本文包括如下幾個主題：工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET技術；PROFINET通信等級；PROFINET實現(xiàn)不同通信等級的方法。
1、工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET技術
工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動化環(huán)境中、符合IEEE 802.3標準的以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用IEEE 802.1D(媒體訪問控制網(wǎng)橋)規(guī)范和IEEE 802.1Q(局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋)規(guī)范，通過使用全雙工通信技術、優(yōu)先響應技術、流量控制技術及虛擬局域網(wǎng)技術，可以將其實時響應時間做到5-10ms左右。工業(yè)以太網(wǎng)和商業(yè)以太網(wǎng)是兼容的。
PROFINET技術是國際組織PI推出的一種總線技術，它基于工業(yè)以太網(wǎng)技術、TCP/IP技術和IT技術，是一種實時以太網(wǎng)技術。2000年年底，PROFINET作為第10種現(xiàn)場總線列入了IEC61158標準中。PROFINET技術包括PROFINET IO和PROFINET CBA兩部分，它們基于不同的通信模型。
① PROFINET IO
PROFINET IO用來完成工業(yè)自動化中分布式系統(tǒng)的控制，主要包括如下三種角色：IO控制器、IO設備和IO監(jiān)視器；
◆IO控制器(IO Controller)
PROFINET IO系統(tǒng)的主站，執(zhí)行各種控制任務，包括：執(zhí)行用戶程序、與IO設備進行數(shù)據(jù)交換、處理各種通信請求等；
◆IO設備(IO Device)
PROFINET IO系統(tǒng)的從站，由分布于現(xiàn)場的、用于獲取信號的模塊、傳感器及執(zhí)行器組成；
◆IO監(jiān)視器(IO Supervisor)
IO監(jiān)視器用來組態(tài)、編程，并將相關的數(shù)據(jù)下載到IO控制器中，還可以對系統(tǒng)進行診斷和監(jiān)控。最常見的IO監(jiān)視器是用戶的編程電腦。
② PROFINET CBA
PROFINET CBA(Component-Based Automation)是基于組件的自動化，它適用于設備/系統(tǒng)之間的通信。如果說PROFINET IO是控制器與現(xiàn)場設備的IO數(shù)據(jù)交換，那么PROFINET CBA則提供了多個IO系統(tǒng)之間的標準接口，可以組成更大的系統(tǒng)。
2、PROFINET的通信等級
在工業(yè)自動化控制中，不同的控制對象其實時性要求也不同。比如過程參數(shù)的設置、設備的診斷等一般沒有實時性要求，但是對于分布式傳感器數(shù)據(jù)的交換就要滿足一定的實時性要求；而對于運動控制，其實時性要求就更高。
基于不同控制對象的實時性要求的不同，PROFINET分成三種不同的通信等級：
①基于TCP/UDP和IP技術的非實時性通信，可以用于組態(tài)、參數(shù)設置、診斷等非實時性要求的場合；
②實時通信(Real Time Communication，RT)，適合周期性數(shù)據(jù)交換的場合。比如PROFINET IO控制器和IO設備之間，不僅要完成數(shù)據(jù)的周期性交換，還必須保證一定的實時性。這里的實時性，一般要求循環(huán)周期小于10ms；PROFINET的實時通信采用的是軟實時技術，不需要特殊的硬件支持；
③等時同步通信(Isochronous Real Time Communication，IRT)。對于時間要求嚴格同步的通信，比如運動控制，實時通信(RT)的10ms數(shù)據(jù)交換周期不能滿足要求，這種情況下要采用等時同步通信。該通信模式下，數(shù)據(jù)的循環(huán)刷新時間小于1ms，循環(huán)掃描周期的抖動時間不大于1us(微秒)；等時同步通信需要特殊的硬件支持；
PROFINET基于標準以太網(wǎng)通信，對于不同的通信等級采用不同的技術方案，非常巧妙的解決了在同一個系統(tǒng)中實現(xiàn)不同通信等級要求的問題。PROFINET IO使用了UDP/IP、RT和IRT技術；而PROFINET CBA則使用TCP/IP技術和RT技術。
3、PROFINET實現(xiàn)不同通信等級的方法
PROFINET中的通信采用的是生產(chǎn)者和消費者的方式。生產(chǎn)者(現(xiàn)場傳感器)把數(shù)據(jù)傳送給消費者(比如PLC)，消費者對數(shù)據(jù)進行處理，然后再把處理后的數(shù)據(jù)返回給消費者。數(shù)據(jù)在傳遞的過程中，大部分的時間消耗在通過通信棧上，也就是以太網(wǎng)模型的層層打包和拆包的過程。因此，要提高數(shù)據(jù)的實時性，就要對協(xié)議棧進行改造。
PROFINET的實時通信，拋棄了TCP/IP或UDP/IP部分，使幀的長度大大縮短，通信棧需要的時間也縮短了。采用IEEE 802.3優(yōu)化的第2層協(xié)議，由硬件和軟件實現(xiàn)自己的協(xié)議棧，從而實現(xiàn)了不同實時性等級的要求。由于沒有使用第3層(IP)協(xié)議，所以失去了路由功能。但借助MAC地址，PROFINET實時通道保證了不同站點之間能夠在確定的時間間隔內完成對時間間隔要求苛刻的傳輸任務。
非實時通信和實時通信的模型如下圖所示：
回到本文開始的問題“PROFINET分布式IO設備和IO控制器之間采用的是實時通信(RT)還是等時同步通信(IRT)呢？”其實，這兩種方式在CPU組態(tài)時都存在的，并且不能更改。在同一個系統(tǒng)中可能三種通信等級：UDP/IP、RT和IRT都會用到。
好了，關于PROFINET通信等級的話題就先聊到這里。
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