PROFINET及其同步实时通讯分析.docx
PROFINET及其同步实时通讯分析ronggang导语：PROFINET是一种新的实时以太网标准，本文介绍了PROFINET两类不同性能的实时通讯的技术特点，并对等时同步实时通讯技术进展了分析，讲明了其对IEEE1588的改良摘要：PROFINET是一种新的实时以太网标准，本文介绍了PROFINET两类不同性能的实时通讯的技术特点，并对等时同步实时通讯技术进展了分析，讲明了其对IEEE1588的改良。关键词：PROFINET;实时通讯;等时同步AnalysisofIsochronousreal-timecommunicationandPROFINETPengJieLiXiuyuanYingQiJiaAbstract:PROFINETisaemergingstandardofreal-timeEthernet.Inthispaper,isochronousreal-timecommunicationofPROFINETisanalyzedandenhancementstoIEEE1588areexplainedaftertwokindsofreal-timecommunicationinPROFINETareintroduced.Keyword:PROFINET;real-timecommunication;isochronousPROFINET实时以太网是由ProfibusInternationalPI组织提出的基于以太网的自动化标准。从2004年4月开场，PI与InterbusClub总线俱乐部联手，负责合作开发与制定标准。PROFINET构成从I/O级直至协调治理级的基于组件的分布式自动化系统的体系构造方案，并可以将Profibus技术和Interbus现场总线技术在整个系统中无缝地集成。PROFINET能为紧要任务提供最低限度的性能保证效劳，同时也能为非紧要任务提供尽力效劳。2，PROFINET的实时通讯分类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控制，电子齿轮。与此对应，PROFINET提供两类实时通讯通道详细分为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。实时通道RT是软实时SRTSoftwareRT方案,它旁路TCP/IP层,同时为优化通讯功能,PROFINETRT帧根据IEEE802.1Q/P定义了报文的优先级,最多可用7级。PROFINETRT帧中的状况信息域用来标识设备和数据的状况例如：运行，停顿，出错。其通讯协议及帧构造如图1。图1PROFINETRT通讯协议及其帧构造实时通道IRT是硬实时HRTHardwareRT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,十分适用于高性能传输、经过数据的等时同步传输、以及快速的时钟同步运动控制。由于基于硬件实现，IRT帧中通常无需RT帧中的IEEE802.1QVLAN标识。PROFINET的IRT通讯协议及帧构造如图2。图2PROFINETIRT通讯协议及其帧构造从图1，图2也可以看出，PROFINET实时数据帧包括RT和IRT帧都是在按IEEE802.3所定义的标准化的帧格式根底上略作改动,让其L/T字段的值>1500,这是一个保存的EtherType,可以用于唯一地识别PROFINET的实时数据帧以区别于其他采用标准IT协议的以太网帧，优先进展传输。PROFINE的以太网类型标识中用0x0800标识IP帧，使用0x8892标识PROFINET实时帧。帧中的应用标识符frame-ID域标识所接收的数据的传输，即标识周期传输和非周期传输报警和事件。按照PROFIBUS国际组织提供的数据1，PROFINET在IRT通讯方式下应用在同步运动控制场合，其性能比目前的现场总线方案要提升100倍。这种基于硬件的同步实时IRT通讯解决方案可以在大量数据需要传递的情况下保持足够高的时间确定性;同时，可缓解PROFINET设备上处理器的通讯任务。因此，本文以下对它进展具体分析。3，PROFINET对IEEE1588的改良PROFINETIRT所采用的时间同步协议是基于改良的IEEE15882。IEEE1588的根本功能是使分布式网络内的最准确时钟referenceclock与其它时钟保持同步，它定义了一种准确时间协议PTPPrecisionTimeProtocol，用于对标准以太网或者其它采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进展亚微秒级同步。一个IEEE1588精细时钟PTP系统包括多个节点,可以以为每一个都代表一个时钟,时钟之间经过网络连接。IEEE1588将整个网络内的时钟分为两种，普通时钟OCOrdinaryClock和边界时钟BCBoundaryClock，只有一个PTP通讯端口的时钟是普通时钟，有一个以上PTP通讯端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通讯。