PROFINET關(guān)鍵技術(shù)剖析

王永華，喬金鋒

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450002)

0 引言

PROFINET是PI(PROFIBUS＆PROFINET國(guó)際組織)推出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，在IEC61158中被歸為Type10［1］203。當(dāng)前PROFINET技術(shù)已逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用，但對(duì)廣大使用者和初學(xué)者來(lái)說(shuō)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和應(yīng)用過(guò)程中仍存在較多困擾。本文對(duì)其實(shí)時(shí)性技術(shù)、工作機(jī)理和啟動(dòng)過(guò)程工作機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入剖析，可為PROFINET技術(shù)使用者和初學(xué)者在多方面提供借鑒和指導(dǎo)。

1 PROFINET實(shí)時(shí)性技術(shù)

PROFINET主要通過(guò)改造協(xié)議棧、采用間隔控制器(Interval Controller)和改造報(bào)文幀等技術(shù)解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

1.1 獨(dú)特的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中不同等級(jí)要求的實(shí)時(shí)通信，在PROFINET實(shí)時(shí)通信技術(shù)中對(duì)通信協(xié)議棧進(jìn)行了改造。TCP(UDP)/IP不能滿足循環(huán)過(guò)程數(shù)據(jù)更新時(shí)間小于10ms的要求，所以PROFINET實(shí)時(shí)通信協(xié)議拋棄了TCP/IP部分，基于MAC地址直接尋址，PROFINET實(shí)時(shí)通道保證了不同站點(diǎn)能夠在一個(gè)確定的時(shí)間間隔內(nèi)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。此外，采用專門的實(shí)時(shí)協(xié)議(SRT、IRT)和優(yōu)化后的IEEE 802.3第2層協(xié)議［2］，大大減少了傳輸幀的長(zhǎng)度，縮短了數(shù)據(jù)在通信棧的處理時(shí)間，滿足了工廠自動(dòng)化10ms等級(jí)和運(yùn)動(dòng)控制1ms等級(jí)實(shí)時(shí)性的要求。其通信棧結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 PROFINET通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

1.2 總線循環(huán)時(shí)間分配技術(shù)

為完成對(duì)時(shí)間有嚴(yán)苛要求的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，PROFINET使用等時(shí)同步技術(shù) IRT(Isochronous Real－Time)，其中使用 IEEE1588 PTP(Precision Time Protocol)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步功能，使用獨(dú)特的間隔控制器(interval controller)技術(shù)把整個(gè)傳輸周期包含確定性部分和開放性部分，標(biāo)準(zhǔn)TCP/UDP數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)RT數(shù)據(jù)在開放性通道中傳輸，IRT數(shù)據(jù)在確定性通道中傳輸，確保等時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)［3］230，如圖2 所示。

圖2 PROFINET總線循環(huán)時(shí)間分配

為保證網(wǎng)絡(luò)有極小的抖動(dòng)時(shí)間，使得各節(jié)點(diǎn)間通信有嚴(yán)格的確定性。PROFINET將發(fā)送時(shí)鐘分為三個(gè)時(shí)間段:紅色時(shí)間間隔只能用來(lái)以傳輸IRT數(shù)據(jù)，且在每個(gè)循環(huán)周期開始時(shí)進(jìn)行輸入/輸出同步處理;綠色部分傳輸RT數(shù)據(jù)和有優(yōu)先級(jí)的非實(shí)時(shí)NRT數(shù)據(jù);橙色部分用來(lái)傳輸普通NRT數(shù)據(jù)。嚴(yán)格的通信調(diào)度與分時(shí)傳輸控制機(jī)制確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的確定性傳輸。

1.3 PROFINET實(shí)時(shí)報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

1)對(duì)RT數(shù)據(jù)

如圖3所示，PROFINET改造了以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，在RT協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中指明了過(guò)程數(shù)據(jù)的類型和實(shí)時(shí)性等級(jí)。

圖3 PROFINET RT幀結(jié)構(gòu)

RT幀結(jié)構(gòu)中源地址后的2個(gè)字節(jié)用來(lái)指示幀類型，此處為虛擬以太網(wǎng)類型的標(biāo)識(shí)0×8100，表明緊隨其后的是一個(gè)VLAN標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)識(shí)。VLAN標(biāo)簽中高3位用來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)。

