第8章工業(yè)以太網和PROFINET-2

本章內容概述以太網和IEEE802.3因特網與TCP/IP工業(yè)以太網PROFINET

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.01現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua概述關于IEC61158標準缺陷問題的爭論為什么會想到以太網和TC/PIP？應用廣泛廉價對工業(yè)以太網的看法●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.02現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3以太網的產生起源：上世紀60年代后期到70年代早期，夏威夷大學的NormanAbramson開發(fā)出ALOHA網絡爭用技術，無沖突處理措施70年代中期，Xerox、Intel、Dec在PARC開發(fā)出一種基于ALOHA的LAN網絡CSMA/CDEther的來歷1980年，DIX聯盟第1個版本DIX1.01982年，DIX聯盟第2個版本DIX2.0IEEE802子委員會IEEE802.3的IEEE802.3規(guī)范實際情況●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.03現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3以太網的物理層命名原則信號速率（Mbit/s）帶寬（基帶或寬帶）－長度（米）或電纜類型●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.04現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3以太網的物理層基帶傳輸是指在一條線上只有一個信道，所有的數據傳輸只能使用這個信道，基帶采用MANCHESTER編碼。10BASE5是最早也是最經典的以太網標準1990年發(fā)布的10BASE-T是以太網發(fā)展史上的一個里程碑，它在雙絞線上實現了10Mbit/s的數據傳輸。1992年發(fā)布的10BASE-F系列以太網使用的傳輸介質是光纖。1995年通過了快速以太網標準IEEE802.3u。1998年開始陸續(xù)發(fā)布了吉位（千兆位）以太網1000BASE系列，從2002年開始陸續(xù)發(fā)布了萬兆以太網10GBASE系列。大多數的工業(yè)以太網技術都是基于快速以太網技術而開發(fā)的。控制網絡的應用領域一般都是百兆以太網?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.05現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3以太網的數據鏈路層以太網的數據鏈路層分為媒體訪問控制（MAC）子層和邏輯鏈路控制（LLC）子層。MAC其任務是解決網絡上的所有的節(jié)點共享一個信道所帶來的信道爭用問題；LLC其任務是把要傳輸的數據成幀，并且解決差錯控制和流量控制的問題，從而在不可靠的物理鏈路上實現可靠的數據傳輸。介質訪問方式是CSMA/CD●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.06現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3●工業(yè)以太網和PROFINET3.以太網的數據鏈路層下圖所示為IEEE802.3以太網MAC的幀格式。2007.2V2.07現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3●工業(yè)以太網和PROFINET3.以太網的數據鏈路層IEEE802.3的封裝格式是在RFCl042中定義的,這里的RFC(RequestForComment)是指有關Internet的正式文檔。以太網的MAC幀由7個域組成:前導碼、幀前定界碼、目的地址、源地址、長度、數據域以及循環(huán)冗余校驗CRC。前導碼用來表示數據流的開始,由7字節(jié)組成,每個字節(jié)都是二進制數1和0的交替代碼10101010。它用于通知接收端即將有數據幀到來,使接收端能夠利用Manchester編碼的信號跳變來同步時鐘。接下來的是1字節(jié)的幀前定界碼SFD(StartFrameDelimiter),它用來指示數據幀的開始,該字節(jié)的編碼形式為10101011。

2007.2V2.08現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3●工業(yè)以太網和PROFINET3.以太網的數據鏈路層目標地址和源地址都是由6字節(jié)組成。目標地址的最高位表示該地址是單播地址還是多播地址,如果為0,則表示該目的站點為單播地址;如果為1,則表示多播地址,即目的站點為多個地址的一組站點;如果目的地址的內容全為1,則表示該幀為廣播幀,該幀發(fā)給網絡上的所有站點。地址的次高位,表示該地址是全局地址還是局部地址,該位為0時表示全局地址;為1時表示局部地址。全局地址由IEEE分配,這樣可以保證世界上沒有任何兩個節(jié)點地址是相同的;局部地址可以由網絡管理員自行分配,只要保證網絡內部沒有兩個節(jié)點地址是一樣的就行了。接下來2字節(jié)的內容如果不大于1500,則表示的是它后面的數據區(qū)的長度,這時候數據的類型域位于它的數據域前面;如果不小于1536,這時候PDU的長度是固定的,用來表示類型,說明高層使用的協議,比如是IP協議還是IPX協議。

