工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET性能優(yōu)化及認(rèn)證測(cè)試

（機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100055）

0 引言

工業(yè)通信是現(xiàn)代自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，在制造和生產(chǎn)過(guò)程中用于控制和監(jiān)視機(jī)器與系統(tǒng)，連接生產(chǎn)島、集成鄰近的任務(wù)（邏輯、質(zhì)保與系統(tǒng)維護(hù)）。工業(yè)通信技術(shù)主要包括現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無(wú)線技術(shù)。傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用領(lǐng)域正越來(lái)越多地應(yīng)用了工業(yè)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)和基于IP的通信是實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)高速互聯(lián)的驅(qū)動(dòng)力，工廠自動(dòng)化通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)以更短的時(shí)間、更低的成本生產(chǎn)更好的產(chǎn)品。這也是以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中得以進(jìn)一步發(fā)展的原因。在工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)的時(shí)代，工業(yè)以太網(wǎng)通信具有更大的重要性。

為什么選用PROFINET？PROFINET集成有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信通道，是100%的以太網(wǎng)技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)化、集成、易于使用、信息安全以及降低成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

PROFINET技術(shù)近年來(lái)正在高速發(fā)展，PI（PROFIBUS & PROFINET國(guó)際組織）也不斷根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行性能優(yōu)化和擴(kuò)展。下面將對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行介紹，同時(shí)，給出關(guān)鍵通信性能參數(shù)的關(guān)系與使用時(shí)的注意事項(xiàng)，以及設(shè)備制造商關(guān)心的認(rèn)證測(cè)試條件及認(rèn)證中的常見(jiàn)問(wèn)題。

1 PROFINET為過(guò)程自動(dòng)化（PA）所做的擴(kuò)展

PROFINET技術(shù)在PROFIBUS DP應(yīng)用領(lǐng)域正逐步將其取代，PROFINET在工廠自動(dòng)化行業(yè)為用戶帶來(lái)了諸多益處。現(xiàn)在，過(guò)程自動(dòng)化中也有了PROFINET用戶需求。但是，過(guò)程相關(guān)的系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、車間（工廠）物理空間分布廣、十幾至幾十年的生命周期；而且，過(guò)程自動(dòng)化一般是連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，中斷或干擾會(huì)造成對(duì)人員或環(huán)境的傷害，非計(jì)劃停止運(yùn)行也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

因此，過(guò)程自動(dòng)化對(duì)工業(yè)通信技術(shù)有如下要求：

1）安裝技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備易于掌握；

2）應(yīng)用在危險(xiǎn)區(qū)域，包括本質(zhì)安全等；

3）長(zhǎng)導(dǎo)線傳輸；

4）靈活的拓?fù)湓O(shè)計(jì)；

5）連接技術(shù)具有魯棒性；

6）關(guān)鍵部件冗余；

7）設(shè)備易于替換；

8）車間運(yùn)行期間無(wú)擾組態(tài)。

針對(duì)上述過(guò)程自動(dòng)化對(duì)工業(yè)通信技術(shù)的要求，PROFINET在現(xiàn)有通信性能基礎(chǔ)上增加如下性能：

1）Proxy（代理）技術(shù)，解決不同通信技術(shù)在PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的集成問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)投資保護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)在原有技術(shù)基礎(chǔ)上的升級(jí)改造；

2）系統(tǒng)冗余（System Redundancy），解決過(guò)程自動(dòng)化高可靠性的要求；

3）運(yùn)行中組態(tài)（CiR，Configuration in Run），解決車間運(yùn)行期間的無(wú)擾動(dòng)組態(tài)要求；

4）Sequence of Events，用于將動(dòng)作、報(bào)警、狀態(tài)報(bào)文等記錄為事件序列，基于IEEE 1588協(xié)議，提供高精度時(shí)戳的原因分析；

上述新增特性結(jié)合PROFINET已有的適用于PA行業(yè)要求的通信性能：設(shè)備無(wú)擾替換、符合NAMUR（德國(guó)化工協(xié)會(huì)）NE107的診斷模型、媒體冗余（MRP），PROFINET技術(shù)已具備在過(guò)程自動(dòng)化中推廣應(yīng)用的基本條件。

2 PA profile3.02（基于PROFIBUS）即將成為歷史

眾所周知，PROFIBUS協(xié)議分為PROFIBUS DP和PROFIBUS PA，DP用于離散制造行業(yè)，PA用于過(guò)程自動(dòng)化，當(dāng)前可用的PA行規(guī)版本為3.02，基于PROFIBUS通信協(xié)議。為滿足PROFINET技術(shù)在流程自動(dòng)化中的應(yīng)用需求，PI研制了也可適用于PROFINET通信的PA行規(guī)4.0版本，該行規(guī)既可基于PROFIBUS也可基于PROFINET。PA 4.0行規(guī)新增了制造商和用戶的要求及專家經(jīng)驗(yàn)，這些新增內(nèi)容獨(dú)立于物理層和協(xié)議。

新增的關(guān)鍵特性主要包括：

1）工程化、安裝、調(diào)試與設(shè)備替換過(guò)程統(tǒng)一，且更容易；

2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在控制系統(tǒng)中的組態(tài)與制造商獨(dú)立；