0×889 2表明這是PROFINET實(shí)時(shí)報(bào)文。隨后的幀類識(shí)別碼用來(lái)編址兩臺(tái)設(shè)備間的特殊通信通道，用于標(biāo)識(shí)單播、多播、周期傳輸或非周期傳輸(報(bào)警和事件)，和以太網(wǎng)類型組合在一起可實(shí)現(xiàn)對(duì)RT幀進(jìn)行快速識(shí)別。通過(guò)采集報(bào)文幀應(yīng)用數(shù)據(jù)單元APDU狀態(tài)數(shù)據(jù)可動(dòng)曉當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)域后面的4個(gè)字節(jié)也是PROFINETRT報(bào)文幀獨(dú)有的，用來(lái)指示通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)狀態(tài)。

2)對(duì)IRT數(shù)據(jù)

與RT幀相比，IRT基于內(nèi)嵌的專用的實(shí)時(shí)協(xié)議芯片ERTEC－ASIC，依靠確定的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以不再需要VLAN標(biāo)簽，以及優(yōu)先級(jí)分配。其協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如下圖4所示。

圖4 PROFINET IRT幀結(jié)構(gòu)

基于IEEE1588［4］，PROFINET控制器在循環(huán)開始時(shí)依靠定時(shí)和脈沖信號(hào)，精確記錄傳輸 Sync幀、Flollow幀、DelayReq幀和DelayRes幀的時(shí)鐘參數(shù)，計(jì)算各環(huán)節(jié)的延時(shí)，對(duì)各通道輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償和模式轉(zhuǎn)換等處理，使網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘與基準(zhǔn)時(shí)鐘同步。IRT數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)依據(jù)事先規(guī)劃的確定通信路徑進(jìn)行傳輸，保證了抖動(dòng)時(shí)間 Jetter［5］小于 1 μs。

2 PROFINET工作機(jī)理剖析

和PROFIBUS輪詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換不同，PROFINET的數(shù)據(jù)交換基于提供者/消費(fèi)者模型實(shí)現(xiàn)。

提供者/消費(fèi)者模型包括三種實(shí)體:信息的提供者和消費(fèi)者，以及提供者和消費(fèi)者建立聯(lián)系的消息代理。它通過(guò)拉(Pull)和推(Push)兩種模型實(shí)現(xiàn)。在拉模型中，提供者從應(yīng)用管理層接收一個(gè)發(fā)布請(qǐng)求，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組播它的響應(yīng)，需要數(shù)據(jù)的消費(fèi)者給予響應(yīng)，由管理器從提供者“拉”出數(shù)據(jù)供消費(fèi)者使用。模型提供了兩種服務(wù):證實(shí)服務(wù)和非證實(shí)服務(wù)。證實(shí)服務(wù)僅用于提供者和消費(fèi)者位于不同的應(yīng)用進(jìn)程AP(Application Process)時(shí)，消費(fèi)者按照客戶機(jī)/服務(wù)器模式使用證實(shí)服務(wù)請(qǐng)求加入發(fā)布，提供者給予響應(yīng)并返還給消費(fèi)者。非證實(shí)服務(wù)中提供者僅負(fù)責(zé)在合適的時(shí)間將其信息分發(fā)給消費(fèi)者，消費(fèi)者無(wú)需對(duì)信息進(jìn)行確認(rèn)。

PROFINET基于無(wú)證實(shí)服務(wù)的提供者/消費(fèi)者模型的推模式?？刂破骱虸O設(shè)備既可以作為提供者，也可作為消費(fèi)者。提供者以固定時(shí)間間隔Δt1將數(shù)據(jù)傳送給消費(fèi)者，消費(fèi)者以固定時(shí)間Δt2接收。傳輸期間數(shù)據(jù)未經(jīng)任何保護(hù)，也不需消費(fèi)者確認(rèn)。其模型如圖5所示。

圖5 PROFINET消費(fèi)者/提供者模型

該模型屬于面向連接的服務(wù)，其連接建立和釋放由高層的協(xié)議來(lái)完成;在傳輸通道上，消費(fèi)者不提供任何確認(rèn)和差錯(cuò)信息，在相反通道上，消費(fèi)者對(duì)上次的消費(fèi)數(shù)據(jù)情況向提供者提供一個(gè)隱含的確認(rèn)信息。消費(fèi)者在監(jiān)視時(shí)間Δt3內(nèi)未收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)向應(yīng)用發(fā)送相應(yīng)的差錯(cuò)報(bào)文。PROFINET實(shí)時(shí)通信不支持?jǐn)?shù)據(jù)的分段和組裝;數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過(guò)緩存區(qū)進(jìn)行操作。