2007.2V2.09現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3●工業(yè)以太網和PROFINET3.以太網的數據鏈路層數據區(qū)的長度為0~1500字節(jié),但為了沖突檢測的需要,如果數據區(qū)的長度小于46字節(jié),需要在后面加上一段填充段。數據域中真正的數據只有38~1492字節(jié),其余的字節(jié)分別是:IEEE802.2中規(guī)定的目的服務訪問點和源服務訪問點各1字節(jié)，其值均為AAh;Ctrl字段的1字節(jié),值為03h；Qrgcoda字段的3字節(jié),其值均為OOh;另外的2字節(jié)緊貼在真正的數據段之前,用來表示數據域的數據類型。在幀的最后是循環(huán)冗余校驗碼,即4字節(jié)的CRC碼。檢驗的范圍從目的地址域開始到數據域結束。在發(fā)送時,發(fā)送站點邊發(fā)送邊計算得到32位的CRC碼,并把它附在每一幀的后面。接收站點邊接收邊進行CRC校驗,如果發(fā)現錯誤,則丟棄該幀。

2007.2V2.010現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3解決以太網競爭問題和提高服務質量的措施目的以太網技術用到工業(yè)自動化領域必須解決它固有的擁塞、競爭等問題。全雙工以太網（full－duplexEthernet）專用以太網交換機使得全雙工以太網成為可能。專用以太網交換機的使用有效地消除了競爭。連接到交換機的每一個節(jié)點都有它自己的專用網段。UTP中的一對用于傳輸數據，一對用于監(jiān)聽沖突。全雙工節(jié)點可以同時傳輸和接收數據。數據優(yōu)先權（dataprioritization）數據優(yōu)先權涉及到為數據幀分配優(yōu)先級

IEEE開發(fā)了新的數據鏈路層協議－IEEE802.1q是專為以太網而開發(fā)的。802.1q為以太網IEEE802.3提供了數據優(yōu)先級的解決方案。●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.011現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.1以太網和IEEE802.3解決以太網競爭問題和提高服務質量的措施服務質量（QualityofService，QoS）為了解決以太網中的擁塞和競爭問題,除了保證有足夠的帶寬外，還必須保證傳輸延時(即等待時間)是可預測和有保障的,這就是QoS的實質。802.1q為具體的傳輸建立確定的參數（確定性問題），保證傳輸延時（即等待時間）是可預測和有保障的。但為了具備這種功能,IEEE802.3的幀必須改變即在它原有幀的源地址和長度之間插入一個4字節(jié)的IEEE802.1q的頭,如下圖所示。使用IEEE802.1q后解決了優(yōu)先級的問題,但必須考慮由此而帶來的和標準IEEE802.3設備不兼容的問題。●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.012現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IP概述因特網的發(fā)展歷程1969年，最早的因特網——ARPANET；20世紀80年代，因特網——NSFNET；20世紀90年代以后，商業(yè)因特網?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.013現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IP概述TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）實質為了解決網絡互連的問題，人們制定了一系列的協議，其中最重要的協議就是TCP/IP，TCP/IP表示傳輸控制協議/因特網協議。規(guī)范地說，TCP/IP實際上是一個龐大的協議族，它不僅包括網絡層和傳輸層的協議，也包括應用層的一些協議。APRANET的網絡控制協議，它基于以下兩個原則：一是物理網絡不完全可靠高可靠性和高健壯性大大促進了TCP/IP的發(fā)展二是網絡協議不能依賴于特定的硬件或軟件使得TCP/IP可廣泛地應用在各種硬件和軟件平臺上●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.014現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IP概述TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）TCP/IP的基本規(guī)范是由因特網之父VintonG.Cerf和PobertKahn在1974年共同編寫的。1982年，ARPA將TCP/IP定為ARPANET的協議族，同時國防部也宣布其為軍用標準?；ヂ摼W即互聯的網絡集合，特別是使用TCP/IP的網絡集合。而因特網就是連接起來的TCP/IP互聯網。上世紀80年代，UNIX綁定了TCP/IP，NSF也命令組成NSFNET的所有NSF資助的超級計算機中心和計算機網絡都將TCP/IP作為它們的網絡通信協議。所有這一切基本上確定了TCP/IP在網絡通信協議中的事實上標準的地位?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.015現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IPTCP/IP模型TCP/IP早，OSI晚TCP/IP沒有按一種標準去開發(fā)設計，但最終成為公認的標準；OSI是國際標準，但最終使用者很少。TCP/IP只有4層，最下面的網絡接口層實際上不是通常意義上的層，它僅僅是網絡層和底層的接口。TCP/IP協議本身并沒有數據鏈路層和物理層，在實際使用時，它借用其他通信網絡上的數據鏈路層和物理層，TCP/IP協議通過它的網絡接口和其他通信網絡連接起來。正因為如此，TCP/IP才能作為因特網的基礎，在多種局域網（如以太網）、多種廣播網（如公共數據網）中廣泛應用。TCP/IP模型:開始并沒有什么“模型”，為了和OSI進行比較，才畫出了一個模型。●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.016現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IPTCP/IP各層的功能網絡層該層包括網絡接口層和因特網層

