Profinet IO系統(tǒng)的實時技術(shù)架構(gòu)分析

李永生，杜文博

(北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)

0 引言

Profinet是國際標準IEC 61784和IEC 61158共同確認的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之一。由于Profinet技術(shù)性能滿足工業(yè)通信的需求，再加上其主要推動者西門子公司在工業(yè)自動化市場上的優(yōu)勢地位，Profinet在目前的工業(yè)以太網(wǎng)市場上占有較大份額。

與其他工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)一樣，Profinet的技術(shù)架構(gòu)基于IEEE的標準以太網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上進行了實時擴展，以滿足工業(yè)通信所要求的實時性和確定性。

實時性是工業(yè)以太網(wǎng)重要的性能。為了驗證西門子Profinet的實時性能，國內(nèi)外眾多學者作了研究和測試，積累了許多值得借鑒的案例和數(shù)據(jù)，但是也存在相當多的錯誤理解和計算。這些研究的對象集中于西門子Profinet產(chǎn)品中應用廣泛、能體現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)接近現(xiàn)場特點的Profinet IO系統(tǒng)。這些研究的方向主要集中于交換機和IO設(shè)備連接造成的通信時間延遲。本文的研究方向?qū)⒉幌抻诖恕?/p>

本文將從Profinet IO系統(tǒng)的工程應用出發(fā)，全面分析Profinet IO系統(tǒng)的實時技術(shù)架構(gòu)，試圖揭示影響Profinet IO系統(tǒng)實時性能的因素，并據(jù)此嘗試探討未來技術(shù)改進的方向。另外，本文還將依據(jù)通信和可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)的基本原理，對某些西門子未作詳盡說明但是與Profinet IO系統(tǒng)實時性能相關(guān)的因素作出合理推測。

1 從通信功能方面分析

從通信功能看，衡量Profinet IO實時性能，即其提供的通信服務質(zhì)量(quality of service,QoS)，有以下兩個指標。①響應時間(response time,RT),也稱為延遲時間(latency time,LT)。其一般理解為以下過程經(jīng)過的時間在一個設(shè)備應用中生成一個變量，然后通過通信系統(tǒng)將該變量發(fā)送給一個伙伴設(shè)備，其后可以在該伙伴設(shè)備的應用中再次獲得該變量。②抖動(jitter)是響應時間的變化，即實際最大響應時間和實際最小響應時間的差值。

西門子在產(chǎn)品推廣中對QoS多有表述。西門子Profinet QoS如表1所示[1]。

表1 西門子Profinet QoS Tab.1 Siemens Profinet QoS

參數(shù)中，QoS等級2對應的分布式IO設(shè)備，就是本文討論的Profinet IO系統(tǒng)RT技術(shù)。

1.1 通信技術(shù)架構(gòu)

Profinet IO系統(tǒng)RT技術(shù)基于IEEE 802.3和IEEE 802.1Q標準，繼承了全雙工快速以太網(wǎng)、交換以太網(wǎng)、優(yōu)先級標簽和虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，擴展了實時特性之后也對IEEE標準進行了修改[2]。

①全雙工快速以太網(wǎng)。Profinet IO系統(tǒng)RT技術(shù)以IEEE 802.3為基礎(chǔ)，采用了100BASE-TX和100BASE-FX全雙工快速以太網(wǎng)技術(shù)。對于未使用全雙工技術(shù)的以太網(wǎng)來說，全雙工支持同時發(fā)送和接收，故在理論上可以使帶寬增加一倍，即傳輸速度翻一番。全雙工的特性之一體現(xiàn)在發(fā)送和接收各使用一對雙絞線，共有兩對雙絞線。

快速以太網(wǎng)始于1993年，至今已經(jīng)有近30年的歷史。無論是略高于100 MB的傳輸速度，還是4B5B編解碼的可靠性[3]，其性能在今天看來已經(jīng)很平常了。

IEEE 802.1中定義的標準以太網(wǎng)為基于快速以太網(wǎng)的TCP(UDP)/IP通信。標準以太網(wǎng)的點對點數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示。

圖1 標準以太網(wǎng)的點對點數(shù)據(jù)傳輸示意圖 Fig.1 Point to point data transporting of standard ethernet

