2024年1月18日发(作者：)

一、简介：

PROFINET 由 PROFIBUS 国际组织〔PROFIBUS International，

PI〕推出，是一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创，PROFINET 为自动化通信领域供给了一个完整的网络解决方案，囊括了诸照实时以太网、运动把握、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供给商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线〔如PROFIBUS〕技术，保护现有投资。

PROFINET 是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括 8 个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动把握、分布式自动化、网络安装、IT 标准和信息安全、故障安全和过程自动化。PROFINET 的实时性，需要了解 PROFINET 的协议和工作机制。PROFINET 具有 RT 和IRT 两种等级的实时通讯。PROFINET 区分两类不同性能的实时周期通讯，一种是实时〔 RT〕通讯，主要用于工厂自动化，这一类没有时间同步要求，一般只要求响应时间为 5-10ms。另一种是等时同步实时〔IRT〕，主要用于有苛刻时间同步要求的场合例如运动把握，电子齿轮。与此对应，PROFINET 供给两类实时通讯通道具体分为RT 实时通道和IRT 实时通道。另外还包括一个标准通讯通道，标准通道是使用TCP/IP 协议的非实时通讯通道,主要用于设备参数化、组态和 读取诊断数据。

1、 PROFINET 实时通信

依据响应时间的不同，PROFINET 支持以下三种通讯方式：

1. 1TCP/IP 标准通讯

PROFINET 基于工业以太网技术，使用 TCP/IP 和IT 标准。TCP/IP 是IT 领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间或许在100 ms 的量级，不过，对于工厂把握级的应用来说，这个响应时间就足够了。

2. 2. 实时〔RT〕通讯

对于 RT，通讯双方，依据 Step7 组态的各自的时钟周期内，向对方发送一次数据，实现实时的数据交换。时钟周期设置越短，实时性就越强。被发送出来的数据，交换机保证其实时性的唯一方式，就是依据 PROFINET 数据的 QoS 来转发该数据，正如胶片所描述的，

PROFINET 的数据可能会被延迟，延迟的最主要缘由就是 NRT 的报文和交换机的S&F。这时PROFINET 的实行性的保证就主要依靠您，

工程师去考虑实际的网络拓扑构造，防止类似的状况发生。必要时，

调整Update time 和看门狗时间。对于交换机，其工作方式，如胶片所

说有两种，一种 S&F，另一种是 CT。一般交换机的工作方式使用S&F。虽然IRT 的交换机的工作方式使用CT 的方式，不过在网络数据发生累积时，其工作模式会转变成 S&F。这样与一般交换机一样。所以使用IRT 交换机在应用RT 时，数据负载不能接近满负荷。

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此， PROFINET 供给了一个优化的、基于以太网其次层

〔Layer 2〕的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地削减了数据在通讯栈中的处理时间，PROFINET 实时通讯〔RT〕的典型响应时间是 5－10ms 。PROFINET 的RT 通讯协议及 帧构造如图 1.1 和 1.2。

图 1.1

图 1.2

3. 3. 同步实时〔IRT〕通讯

对于 IRT，通讯双方照旧依据 Step7 组态的各自的时钟周期内，

向对方发送一次数据，实现实时的数据交换。但是由于 IRT 的时钟被同步，这样 IRT 承受了带宽预留的方式，也就是说在这段时间内，只有IRT 的数据才可以进展传输，其它数据例如 TCP 或IT 数据或者您所举的数据、语音、图像等数据是无法在这段时间内进展传输。由于没有数据与IRT 的数据争抢带宽，于是保证了 IRT 数据的实时性。这时，确定要选择 IRT 的交换机例如SCALANCE X200IRT 或者选择支持 IRT 的设备例如 ET200S PN V6.0 进展相邻连接，与 RT 不同，由于此时IRT 的交换机是IRT 实时性的唯一保证。不过 PROFINET IRT

还有另外一个优点，假设 IRT 设备之间由于某些缘由无法完成时钟同步，那么会以RT 的方式进展通讯。在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动把握〔 Motion Control〕，PROFINET 的同步实时

〔Isochronous Real-Time, IRT〕技术可以满足运动把握的高速通讯需求，在 100 个节点下，其响应时间要小于 1ms，抖动误差要小于 1μ

s，以此来保证准时的、确定的响应。

实时通道IRT 是硬实时HRT〔Hardware RT〕 方案，实时性是基

于一个建立在快速以太网 Layer2 上的时间触发〔time- triggered〕协

议，由内嵌的Switch-ASIC 同步实时交换芯片保证。这样可以进一步

缩短通讯栈软件的处理时间,特别适用于高性能传输、过程 数据的等

时同步传输、以及快速的时钟同步运动把握。由于基于硬件实现，IRT

帧中通常无需RT帧中的IEEE802.1Q VLAN标识。PROFINET 的IRT

通讯协议及帧构造如图 2.1 和 2.2

图 2.1

图 2.2

二、PROFINET IO 的实时性1、标准以太网的帧构造

标准以太网的帧如表 1 所示。可以看出，一个标准以太网帧数据大小为 64B～1 500 B。快速以太网〔100 Mb/s〕传输 1 518 B 数据的时间是 120 μs,传输 64 B 数据的时间是 5 μs。