把數據包由源節(jié)點送到目的節(jié)點需要解決報文格式定義、路由選擇、阻塞控制和網際互聯等一系列問題。TCP/IP中的網絡層是基于數據報文無連接的,每個數據報文都必須包含目的節(jié)點的地址

其工作原理是,源節(jié)點的傳輸層把要傳輸的數據流分為一個個的數據報文,交給網絡層;網絡層根據一定的算法,為每個數據報文單獨選擇路由;每個數據報文沿所選擇的路由到達目的節(jié)點后,由目的節(jié)點的網絡層拼裝成原始的數據報文,然后上交給目的節(jié)點的傳輸層。

核心和靈魂是因特網協議IP，IP協議不保證服務的可靠性,它不提供任何核查或追蹤功能,不檢查報文的遺失或丟棄,端到端的差錯控制及數據報流的排序等工作都由高層協議負責所以它一般和TCP配合使用（TCP是面向連接的）。●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.017現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IPTCP/IP各層的功能網絡層IP地址在因特網的數據傳輸中起著非常重要的作用,它用來在因特網中標識節(jié)點位置的節(jié)點地址。IPv4的節(jié)點地址由32位二進制數組成,分為4組,每組8位,中間用圓點隔開。因為我們很難讀懂二進制數字,所以IP地址一般采用十進制數表示,如9就是一個IP地址。IP地址由主機標識(HostID)和網絡標識(NetworkID)兩部分組成。IPv4地址又分為5類(A、B、C、D、E),其中A、B、C類有實際應用。在A~C類IP地址中,明確規(guī)定了哪個部分表示網絡ID,哪個部分表示主機ID。為了提高IP地址的使用效率,還可以把一個網絡通過子網掩碼劃分為多個子網?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.018現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IPTCP/IP各層的功能網絡層除IP外,網絡層還包括其他一些重要協議,包括ARKRARP、ICMP和IGMP等,它們均是作為對IP的補充。地址解析協議(ARP)用于在已知IP地址的情況下確定物理地址。反向地址解析協議(RARP)用于在已知物理地址的情況下確定IP地址。因特網控制報文協議(ICMP)主要負責因路由問題而引起的差錯報告和控制,也可用于網際測試。它是封裝在IP數據報中傳輸的,部分彌補了IP在可靠性方面的缺陷。因特網組管理協議(IGMP)用于多目的傳送設備之間的信息交換協議?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.019現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IPTCP/IP各層的功能傳輸層基本目的是為通信雙方的主機提供端到端的服務，即為兩個應用進程提供可靠而且合算的數據傳輸。要具備尋址、建立連接、拆除連接、流控制和緩存、多路復用、崩潰恢復等一系列的功能。傳輸層協議是端口對端口的。所謂的端口是某個應用進程用來存儲數據的部件,是應用進程傳輸服務的入口點。應用進程和與之對應的端口之間的接口是由節(jié)點上的操作系統(tǒng)提供的。應用進程獲取一個端口后,可以用通常的讀寫語句來訪問它。每個端口都有惟一的端口號,該端口號可用于尋址。傳輸控制協議（TCP）