3）傳輸大量數(shù)據(jù)，不僅包含數(shù)據(jù)和關(guān)鍵字還包含語(yǔ)義；

4）測(cè)量值的單位在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)間同步。

3 PROFINET協(xié)議V2.2與V2.3

PROFINET最初應(yīng)用的版本為2.2，后根據(jù)用戶需求改善了性能，推出PROFINET V2.3，并停止了2.2版本的認(rèn)證測(cè)試。與V2.2相比，新增如下三項(xiàng)性能優(yōu)化措施

1）快速轉(zhuǎn)發(fā)（Fast Forwarding，F(xiàn)F）；

2）動(dòng)態(tài)幀打包（Dynamic Frame Packaging，DFP）；

3）分段（Fragmentation）

以上這些PROFINET性能優(yōu)化措施均基于IRT（同步）通信，同時(shí)結(jié)合了拓?fù)涞闹R(shí)。

IRT通信屬于RT_CLASS_3，不包含VLAN TAG，幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RT_CLASS_3幀結(jié)構(gòu)

3.1 快速轉(zhuǎn)發(fā)（FF）

為了明確標(biāo)識(shí)一個(gè)幀，交換機(jī)必須評(píng)估幀頭中的尋址信息（DA和Frame_ID）。網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)要轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)幀需要的額外時(shí)間包括bridge delay和line delay。Bridge delay指交換機(jī)探測(cè)到frame_ID所需的時(shí)間，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)IRT幀，交換機(jī)需等待24字節(jié)。通過(guò)將Frame_ID移入DA的前兩個(gè)字節(jié)，可將bridge delay縮短為10個(gè)字節(jié)，優(yōu)化后的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的RT_CLASS_3幀結(jié)構(gòu)1

優(yōu)化后，目的MAC地址前兩個(gè)字節(jié)結(jié)構(gòu)為如圖3所示，PROFINET為FF幀定義了特定的Frame_ID（14比特）：

圖3 優(yōu)化后的目的MAC地址前2字節(jié)

第二個(gè)優(yōu)化措施是降低line delay，僅在“PortRxDelay”和“PortTxDelay”（即通過(guò)switch的時(shí)間）可以減低時(shí)才可實(shí)現(xiàn)，取決于所用的MAU類型。可采用具有較短Preamble的PHY實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，將8字節(jié)的Preamble縮短為2字節(jié)，line delay優(yōu)化后的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化的RT_CLASS_3幀結(jié)構(gòu)2

通過(guò)上述兩項(xiàng)優(yōu)化，bridge delay可從24字節(jié)縮短為4字節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)IRT幀以更快速度的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 動(dòng)態(tài)幀打包（Dynamic Frame Packaging ）

要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)幀打包功能，需要三個(gè)前提條件：

1）控制器知道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

2）系統(tǒng)支持IRT通信；

3）支持快速轉(zhuǎn)發(fā)。

動(dòng)態(tài)幀打包的基本原理是定義一個(gè)DFP的域，所有設(shè)備的輸出在一個(gè)輸出幀中傳輸，所有設(shè)備的輸入在一個(gè)輸入幀中傳輸，這樣可優(yōu)化對(duì)可用帶寬的利用。

根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)洌刂破靼凑枕樞驅(qū)ⅲㄝ敵觯?shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)幀中，每個(gè)相關(guān)的設(shè)備從中取出自己的數(shù)據(jù)，并更新幀的FCS和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，當(dāng)拓?fù)渲凶詈笠粋€(gè)設(shè)備取完輸出數(shù)據(jù)后，各設(shè)備以相反的順序?qū)⒆约旱妮斎霐?shù)據(jù)逐一放入幀中，更新幀頭以及FCS，最后形成一個(gè)包含所有設(shè)備輸入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀給控制器，數(shù)據(jù)流向圖如圖5所示。相較于每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)獨(dú)自形成一個(gè)幀，節(jié)省了幀頭與幀尾等開(kāi)銷，從而節(jié)省了帶寬。

圖5 DFP數(shù)據(jù)流向圖

DFP還有另外一種形式，即控制器與設(shè)備間的輸出幀不沿著網(wǎng)絡(luò)逐步縮短，各設(shè)備的子幀形成的數(shù)據(jù)幀到達(dá)每個(gè)設(shè)備時(shí)相同，這種模式適用于控制器與proxy間。

3.3 幀的分段（Fragmentation）

還有一個(gè)縮短總線周期的改進(jìn)方法。在要求總線周期小于250us的自動(dòng)化系統(tǒng)中，如果沒(méi)有附加措施來(lái)傳輸IRT幀、報(bào)警和非循環(huán)服務(wù)，則很難保證到達(dá)這樣的總線周期。原因是最大長(zhǎng)度的UDP/IP幀需要占用可用帶寬中的125us。因此，為防止循環(huán)實(shí)時(shí)通信受影響，有必要將TCP/UDP IP數(shù)據(jù)包分包，將分包后的數(shù)據(jù)在1到n個(gè)周期中傳輸。