T1為提供者和消費者內(nèi)部生成數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的時間，不屬于通信時間，對應ISO/OSI模型中的應用層。T2為在協(xié)議棧中進行數(shù)據(jù)處理的時間，包括數(shù)據(jù)由提供者三次封包和消費者三次解包的時間。三次解包和封包分別對應ISO/OSI模型中的傳輸層、網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層。T3為數(shù)據(jù)在屏蔽雙絞線中傳輸所經(jīng)歷的時間，對應ISO/OSI的物理層。Profinet傳送標準數(shù)據(jù)，即非實時(non real time,NRT)數(shù)據(jù)時，使用標準以太網(wǎng)協(xié)議。Profinet標準結(jié)構(gòu)如圖2所示。Profinet傳送最大的幀為NRT的標準快速以太網(wǎng)幀1 518 b，在100 Mbit/s的傳輸速度下每個字節(jié)耗時80 ns。那么傳輸時間T2為121.44 μs。數(shù)據(jù)在屏蔽雙絞線中的發(fā)送速度大約為200 m/μs，兩個設(shè)備之間的最大距離設(shè)定為100 m，則傳輸時間T3大約為0.5 μs。由此可見，Profinet點對點傳輸標準TCP/IP最大幀的時間為T2+T3+T2=243.38 μs。如果Profinet IO系統(tǒng)中的通信流量足夠小，則通信的響應時間(延遲時間)為243.3 8 μs。

圖2 Profinet標準結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Profinet standard structure

②交換機。以太網(wǎng)需要采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測協(xié)議(carrier sense multiple access with collision detection,CSMA/CD)機制來解決數(shù)據(jù)在傳輸媒體中的沖突。這就造成了不確定性。在交換機組成的以太網(wǎng)(即所謂交換以太網(wǎng))中，交換機的每個端口都是一個沖突域。各個沖突域通過交換機進行隔離，各端口之間根據(jù)報文幀中的MAC源地址和目的地址形成數(shù)據(jù)通道，避免了由CSMA/CD造成的不確定性。標準以太網(wǎng)交換機在解析報文幀獲得MAC源地址和目的地址、促成各端口之間通信的過程中，一般按照存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制(store & forward,s&f)。這會造成時間延遲。如西門子的Scalance X200交換機，經(jīng)查閱手冊，其最小RT幀的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間為10 μs、最大RT幀延遲時間為120 μs。

③優(yōu)先級標簽。IEEE 802.1Q以在報文中增加優(yōu)先級標簽的方式對以太網(wǎng)報文進行了優(yōu)先級分級。在交換機中進行儲存轉(zhuǎn)發(fā)時，對不同類別的報文幀按照優(yōu)先級分級排隊，并以優(yōu)先級高低順序進行報文轉(zhuǎn)發(fā)。RT數(shù)據(jù)擁有比TCP/IP數(shù)據(jù)更高的優(yōu)先級。對于儲存轉(zhuǎn)發(fā)方式，交換機的優(yōu)先級機制如圖3所示。

圖3 交換機的優(yōu)先級機制示意圖 Fig.3 Switch priority ranking

交換機轉(zhuǎn)發(fā)報文過程中：報文1是非實時的；報文2和報文3是實時的，且報文3的優(yōu)先級較高。但由于端口2正在對報文1進行轉(zhuǎn)發(fā)，即使它是非實時的也不能中斷，所以會首先被發(fā)送出去；而報文2和報文3按照優(yōu)先級排列等待發(fā)送。最終端口1的發(fā)送順序是：報文1→報文3→報文2。

對于Profinet IO系統(tǒng)，正常運行時，交換機端口上的數(shù)據(jù)一般都是優(yōu)先級相同的RT數(shù)據(jù)。這時按先后順序排隊轉(zhuǎn)發(fā)。如果數(shù)據(jù)的負荷或者流量過大、排隊過長，有可能延長儲存時間，所以需要控制數(shù)據(jù)流量，具體來說就是限制IO設(shè)備數(shù)量。

④虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network,VLAN)。虛擬局域網(wǎng)可以跨多個交換機。交換機每一個端口只能標記一個VLAN。同一個VLAN中所有端口擁有一個廣播域，而不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的。這樣就避免了廣播風暴的產(chǎn)生。網(wǎng)絡劃分VLAN，不需要對網(wǎng)絡的物理結(jié)構(gòu)重新進行調(diào)整，也不需要追加網(wǎng)絡設(shè)備，只需要在具有網(wǎng)管功能的設(shè)備如交換機和路由器上進行設(shè)置即可。劃分VLAN是一項高度靈活的工作，需要積累實踐經(jīng)驗才能獲得優(yōu)化的VLAN劃分，從而提高網(wǎng)絡通信質(zhì)量，避免故障與丟包。而劃分VLAN也與網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。