提供的是面向連接的、端到端的可靠的通信協議。TCP速度慢、效率低，但可靠性和安全性高。TCP通常和無連接的IP一起使用。用戶數據包協議UDP

與TCP并行的一個獨立協議，它和IP一樣是無連接的協議，所以它的效率高，但不可靠。每個UDP報文中除了包含用戶發(fā)送的數據外,還有報文的目的端口號和源端口號,從而UDP軟件可以把報文傳送給正確的接收者。UDP適合于在簡單的交互場合使用。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.020現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.2因特網與TCP/IPTCP/IP各層的功能應用層基本目的是為通信雙方的主機提供端到端的服務，即為兩個應用進程它沒有像OSI模型劃分的那么細致和明確,但這也正是它簡單易實現的優(yōu)點之一。應用層有很多協議來滿足不同應用的需要與TCP有關的應用：遠程仿真終端協議(Telnet)、文件傳輸協議(FTP)、簡單郵件傳輸協議(SMTP)、郵件協議(POP)。基于UDP的應用層協議有普通文件傳輸協議(TFTP)、網絡文件系統(tǒng)（NFS）、簡單網絡管理協議（SNMP）、自舉（引導）協議（BOOTP）和域名服務（DNS）?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.021現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.3工業(yè)以太網概述實質：基于以太網技術和TCP/IP技術開發(fā)出來的一種工業(yè)通信網絡為什么還要發(fā)展和使用工業(yè)以太網？關于IEC61158經過十幾年的制定現場總線國際標準的努力,雖不能說失敗,但IEC611581畢竟是一個妥協的產物,多標準的局面就像4~20叫標準信號誕生前測量儀表的信號標準一樣,給今天現場總線技術的推廣和發(fā)展帶來了非常不利的影響。雖然現場總線技術是開放的,其互換性和互操作性都很好，但大多數情況是針對某一種現場總線技術而言的,不同的現場總線技術之間雖說可以通過網關進行互聯互通,但這時設備和裝置之間的互換性和互操作性就基本上喪失了;現場總線的數據吞吐能力也比較低,在底層應用還沒多大問題,但對于一些實時性要求非常高的應用場合,或在企業(yè)網絡的高層實施信息綜合和管理時,現場總線技術的局限性就顯現出來了。所以,功能更強大、技術更普及、標準更統(tǒng)一的工業(yè)網絡成為業(yè)界共同的追求?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.022現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.3工業(yè)以太網概述為什么還要發(fā)展和使用工業(yè)以太網？選擇什么樣的網絡技術？顯然以太網和TCP/IP是首選。以太網技術經過多年的發(fā)展,特別是在因特網中的廣泛應用,使得它的技術更為成熟和完善。以太網和TCP/IP的結合成為IT行業(yè)中事實上的標準,它們得到了廣大產品制造商和用戶的普遍認同。所有這一切使得廣大的用戶了解和掌握了以太網及TCP/IP技術,另一方面支持它們的軟硬件產品也非常豐富,從而使產品的價格低廉、質量優(yōu)良。另外,以太網技術還在飛速發(fā)展,主流以太網已變?yōu)?00Mb/s,1000Mb/s及10Gb/s以太網也已發(fā)布和使用,數據傳輸速度高滿足了實時控制的要求和高層信息化的要求。現在絕大多數企業(yè)的局域網都使用以太網,如果在工業(yè)網絡中也使用以太網技術,則可以使信息集成更為方便和簡單,同時使得電子商務、電子制造的實現也更加方便,最重要的是使得整個工業(yè)控制網絡的結構變得簡單了?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.023現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.3工業(yè)以太網2.需要解決的問題通信的實時性問題以太網是一種非確定性的網絡,它采用CSMA/CD的介質訪問控制方式,其本質上是非實時的,平等競爭的介質訪問方式不能滿足工業(yè)自動化領域的實時性要求。所以非實時性和不確定性是以太網在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用的最大障礙和致命弱點。