其中，边界时钟BC通常用在网桥交换机和路由器等这些用来划分子网的网络设备中,用于防止这些网络设备产生大的延迟抖动。普通时钟通常用在节点上。随着温度变化和时间推移，发送节点和接收节点的时钟频率将发生偏向，由此会造成漂移drifts。为此，在PTP中需要通过一个闭环控制loop进展补偿，以如下PI-loop为例。其中，yk是被控量，xk是偏向变量，k代表同步循环。KsubR/sub，Ksubn/sub是控制参数。T是采样时间，它即是PTP同步信息Sync信息之间的发送间隔。每个PTP附属时钟以及BC的每个附属时钟端口都必须含有类似的闭环控制，闭环控制的设计直接关系到时间同步的精度。如图3上半局部所示，在BC中的时钟振荡器Oscillator将会参照PTPSlave，以一定的函数关系进展调节，调节后的时钟将成为下一个网段的PTPMaster。以此类推，反复进展，直至目的节点TimeClient。这样，当在总线式拓扑中有多个网桥链式联结时，这种方式本质上产生了控制循环的级联cascade，会导致不稳定,进而使得IEEE1588无法知足苛刻的同步要求3。align=center图3IEEE1588边界时钟和PROFINET旁路时钟比照/align相对于IEEE1588的“BoundaryClock，PROFINET进展了修正，修正后称之为旁路时钟BpCBypassclock5。时间同步的关键问题是网桥等网络设备中的时延不定常，进而造成时间抖动。假如能找出计算网桥中时延的方法，那么就可以对它进展补偿。如图3下半局部所示，PROFINET的BpC正是基于这种思想，通过对PTP报文进展必要的操纵和处理Messageprocessing来对时延进展补偿，详细的处理操纵可能涉及贸易机密，尚未见公开报道。根本思想如下：1假设一个PTP网桥在端口s收到一个Sync报文，那么接收时间戳Tsubrx，s/sub将会产生,当BpC的其它端口j开场向下游传递该Sync报文时，发送时间戳Tsubtx，j/sub将会产生。这样，可以得到所需的时钟校正值clockcorrection：Tsubtx,j/sub-Tsubrx,s/sub。2如图4所示，使用Ldi代表传输间隔造成的延迟，bdi代表网桥中的时延，将所得到的本网桥内时延bdi和本段传输时延Ldi的信息参加到将要转发的Sync报文中，这样目的节点就可以得到报文所尽历的准确时延。PTP主时钟到PTP附属时钟的累积时延为：借助这以一方式，就可以把网桥看成具有定常时延的网络组件，进而避开了控制循环的级联。图4时延叠加PROFINET将极大的改善现有自动化技术开展经过中的通讯瓶颈，同时实现自动化技术从以实现控制任务为主导向实现高度集成和优化的信息采集、分析和处理任务为主导的转移，使得实现控制任务将成为将来自动化平台的低层次要求。本文希望通过对PROFINET实时通讯较具体的分析，能有助于将来我国自有工业以太网标准的开展。1PNO.ProfibusUserOrganization.profibus,2004.2IEEE.IEEEStandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurementandControlSystems.IEEE,NewYork,2002.ANSI/IEEEStd1588-20023M.MuellerandK.Weber.ImpactofSwitchCascadingonTimeAccuracy.InWorkshoponIEEE-1588,StandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurementsandControlSystems.NationalInsituteofStandardsandTechnologyNIST,September2003.4张妍孙鹤旭林涛.IEEE1588在实时工业以太网中的应用.微计算机信息，2005，219-1:19-215J.Jasperneite,E.Elsayed.InvestigationsonaDistributedTime-triggeredEthernetRealtimeProtocolusedbyPROFINET.In3rdInternationalWorkshoponReal-TimeNetworks,Catania,Sicily,Italy,July.2004本文创新点：PROFINET是一种新的实时以太网标准，本文介绍了PROFINET两类不同性能的实时通讯的技术特点，并对等时同步实时通讯技术进展了具体分析，讲明了其对IEEE1588的改良。作者简介：彭杰1976-,男,江西吉安人，上海理工大学光电学院博士,研究方向为：控制网络联络方式:上海理工大学244信箱应启戛转彭杰，200093，email：pj1976310sohu李秀元1966-,男,上海理工大学光电学院博士,副教授，研究方向为：控制网络应启戛1942-,男，教授，博导，研究领域为：控制网络，自动化仪表