分段的基本原則，一方面，所分的段應(yīng)足夠大，以充分利用可用帶寬；另一方面，產(chǎn)生的分段應(yīng)足夠小，以在開(kāi)放間隔中傳輸完畢。

4 響應(yīng)時(shí)間相關(guān)的通信參數(shù)

在PROFINET設(shè)備的GSDML中有幾個(gè)關(guān)鍵字與響應(yīng)時(shí)間密切相關(guān)：MinDeviceInterval，Reduction Ratio，SendClock（對(duì)應(yīng)PROFINET規(guī)范中的SendClock Factor）。

MinDeviceInterval表示設(shè)備能夠提供新數(shù)據(jù)的時(shí)間性能，該時(shí)間值計(jì)算公式如下：

MinDeviceInterval = SendClockFactor×31.25μs

其中31.25μs為PROFINET的基本時(shí)基。

對(duì)于RT_Class_1的一致性類A和B設(shè)備，MinDeviceInterval最大允許值為128ms。對(duì)于一致性類C類設(shè)備，MinDeviceInterval值不超過(guò)1ms。

Reduction Ratio，表示在一個(gè)Send Cycle中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的頻率。Send Cycle與Reduction Ratio的關(guān)系如下：

Send Cycle =31.25μs×SendClockFactor×ReductionRatio

上述是理論上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Send Cycle的值的最終確定，與PROFINET子網(wǎng)中所連接的其他設(shè)備相關(guān)，大小取決于更新數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)工程工具中的update time）最慢的設(shè)備，該值可由工程工具自動(dòng)計(jì)算。

而每個(gè)設(shè)備的update time可能不同，單個(gè)設(shè)備的update time（Ta）值計(jì)算公式如下：

Ta= ReductionRatio×SendClockFactor×31.25μs

用戶對(duì)于update time值的選擇需進(jìn)行多方考慮。如果選用較小的update time值，則數(shù)據(jù)更新間隔也更短，因此能以更快的速度提供數(shù)據(jù)用以處理。但是，一定時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較多，也會(huì)造成更大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。當(dāng)周期實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，其他通信可用帶寬下降。

update time越小，周期實(shí)時(shí)通信占用帶寬越大；update time越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。因此，建議在符合應(yīng)用對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求下，應(yīng)盡量選擇較大的update time。

5 PROFINET認(rèn)證測(cè)試及常見(jiàn)問(wèn)題

PI會(huì)員可以免費(fèi)下載測(cè)試包，包含了測(cè)試軟件、測(cè)試配置文檔、測(cè)試案例判定幫助文檔以及部分測(cè)試案例實(shí)現(xiàn)文檔，全套文件與認(rèn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)室完全相同。測(cè)試包中推薦了測(cè)試輔助設(shè)備，包括控制器、交換機(jī)、PN IO設(shè)備、智能插排等，如果全部購(gòu)買需投入較多的資金。對(duì)于最多見(jiàn)的兩端口設(shè)備來(lái)說(shuō)，一個(gè)支持IRT的交換機(jī)和支持IRT的PN IO設(shè)備，即可滿足多數(shù)測(cè)試案例的基本測(cè)試要求。

下面介紹一下PROFINET認(rèn)證測(cè)試中的常見(jiàn)問(wèn)題：

PROFINET設(shè)備的MAC地址來(lái)源不合法，全球的以太網(wǎng)設(shè)備MAC地址統(tǒng)一由IEEE管理，制造商不能隨意編寫設(shè)備的MAC地址。

UDP_SrcPort超出范圍。對(duì)于UDP/IP通信，PROFINETIOServiceReqPDU和PROFINETIOServiceResPDU所用的UDP_SrcPort以及UDP_DstPort有效范圍為0xC000-0xFFFF。

錯(cuò)誤碼使用不符合規(guī)范。在通信的請(qǐng)求和響應(yīng)中，如果有負(fù)響應(yīng)，則響應(yīng)須按照PROFINET協(xié)議中PNIOStatus規(guī)定的各錯(cuò)誤碼對(duì)應(yīng)的含義，規(guī)范使用錯(cuò)誤碼，涉及到的代碼主要有ErrorCode、ErrorDecode、ErrorCode1和ErrorCode2。

6 結(jié)束語(yǔ)

PROFINET認(rèn)證測(cè)試是一個(gè)強(qiáng)制性要求。進(jìn)行PROFINET認(rèn)證測(cè)試的基本前提條件是具有PI分配的制造商ID以及來(lái)自IEEE的合法MAC地址。為了推廣PROFINET技術(shù)，PI為會(huì)員免費(fèi)提供了強(qiáng)大的測(cè)試資源，這是跟現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)代一個(gè)最大的不同，PROFINET設(shè)備制造商應(yīng)充分利用這樣的便利條件，可在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行同步測(cè)試以排除問(wèn)題，以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期與將來(lái)的認(rèn)證過(guò)程。

[1]PI White Paper: PROFINET – The Solution Platform for Process Automation[Z].June 2015.

[2]Industrial communication with PROFINET,Manfred Popp,PNO Order No:4.181[Z].