對環(huán)境的適應性和可靠性問題以太網是按辦公條件的環(huán)境來設計的,而工業(yè)現場的環(huán)境條件在溫度、濕度、振動、拉伸強度、電磁干擾等方面都比辦公環(huán)境條件惡劣。所以必須對以太網的安裝方式、設備等進行改進,才能適應工業(yè)環(huán)境條件的要求?？偩€供電問題在學習PRORBUS-PA和AS-i時,我們接觸到了總線供電的概念。采用總線供電可以減少網絡電纜,降低安裝的復雜性和費用,使網絡和系統(tǒng)的易維護性得以提高。在環(huán)境惡劣和危險的場合,總線供電更能顯示出其必要性和重要性。目前的以太網還不能滿足總線供電的要求?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.024現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.3工業(yè)以太網2.需要解決的問題本質安全與防爆問題工業(yè)現場存在易燃、易爆和有毒等場合,這時就必須采用一定的防爆技術來保證工業(yè)現場的安全生產。在以太網中,現有的交換機、傳輸介質和現場設備要用到有本質安全要求的工業(yè)現場,還需要在低功耗設計和技術方面采取措施。其他問題以太網要想真正用到工業(yè)現場,還存在不少其他問題,如設備之間的互操作性、網絡的安全性及遠距離傳輸等,這些問題的存在制約著工業(yè)以太網技術的應用進程。另外,現場級的工業(yè)以太網產品的價格問題也是一個重要的因素,它們和現場總線設備相比,到底有多大的優(yōu)勢,也都是要考慮的問題。●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.025現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.3工業(yè)以太網工業(yè)以太網的現狀技術上的改造針對以上以太網在工業(yè)現場使用面臨的問題,現已出現了不少解決方案。如對以太網的數據鏈路層進行改進來實現實時性和確定性的要求,當然對其只是小改進或者變相的改進,而不能改動最基本的CSMA/CD介質訪問方式,不然就改變了以太網的性質;采用能滿足工業(yè)現場要求的連接方式來滿足現場設備的安裝和可靠性要求;至于在以太網上實現總線供電和防爆等技術還在進一步的開發(fā)和研究之中。

大公司增加開發(fā)力度許多大公司都提出了工業(yè)以太網的實現方案,并且也陸續(xù)推出了自己的產品。比較有影響的如FF的高速以太網HSE、Rockwell公司的以太網工業(yè)協議Ethernet/IP、SIEMENS公司的PROFINET、Schneider公司的MODBUS/TCP,以及IDA集團的分布式自動化接口(IDA,InterfaceforDistributedAutomation)等?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.026現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.3工業(yè)以太網工業(yè)以太網的現狀幾種主要的工業(yè)以太網Ethernet/IP

ODVA、CI和IEA三個國際組織在2000年聯合推出的,Rockwell公司是它的主要支持者。基于以太網技術、TCP/IP技術和CIP技術，因此它兼具工業(yè)以太網和CIP網絡的優(yōu)點。HSE2000年3月29日,FF發(fā)布了HSE的技術規(guī)范,即HSEFS1.0版,200012月又發(fā)布了第2版,

HSEFS1.1。HSE采用基于以太網（IEEE802.3）＋TCP/IP＋H1的六層結構?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.027現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINET概述1999年底，PI——PROFINET;2000年底，成為IEC61158-10;2002年，第一個軟件包；基于工業(yè)以太網技術，使用TCP/IP和IT標準，是一種實時以太網技術，同時它無縫地集成現有的現場總線系統(tǒng)，從而使現在對于現場總線技術的投資得到保護。支撐技術多，集成的功能強●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.028現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINET的通信通信模型●工業(yè)以太網和PROFINETPROFINET的物理層采用了快速以太網的物理層,數據鏈路層采用的也是IEEE802.3的標準,但采取了不少改進措施;網絡層和傳輸層采用了IP/TCP/UDP,OSI中的第5層、第6層未用,根據分布式系統(tǒng)中PROFINET控制對象的不同,應用層分為無連接的和有連接的兩種。

2007.2V2.029現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽通信等級不同的應用對象對通信的實時性要求不同,如一些過程參數的設定值、報警上下限設定值等就沒有特別的實時性要求;對實際過程參數采樣值和控制值除進行循環(huán)更新外,還必須滿足一定的實時性(一般要求小于10ms)要求;而對運動控制系統(tǒng)來說,對實時性的要求更高,而且對抖動時間也有要求,這種情況下,必須采用等時同步控制方式才能解決問題?？梢赃M行縮放的模型,對不同的應用采取不同的通信方案。使用TCP/UDP和IP，解決非苛求時間的數據通信，如組態(tài)和參數賦值；使用軟實時（SRT）技術，解決苛求時間的數據通信，如自動化領域的實時數據；使用等時同步實時（IRT）技術，解決對時間要求嚴格同步的數據通信，如運動控制?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.030現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽通信通道模型通信采用的是生產者（Provider）和消費者（Consumer）方式，數據提供者(例如現場的傳感器等)把信號傳送給消費者(例如PLC主站),然后消費者根據控制程序對數據進行處理后,再把輸出數據返送給現場的消費者(比如執(zhí)行器等)