⑤拓撲結(jié)構(gòu)。標準以太網(wǎng)以星形拓撲結(jié)構(gòu)較為常見，Profinet則有星形、線形、樹形、環(huán)形等多種拓撲結(jié)構(gòu)。這是由于Profinet所應用的現(xiàn)場設(shè)備的復雜情況造成的。從對Profinet的實時性影響來看，星形拓撲結(jié)構(gòu)最優(yōu)；通過多個交換機串聯(lián)形成的線形拓撲結(jié)構(gòu)對實時性影響最大，尤其是離IO控制器越遠影響越大。這是因為每多一個交換機都會增加一個儲存轉(zhuǎn)發(fā)延遲。Profinet的拓撲結(jié)構(gòu)，從規(guī)劃施工到運營維護都可能會帶來問題。拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)常和VLAN的劃分、線路連接、網(wǎng)絡配置交織在一起，設(shè)置不合理就會造成網(wǎng)絡通信不穩(wěn)定甚至中斷，從而引起生產(chǎn)中斷[4-5]。這一點在文獻[4]所描述的案例中得到了集中體現(xiàn)，最為典型。

⑥實時擴展。從上文對標準以太網(wǎng)的分析中，可以知道數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中進行處理的時間占了延遲時間的絕大部分，而在屏蔽雙絞線中的傳輸時間基本可以忽略。為了提高實時性能、減小延遲時間，一個顯而易見的改進手段是減少數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中的處理時間。Profinet IO采取的實時擴展辦法是減少協(xié)議棧中的處理層級，略去網(wǎng)絡層和傳輸層，只保留數(shù)據(jù)鏈路層。Profinet IO系統(tǒng)對以太網(wǎng)的實時擴展如圖4所示。這樣，Profinet的RT數(shù)據(jù)通過MAC地址進行通信，因沒有網(wǎng)絡層而無法進行路由。因為Profinet的RT數(shù)據(jù)只在本地現(xiàn)場設(shè)備中使用，也無需路由到其他網(wǎng)絡。由此可以認為，數(shù)據(jù)在Profinet RT協(xié)議棧中的傳輸時間約為快速以太網(wǎng)協(xié)議棧中的1/3。Profinet最小RT幀為88 b，最大RT幀為1 488 b。每個字節(jié)耗時為標準快速以太網(wǎng)80 ns的1/3，即26.67 ns。那么傳輸最小RT幀和最大RT幀的時間分別為2.35 μs和39.68 μs。數(shù)據(jù)在屏蔽雙絞線中的傳輸延時仍為0.5 μs。

圖4 Profinet IO系統(tǒng)對以太網(wǎng)的實時擴展示意圖 Fig.4 Profinet IO system RT extensions for ethernet

Profinet IO RT技術(shù)僅使用ISO/OSI模型的一層和二層，使用MAC地址進行通信，無法進行路由，是一種局域網(wǎng)技術(shù)，完全符合IEEE 802.3所規(guī)定的以太網(wǎng)特性。因此，西門子在進行產(chǎn)品推廣時經(jīng)常說Profinet IO RT技術(shù)是百分百的以太網(wǎng)。實際上，Profinet IO系統(tǒng)實時幀在IEEE 802.3中有一個特定的類型標簽0X8892。這是Profinet IO RT對IEEE802.3標準的修改與擴展。

1.2 通信延遲時間計算

由于現(xiàn)場設(shè)備情況復雜，所應用的IO設(shè)備數(shù)量和拓撲結(jié)構(gòu)變化不定，所以沒有一個固定不變的延遲時間。但是，可以通過合理設(shè)定條件計算得出一個最大的延遲時間。對于一個通信系統(tǒng)而言，為了保證通信質(zhì)量，需要控制通信負荷(或者說流量)。對于Profinet IO系統(tǒng)，控制通信流量的主要方法就是控制系統(tǒng)中的IO設(shè)備數(shù)量。西門子S7-300系列PLC產(chǎn)品目錄中性能最強大的CPU319，可連接的最大IO設(shè)備數(shù)目為256。但在實際應用中，每個PLC連接的IO設(shè)備數(shù)量不會超過64個，超過64個就分配給兩個以上PLC。首先，設(shè)定有64個IO設(shè)備，再設(shè)定對響應時間影響最大的拓撲結(jié)構(gòu)。如果有一個IO設(shè)備通過64個交換機串聯(lián)形成線形拓撲結(jié)構(gòu)與IO控制器相連，那么這個IO設(shè)備與IO控制器之間的通信延遲時間是最長的，故可由此計算出Profinet系統(tǒng)的最大延遲時間。在正常運行時，Profinet IO系統(tǒng)中的RT幀都是高頻率小幀。這里，為了計算最大延遲時間，設(shè)定為1 488 b的RT最大幀[6-8]。