3 PROFINET系統(tǒng)啟動(dòng)及工作過(guò)程

在完成PROFINET系統(tǒng)組態(tài)后，控制器和設(shè)備之間通過(guò)連接請(qǐng)求、寫請(qǐng)求、控制請(qǐng)求等一系列報(bào)文傳遞，完成連接建立、參數(shù)化，然后進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程如圖6所示。

3.1 通信連接建立

PROFINET設(shè)備名稱和IP地址分配后，I/O控制器通過(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用RPC(Remote Procedure Call)發(fā)起一個(gè)連接請(qǐng)求來(lái)建立與I/O設(shè)備之間的AR(Application Relationship)，完成有關(guān)AR參數(shù)到IO設(shè)備的傳遞。在請(qǐng)求中指定控制器與IO設(shè)備之間的CR(Communication Relationship)，包括用于循環(huán)數(shù)據(jù)交換的IO Data CR，非循環(huán)數(shù)據(jù)的讀寫Record data CR，以及用于傳輸報(bào)警數(shù)據(jù)的Alarm CR。

圖6 PROFINET啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)

控制器在連接請(qǐng)求幀的AR塊中詳細(xì)標(biāo)識(shí)了塊類型、會(huì)話密鑰以及用于識(shí)別的對(duì)象、接口和活動(dòng) UUID［3］279(Universally Unique Identifier，通用唯一標(biāo)識(shí))等信息。通過(guò)IO數(shù)據(jù)CR塊描述其要連接設(shè)備的輸入/輸出通道數(shù)量和類型。設(shè)備收到請(qǐng)求后對(duì)輸入/輸出和報(bào)警塊信息予以確認(rèn)。

3.2 參數(shù)化

在成功建立連接后，IO控制器通過(guò)Write REQ(請(qǐng)求)將各子模塊的參數(shù)信息(包括IO設(shè)備特性、插入模塊數(shù)量及類型、模塊參數(shù)等)傳輸?shù)絀O設(shè)備，為每個(gè)模塊/子模塊定義單獨(dú)的參數(shù)集。

控制器在W rite REQ的數(shù)據(jù)幀中將組態(tài)時(shí)設(shè)備的全球唯一的應(yīng)用標(biāo)識(shí)符ARUUID及該對(duì)象的地址和長(zhǎng)度、槽和子槽的信息傳送給設(shè)備。從采集的報(bào)文中可以看到:應(yīng)用進(jìn)程為每一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求提供一個(gè)Seq－Number，IO設(shè)備使用Write RES來(lái)確認(rèn)參數(shù)賦值數(shù)據(jù)的接收，在響應(yīng)幀中傳輸對(duì)象本身的真實(shí)配置信息及響應(yīng)數(shù)據(jù)。

所有的通信參數(shù)被加載到IO設(shè)備后，控制器使用結(jié)束控制DControl命令通知IO設(shè)備結(jié)束參數(shù)化過(guò)程。IO設(shè)備使用確認(rèn)控制命令CControl激活連接應(yīng)用，表示所請(qǐng)求的AR已建立完畢，IO控制器給予響應(yīng)確認(rèn)。至此，PROFINET系統(tǒng)啟動(dòng)階段結(jié)束。

3.3 數(shù)據(jù)交換

如圖6中，控制器和IO設(shè)備早在連接建立后，激活了提供者/消費(fèi)者報(bào)警狀態(tài)機(jī)，開啟供應(yīng)者以及帶監(jiān)控的消費(fèi)者協(xié)議機(jī)。在隨后的寫參數(shù)中設(shè)置傳送服務(wù)參數(shù)，包括目的MAC和源MAC、VLAN和減速因子等通訊參數(shù)，激活報(bào)警狀態(tài)機(jī)。

在各種通信CR建立起來(lái)后，IO控制器和IO設(shè)備之間開始進(jìn)入循環(huán)的數(shù)據(jù)交換過(guò)程(數(shù)據(jù)交換報(bào)文幀格式如圖3所示)。數(shù)據(jù)單元中包括實(shí)時(shí)的I/O數(shù)據(jù)，以及供應(yīng)者狀態(tài)IOPS(IO Provider Status)和消費(fèi)者狀態(tài)IOCS(IO Consumer Status)。