影響數據循環(huán)周期的因素分析，提高響應速度，縮小循環(huán)時間的方法。圖中的ΔT1是數據在提供者處檢測采集和在消費者處進行處理的時間,屬于循環(huán)時間的范圍,但這段時間和通信協議無關;ΔT2是數據通過數據提供者一端的通信堆棧進行編碼和消費者一端通信堆棧進行解碼所需要的時間;ΔT3是數據在介質上傳輸所需時間，對于100Mb/s的以太網，ΔT3可以忽略不計。由此可以看出,解決工業(yè)以太網實時性的關鍵技術就是減少數據通過通信堆棧所占用時間的問題。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.031現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽通信通道模型通信通道模型及其實質TCP/IP或UDP/IP都不能滿足過程數據循環(huán)更新時小于10ms的要求,對以太網中影響實時性和確定性的因素也必須改進才能滿足工業(yè)自動化領域的要求。標準的IT應用層協議可用予PROFINET和MES、ERP等高層網絡的數據交換,開放的標準TCP/UDP/IP通道可用于設備的參數化、診斷數據讀取等。實時通道SRT用予高性能的數據通信,如循環(huán)數據傳輸和事件控制信號等。等時同步實時通道IRT用于抖動時間小于1μs的等時模式。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.032現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽實時通信機理通過軟件的方法來完成實時通道的功能去除一些協議層，減少文本長度；提高通信雙方傳輸數據的確定性，把數據傳輸準備就緒的時間減至最??；（EtherType和FrameID）采用IEEE802.1q標準，增加對數據流傳輸優(yōu)先級處理環(huán)節(jié)。（VLANTag）PEOFINET把實現RT功能的VLAN標志嵌入到了以太網的幀結構中，VLAN由4字節(jié)組成,其中有表示優(yōu)先級的3位。在RT幀中有兩個最重要的協議元素,一個是以太網類型(EtherType),PROFINET使用以太網類型的Ox8892表示該幀是RT幀,該類型是由IEEE指定的區(qū)別于其他協議的惟一標準;另外一個是幀ID碼(FrameID),它用來編址兩個設備間的特殊的通信通道。僅使用FrameID就可以快速選擇和識別RT幀而不需要任何多余的幀頭標志。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.033現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽等時同步實時改進快速以太網的層2協議，使用IEEE1588的PTP（精確時間協議）實現同步。在IRT中的循環(huán)周期中,時間被分成兩部分,即時間確定的等時通信部分和開放性的標準通信部分。對時間要求苛刻的實時數據在時間確定性通道中傳輸,而對時間要求不高的數據(如TCP/IP報文)在開放性通道中傳輸。IRT通道就像專門留給實時數據的專用高速公路,即使它再空閑,別人也不能使用。

等時同步數據傳輸的實現基于硬件，具備此功能的ASIC具有用于實時數據的循環(huán)同步和數據間隔控制功能?；谟布膶崿F方案能夠獲得極高的順序精度控制要求,同時也釋放了承擔PROFINET識別通信任務的CPU的負擔。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.034現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETIO概述相當于PROFIBUS-DP；只不過把過去設備上的PRORBUS-DP接口更換成PROFINET接口就行了。帶PROFINET接口的智能化設備可以直接連接到網絡中,而簡單的設備和傳感器可以集中連接到遠程I/O模塊上,通過I/O模塊連接到網絡中。PROFINETIO可以做到:容納范圍廣。從小的設備、裝置、子系統(tǒng)到復雜的網絡系統(tǒng)都可以連接到PROFINET中;提供強大的實時循環(huán)通信功能;快速傳輸消息;提供層次清晰的診斷信息;快速檢測和修正臨時或永久性的錯誤;驅動時間短；容易安裝;能夠抵御極端的環(huán)境條件。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.035現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的組成IO控制器一般由PLC來擔任IO控制器,系統(tǒng)運行時,自動循環(huán)執(zhí)行寫在PLC中的用戶控制程序。IO控制器相當于PROFIBUS-DP中的主站。

IO監(jiān)視器用戶可以使用IO監(jiān)視器進行組態(tài)、編程,然后把它們下載到IO控制器中。IO監(jiān)視器也可以用來對系統(tǒng)進行診斷、分析,相當于PROFIBUS-DP中的中的2類主站。