PROFINET 最突出的特点是它的实时性，从过程自动化到工厂自动化再到运动把握，其实时性可以满足各种各样的应用，PROFIBUS

也可以实现上述的功能，不过在实时性较高的场合特别是在运动把握中，其性能与 PROFINET 无法相比，无法像 PROFINET 一样最小实时周期为 250us，抖动小于1us 的精度。 PROFINET 另外一个突出的特点是以太网，借用以太网，可以同时传输 TCP 或IT 数据或者数据、语音、图像等数据，这是 PROFIBUS 所无法比较的。而且由于在以太网中，诊断更加灵敏，SNMP 协议， 协议都可以诊断 PN 设备，来猎取诊断信息。从网络的任何一点，或者通过 WLAN，随时随地访问你所需要连接的设备。另外，对于网络的扩展，PROFIBUS 只能机械的增加 OLM 或 Repeater 等，而且增加的地点多为固定的， 其缺点在设备增容时尤为表达。而 PROFINET 使用以太网的连接方式，参与交换机，插入网线连接即可。这与我们办公的局域网相像， 需要增加设备的时候，只需要连接到交换机的端口即可。

基于上述缘由西门子全的S7-1200 只匹配了PROFINET 接口，

PROFIBUS 的连接只能通过IE/PB LINK PN IO 进展无缝集成。

2、性能分析 ：

（1）

对于PROFINET，数据传输的带宽为 100Mbps。

（2）

对于PROFINET，数据传输的方式为全双工。

（3）

对于PROFINET，全都性数据最大为 254bytes。

（4）

对于PROFINET，用户数据的最大为 1400bytes。

（5）

对于PROFINET，设备之间的总线长度为 100m。

（6）

对于PROFINET，引导轴可以运行在任意SIMOTION 中。

（7）

对于PROFINET，可以使用标准的以太网网卡。

（8）

对于PROFINET RT，一个 PG 接入，可能产生微小的反响，而对于PROFINET IRT，接入不会引起任何问题。

（9）

对于PROFINET，使用IT 相关的工具即可。

（10）

对于PROFINET，任意数量的把握器可以在网络中运行。多个

把握器不会影响IO 的响应时间。

（11）

对于PROFINET，不需要总线终端电阻

（13）

对于PROFINET，无线〔WLAN〕可用于额外的介质。

（14）

对于PROFINET，全部数据类型可以并行使用，一个接口可以

既做把握器又做IO 设备。

（15）

对于PROFINET，可以通过拓扑信息确定设备的网络位置。

PROFINET 作为一种以太网较PROFIBUS 的优势在哪里？

1.通讯速度快

2.

通讯距离远

3.

实时同步

4.

同步实时性〔IRT〕:对于非实时同步的工艺〔例如过程把握〕,它的意义不大

三、牢靠性

PROFINET 故障安全

在过程自动化领域中，故障安全是相当重要的一个概念。所谓故障安全，即指当系统发生故障或消灭致命错误时，系统能够恢复到安全状态〔即“零“态〕，在这里，安全有两个方面的含义，一方面是指操作人员的安全，另一方面指整个系统的安全，由于在过程自动化领

域中，系统消灭故障或致命错误时很可能会导致整个系统的爆炸或毁坏。故障安全机制就是用来保证系统在故障后可以自动恢复到安全状态，不会对操作人员和过程把握系统造成损害。

PROFINET 集成了 PROFISafe 行规，实现了IEC61508 中规定的SIL3 等级的故障安全，很好的保证的整个系统的安全

1、标准与网络安全

PROFINET 的一个重要特征就是可以同时传递实时数据和标准的TCP/IP 数据。在其传递TCP/IP 数据的公共通道中，各种业已验证的IT 技术都可以使用〔如 、HTML、SNMP、DHCP 和 XML 等〕。在使用PROFINET 的时候，我们可以使用这些IT 标准效劳加强对整个网络的治理和维护，这意味着调试和维护中的本钱的节约。PROFINET 实现了从现场级到治理层的纵向通讯集成，一方面，便利治理层猎取现场级的数据，另一方面，原本在治理层存在的数据安全性问题也延长到了现场级。为了保证现场级把握数据的安全，

PROFINET 供给了特有的安全机制，通过使用专用的安全模块，可以保护自动化把握系统，使自动化通讯网络的安全风险最小化。PROFINET 的优势之一就是它能够创立灵敏的网络构造。你可以为你的网络选择依靠网络元件的长度，速度及布局。例如，假定光纤光学集成接口你能够延长到设备之间 300 米的距离。额外的构成 26 千米的光纤光学距离就可能依靠使用光纤光学的类型及厂商。在一个电子网络中，两台设备之间最大的距离可达 100 米。目前能够实现构成冗余的双环形网络来保证自动化系统的牢靠性。

2、故障安全

在过程自动化领域中，故障安全是相当重要的一个概念。所谓故障安全，即指当系统发生故障或消灭致命错误时，系统能够恢复到安全状态〔即“零“态〕，在这里，安全有两个方面的含义，一方面是指操作人员的安全，另一方面指整个系统的安全，由于在过程自动化领域中，系统消灭故障或致命错误时很可能会导致整个系统的爆炸或毁坏。故障安全机制就是用来保证系统在故障后可以自动恢复到安全状态，不会对操作人员和过程把握系统造成损害。

PROFINET 集成了 PROFISafe 行规，实现了 IEC61508 中规定的SIL3

等级的故障安全，很好的保证了整个系统的安全。

3、过程自动化

PROFINET 不仅可以用于工厂自动化场合，也同时面对过程自动化的应用。工业界针对工业以太网总线供电，及以太网应用在本质安全区域的问题的争论正在形成标准或解决方案。PROFIBUS 国际组织打算在 2023 年的时候会提出PROFINET 进入过程自动化现场级应用方案。

通过代理效劳器技术，PROFINET 可以无缝的集成现场总线PROFIBUS 和其它总线标准。今日，PROFIBUS 是世界范围内唯一可掩盖从工厂自动化场合到过程自动化应用的现场总线标准。集成PROFIBUS 现场总线解决方案的PROFINET 是过程自动化领域应用的完善体验。