控制器和IO設(shè)備既可以作為提供者以固定時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以消費(fèi)者身份接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行全雙工的循環(huán)數(shù)據(jù)交換。傳輸期間由看門狗監(jiān)控是否超時(shí)，另外通過(guò)IOPS和IOCS實(shí)時(shí)評(píng)估傳輸I/O數(shù)據(jù)的質(zhì)量，識(shí)別各種通信問(wèn)題。若有故障發(fā)生，則將其告知應(yīng)用，并及時(shí)報(bào)警。

3.4 故障處理

PROFINET有著強(qiáng)大的故障處理機(jī)制，可用于報(bào)警和診斷誘發(fā)的故障，以及系統(tǒng)定義事件和用戶自定義的報(bào)警事件。

一旦IO控制器或IO設(shè)備因系統(tǒng)故障或通道出錯(cuò)造成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，都將觸發(fā)報(bào)警。IO設(shè)備將報(bào)警信息讀入診斷緩沖區(qū)，并以非循環(huán)實(shí)時(shí)報(bào)文RTA的方式報(bào)告控制器，等待控制器給予確認(rèn)和處理。報(bào)警/診斷的結(jié)構(gòu)和處理過(guò)程如圖7所示。

圖7 報(bào)警/診斷信息處理過(guò)程

現(xiàn)以西門子CPU416－3PN/DP控制器和ET200S設(shè)備為例，用profitap采集其出錯(cuò)報(bào)文幀如圖8所示。

圖8 故障報(bào)警信息

“Status”中的錯(cuò)誤代碼描述了詳細(xì)的故障信息:“0xcf”說(shuō)明存在RTA協(xié)議錯(cuò)誤，“0x11”表示“AR removed”應(yīng)用關(guān)系關(guān)閉，指示終端模塊拔出。

由于PROFINET技術(shù)基于以太網(wǎng)技術(shù)，用戶可以通過(guò)SNMP簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議［6］中的管理信息庫(kù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)診斷，借助OPC服務(wù)器或Web瀏覽器監(jiān)視整個(gè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。

工程技術(shù)人員可提取控制系統(tǒng)故障時(shí)的報(bào)文幀信息，通過(guò)判斷實(shí)時(shí)獲取設(shè)備模塊的狀態(tài)，例如:丟站，模塊錯(cuò)誤等，以及詳細(xì)的通道故障，如:模擬量通道的斷線、短路、過(guò)載、欠壓等信息。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)警報(bào)器或HMI設(shè)備快速地報(bào)告故障信息，便于操作員對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，快速消除故障，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。如果將其報(bào)文幀中故障信息融入FCS(Fieldbus Control System)故障診斷系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化設(shè)備維護(hù)和管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從PROFINET采用的獨(dú)特通信棧結(jié)構(gòu)、總線循環(huán)時(shí)間分配技術(shù)、優(yōu)化報(bào)文幀結(jié)構(gòu)等三方面討論了其實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)的機(jī)理;從提供者/消費(fèi)者非證實(shí)的“推”模型講解了PROFINET技術(shù)全雙工循環(huán)數(shù)據(jù)交換工作機(jī)理;從工作狀態(tài)機(jī)詳細(xì)剖析了通信連接建立、參數(shù)化、數(shù)據(jù)交換的啟動(dòng)過(guò)程;最后，結(jié)合采集報(bào)文分析了其多級(jí)別的故障處理機(jī)制:基于槽/子槽的通道診斷技術(shù)和借助SNMP的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)。本文可為學(xué)習(xí)和深入應(yīng)用PROFINET技術(shù)的用戶提供較多支持和參考。

［1］ 王永華，Andy Verwer.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用教程(2版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］ 彭杰，應(yīng)啟戛.PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)分析［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2010，32(2):188 －191.

［3］ 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)－現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范類型10:PROFINET IO規(guī)范［S］.GB/Z25105.1，2010.

［4］ Raimond Pigan，Mark Metter，湯亞鋒，等.西門子PROFINET工業(yè)通信指南［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［5］ 孫凡金，劉彥呈，潘新祥.PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性通信協(xié)議分析［J］. 低壓電器，2008，50(21):30－33.

［6］ PROFINET系統(tǒng)手冊(cè)［Z］.2012.3.