IO設備是分散于控制現場的各種裝置、設備或子系統(tǒng),相當于PROFIBUS-DP中的從站。三種設備的通信關系●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.036現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的工作過程設備模型由模塊、槽和通道組成；所有的通道都可以被認為是一個整體單元由一個控制器控制;每一個通道也可以單獨操作,由不同的控制器控制。

GSD文件：用XML編寫ID號：16位制造商標識符、16位設備標識符工作過程●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.037現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的工作過程通信關系（CR）和應用關系（AR）在系統(tǒng)啟動時,控制器使用一個連接幀來'建立控制器和IO設備之間的AR,在建立AR時,控制器完成了以下工作:

PROFINET中的數據交換是通過各種通信關系CR實現通信關系的建立在應用關系建立后完成初始化工作：建立控制器和IO設備之間的AR把有關AR的參數傳遞給IO設備；建立起各種CR，并把CR的參數傳遞給IO設備；設備模型的匹配；建立起報警CR，并把其CR的參數傳遞給IO設備。靠交換幾組報文來完成的

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.038現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的工作過程在PROFINET中,可以有多個AR,但至少必須有兩個AR,即控制器和IO設備之間的AR,以及監(jiān)視器和IO之間的AR。每個AR中可以有多個CR,CR的多少由FrameID和EtherType決定。

三種基本的CR非循環(huán)CRs：它是最先建立起來的CR，它用來傳遞組態(tài)數據、啟動參數、診斷數據等對時間要求不苛刻的數據。I/OCRs：它用來在控制器和IO設備之間循環(huán)交換實時I/O數據。報警CR：它用來傳遞報警信息，是非循環(huán)的。初始化工作完成后,整個系統(tǒng)就進入到了正常工作階段。初始化工作完成后,整個系統(tǒng)就進入到了正常工作階段。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.039現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETCBA概述基于組件的自動化CBA（Component-BasedAutomation）技術是一種實現分布式（Distributed）裝置、機器模塊、局部總線等設備級智能模塊自動化應用的概念。實質：

CBA的控制對象是一個整體的裝置、智能機器或系統(tǒng)，它的I/O之間的數據交換在它們內部完成，這些智能化的大型模塊之間通過標準的接口相連，進而組成大型系統(tǒng)。產生原因：在工業(yè)生產過程中存在著許多功能相同的裝置或工藝過程相似的環(huán)節(jié)，自動化領域的發(fā)展已進入到了創(chuàng)建模塊化裝置和機器的階段。舉例●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.040現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETCBA概述好處大大減少了設計工作量；組件之間只需少量的接口完成級聯；每個模塊都具有高度的自治性，從測試到診斷都無需對整個系統(tǒng)進行操作；單個的組件調試可提前進行，從而使系統(tǒng)總體調試簡單化；系統(tǒng)維護變得容易?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.041現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETCBA工藝技術模塊和組件模塊定義：生產實際中，每個獨立的環(huán)節(jié)在組成上都有相似的地方，那就是它們都是由機械、電氣/電子設備和控制邏輯（軟件）來實現其功能的。由這些要素構成的整體單元就是工藝技術模塊（technologymodule）。組成：一個工藝技術模塊代表的是一個專用的組件，它包括機械的、必需的電控裝置和相關的軟件。劃分原則必須周密地考慮在不同使用設備中的可復用性、成本和實用性。不能過小、過細；也不能過大、過粗。

●工業(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.042現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETCBA工藝技術模塊和組件模塊舉例從用戶的角度出發(fā),工藝技術模塊必須具有可操作的功能,即通過接口從外部對其進行操縱。所以PROFINET組件就是用戶可從外部操作的工藝技術模塊,也就是具備外部接口的工藝技術模塊。下圖所示就是PROFINET組件表示填充工藝技術模塊的例子。每個組件有一個接口,它包含多個能與其他組件進行交換或用其他組件激活的變量,PROFINET組件接口是按照IEC61499來規(guī)定的?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.043現場總線技術及應用教程CopyrightbyWangYonghua8.4PROFINETPROFINETCBA現場設備的結構定義：現場設備是組件的另外一種稱謂，在最簡單的情況下，CBA就是現場設備。但是，也可以把多個現場設備組合成一個組件?，F場設備的組成：下圖為現場設備的結構示意?！窆I(yè)以太網和PROFINET2007.2V2.044現場總線技術及應用教程