刻以確定的順序發(fā)送，因此，在交換機中建立一個(gè)時(shí)間表格，通過(guò)該時(shí)間表格，交換機就可以知道在什么時(shí)間來(lái)傳送實(shí)時(shí)信息，信息的轉發(fā)幾乎沒(méi)有延時(shí)。如果有發(fā)生沖突的危險，標準的TCP/IP信息就暫時(shí)保存在交換機中，在下一個(gè)開(kāi)放通信周期再發(fā)送。這種機制很好地保證了系統響應時(shí)間。例如：使用PROFINET構建的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )可以在1ms的時(shí)間周期內實(shí)現對100多個(gè)軸的控制，其抖動(dòng)誤差小于1ms，可以很好地滿(mǎn)足運動(dòng)控制對通信實(shí)時(shí)性的要求。

開(kāi)放的協(xié)議走向未來(lái)

作為國際標準IEC61158的重要組成部分，PROFINET是完全開(kāi)放的協(xié)議，而且PROFINET和標準以太網(wǎng)完全兼容，集成IRT功能的交換機和一個(gè)普通交換機在平時(shí)工作起來(lái)是完全一樣的，也就是說(shuō)，IRT交換機可以和普通交換機一樣使用，即使在使用實(shí)時(shí)通道時(shí)，它同樣可以在它的開(kāi)放通道使用其他標準功能，所以，根據環(huán)境的需求，自動(dòng)化組件之間可以通過(guò)相同網(wǎng)絡(luò )、相同的連接建立不同的通信鏈路，為用戶(hù)的使用提供了極大的方便。

PROFINET基于以太網(wǎng)，使用TCP/IP和IT標準，是實(shí)時(shí)的自動(dòng)化通信技術(shù)，能夠與現有現場(chǎng)總線(xiàn)系統PROFIBUS等無(wú)縫地集成，能連接更多的站點(diǎn)，可用于運動(dòng)控制應用中，使用工業(yè)局域網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，且便于擴大規模和擴大新的應用領(lǐng)域?？傊?，PROFINET是基于以太網(wǎng)的完整解決方案。PROFIBUS國際組織主席Edgar Kuster先生認為這一技術(shù)將在市場(chǎng)上保持至少15年的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。