PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)分析

蘭海春

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1 PROFINET實(shí)時(shí)通信

在不同的應(yīng)用環(huán)境之下,PROFINET的實(shí)時(shí)性能要求也存在著一定程度上的額差異,主要包含了三種實(shí)時(shí)類型,分別為用于非苛求時(shí)間數(shù)據(jù)的TCP/UDP和IP(NRT)、用于苛求時(shí)間過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信(RT)以及用于時(shí)間要求特別嚴(yán)格的等時(shí)同步實(shí)時(shí)通信(IRT)。PROFINET的實(shí)時(shí)通信功能是基于交換式以太網(wǎng)之上的,并且通過相關(guān)的技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。

1.1 VLAN優(yōu)化數(shù)據(jù)幀

在通信過程之中,往往會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沖突的現(xiàn)象,而這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲問題的產(chǎn)生,目前狀況下在全雙工交換式以太網(wǎng)的環(huán)境之下,這一問題已經(jīng)得到較好的解決。然而如果出現(xiàn)當(dāng)前有其他以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀處于轉(zhuǎn)發(fā)口隊(duì)列的情況之時(shí),實(shí)時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀會(huì)因此受到一定程度的阻塞而導(dǎo)致發(fā)送延遲。基于這一方面的考慮,協(xié)議為發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀分配了一個(gè)優(yōu)先級(jí),并在其中增加了VLAN標(biāo)簽來對(duì)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行合理而有效的劃分。VLAN環(huán)境之下,以太網(wǎng)幀被劃分為0－7個(gè)優(yōu)先級(jí),在這其中PROFINET數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)被設(shè)置為5－7級(jí),而標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)為0,這樣一來,即使出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理延遲的情況,PROFINET實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理也會(huì)優(yōu)先于一般數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道

上文中提到PROFINET提供了三種通信通道,分別為標(biāo)準(zhǔn)通道、實(shí)時(shí)通道RT以及等時(shí)同步通道IRT,在同一網(wǎng)絡(luò)或者同一設(shè)備之上,這三種通道能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)運(yùn)行。在PROFINET實(shí)時(shí)通道劃分之中,實(shí)時(shí)通信允許確定的傳輸時(shí)間,并且能夠使其他的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中使用。相比于標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧發(fā)送數(shù)據(jù)的過程,PROFINET實(shí)時(shí)通信環(huán)境之下,對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理不再依賴于相關(guān)的通信協(xié)議,而是由數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行發(fā)送與處理,這樣一來,就能夠?qū)?shù)據(jù)處理時(shí)間進(jìn)行一定程度的縮短,進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的目標(biāo)。

1.3 時(shí)分復(fù)用技術(shù)

對(duì)于PROFINET而言,它所采用的是100Mbps全雙工數(shù)據(jù)傳輸模式,理論上在這一條件之下任何設(shè)備都有可能一直使用100Mbps的速度對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。然而也會(huì)存在著極端的情況,假設(shè)這種數(shù)據(jù)傳輸方式一直存在,就會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)通信造成一定程度的影響使其無法正常工作。基于這一方面的考慮,PROFINET設(shè)計(jì)了時(shí)分多路復(fù)用機(jī)制,并以此來對(duì)相關(guān)設(shè)備的發(fā)送行為進(jìn)行一定程度的限制,在時(shí)分多路復(fù)用機(jī)制之下,對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和TCP/IP數(shù)據(jù)分割時(shí)間域,這樣一來就能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的時(shí)間對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

2 PROFINET協(xié)議實(shí)時(shí)性探究

2.1 PROFINET RT協(xié)議

在PROFINET RT協(xié)議之下,運(yùn)用VLAN標(biāo)簽對(duì)太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分,具體的優(yōu)先級(jí)劃分為0－7,0為最低級(jí)的優(yōu)先級(jí),7為最高級(jí)的優(yōu)先級(jí),而對(duì)于RT實(shí)時(shí)幀而言,其優(yōu)先級(jí)一般設(shè)置為6或7,以此來保證其優(yōu)先傳輸。一般情況下一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀應(yīng)當(dāng)包含有前導(dǎo)碼與幀間隙空閑時(shí)間,在PROFINET RT協(xié)議之中,最小RT幀為88字節(jié),最大RT幀為1488字節(jié)。在保證傳輸速率為100Mbps的前提條件之下,傳輸最小RT幀所需要的時(shí)間為7.04us,傳輸最大RT幀所需要的時(shí)間為119.04us。一般情況下在屏蔽雙絞線之中,數(shù)據(jù)的傳輸速度大約為200m/us,也就是說假設(shè)兩個(gè)設(shè)備之間相距100m時(shí),數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)大致在0.5us左右。

2.2 PROFINET IRT協(xié)議

在PROFINET之中,同步實(shí)時(shí)通信的實(shí)時(shí)要求是最為嚴(yán)格的,其要求總線周期在1ms之下。為了對(duì)實(shí)時(shí)通信進(jìn)行有效的實(shí)現(xiàn),PROFINET對(duì)精確透明時(shí)鐘協(xié)議PTCP進(jìn)行了一定程度的運(yùn)用,并通過這一協(xié)議來對(duì)傳輸鏈路的相關(guān)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行精確而有效的記錄。對(duì)于精確透明時(shí)鐘協(xié)議而言,它并不具備路由能力,因此配合使用具有最精確時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來對(duì)其它節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘進(jìn)行微秒級(jí)的時(shí)間同步,并在此基礎(chǔ)之上對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的同步幀序列進(jìn)行周期性的交換。IRT具備十分明確的傳輸時(shí)間點(diǎn),在綜合比對(duì)所處位置、幀類型標(biāo)識(shí)符、以太網(wǎng)類型等因素的情況之下來對(duì)IRT幀進(jìn)行有效確定。除此之外,IRT交換機(jī)采用直通方式轉(zhuǎn)發(fā),在傳輸速率上有著更大的優(yōu)勢。在進(jìn)行直通交換的過程之中,它不再需要對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ),而是在確定目標(biāo)地址與目標(biāo)端口的前提之下將數(shù)據(jù)包直接傳送于目標(biāo)端口,這樣一來就會(huì)很大程度上對(duì)傳輸時(shí)間進(jìn)行縮減,同時(shí)也不會(huì)受到數(shù)據(jù)幀長度的影響。一般情況下可以將PROFINET IRT協(xié)議分為兩類,分別是IRT High flexibility和IRT Top performance,前者具有較高的靈活性,在組態(tài)時(shí)不需要對(duì)相關(guān)路徑進(jìn)行規(guī)劃;后者在的實(shí)時(shí)性性能表現(xiàn)地更強(qiáng),與前者相反在組態(tài)時(shí)需要對(duì)路徑進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)劃,并在此基礎(chǔ)之上對(duì)端口連接順序進(jìn)行明確。

3 結(jié)束語

本文主要針對(duì)PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行研究與分析。首先對(duì)PROFINET實(shí)時(shí)通信進(jìn)行了一定程度上的闡述,指出了VLAN優(yōu)化數(shù)據(jù)幀、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道以及時(shí)分復(fù)用技術(shù)三項(xiàng)重要技術(shù)并進(jìn)行了簡要的分析,然后在此基礎(chǔ)之上從PROFINET RT協(xié)議以及PROFINET IRT協(xié)議兩個(gè)方面對(duì)PROFINET協(xié)議實(shí)時(shí)性進(jìn)行了探究。