除了上述設(shè)定之外，還需要考慮Profinet IO系統(tǒng)在應用中的兩個現(xiàn)實情況。這兩個現(xiàn)實情況并非設(shè)定。首先，Profinet IO系統(tǒng)作為現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡，與企業(yè)管理網(wǎng)絡系統(tǒng)是隔離的。在正常運行時，企業(yè)管理網(wǎng)絡中的標準TCP/IP數(shù)據(jù)是嚴格限制進入Profinet IO系統(tǒng)的。進入Profinet IO系統(tǒng)的管理級TCP/IP數(shù)據(jù)一般發(fā)生在IO控制器所連接的交換機上，且流量受限，可以不用考慮對IO系統(tǒng)實時性能的影響。其次，在正常運行時，Profinet IO系統(tǒng)中只有循環(huán)RT數(shù)據(jù)。對Profinet IO系統(tǒng)進行診斷與設(shè)置的TCP(UDP)/IP數(shù)據(jù)很小，僅在設(shè)置與診斷時(比如使用WBM對IO控制器或設(shè)備進行設(shè)置和診斷)發(fā)生；發(fā)生實時報警時的狀態(tài)，也并非正常運行狀態(tài)，不考慮對IO系統(tǒng)實時性能的影響。

結(jié)合上述條件計算如下：一個1 488 b的最大RT幀，在協(xié)議棧中的處理時間為2×T2=1 488×26.67×2=79 369.92 ns=79.37 μs。在64個交換機和64段100 m電纜中的延遲時間為64×(120+0.5)=7 712 μs，則延遲時間為79.37+7 712=7 791.37 μs，約7.79 ms，接近8 ms。雖然西門子公司宣稱RT延遲時間為10 ms,但是考慮到西門子在其PLC編程軟件中設(shè)定的刷新時間都是2的次方數(shù)(即1 ms,2 ms,4 ms,8 ms,16 ms,32 ms,64 ms…)，并沒有10 ms這一選項，那么8 ms就是與西門子公司宣稱的RT延遲時間10 ms最為接近的。另外，西門子公司向客戶建議的最大刷新時間一般為8 ms。這在文獻[9]～文獻[11]中都有體現(xiàn)[9-11]。

文獻[9]、文獻[10]和文獻[12]都對延遲時間進行了計算，尤其文獻[9]的計算方法直接來自于西門子公司的一個培訓教程視頻。這個視頻雖然出自西門子某位工程師之手，但是計算延遲時間的方法存在錯誤。首先，對RT數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中傳輸時間的理解存在錯誤。在計算Profinet RT每字節(jié)數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中的傳輸時間時仍舊按標準快速以太網(wǎng)每字節(jié)傳輸時間計算，甚至也不按RT數(shù)據(jù)每幀的大小來計算，而是按標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)每幀的大小來計算。Profinet RT對標準快速以太網(wǎng)進行實時擴展，省去了標準以太網(wǎng)ISO/OSI模型中的傳輸層和控制層，只剩下了數(shù)據(jù)鏈路層，從而節(jié)約傳輸時間。故RT數(shù)據(jù)傳輸時間理應按標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時間的1/3進行計算，數(shù)據(jù)大小應按RT幀大小進行計算。其次，有的設(shè)定條件與實際不符。實際應用中，Profinet IO系統(tǒng)中應按只有循環(huán)RT數(shù)據(jù)進行計算，即使有NRT數(shù)據(jù)和非循環(huán)RT數(shù)據(jù)，其流量之小可忽略不計。再次，有的設(shè)定條件不符合邏輯。計算最大延遲時間，理應使用RT最大數(shù)據(jù)幀，而非RT或NRT最小數(shù)據(jù)幀。

1.3 技術(shù)架構(gòu)評價

1.1節(jié)中各項技術(shù)，每一項都和交換機直接相關(guān)，都通過交換機實現(xiàn)。交換機理應是Profinet IO系統(tǒng)通信功能的核心。但是在Profinet標準中，并未把交換機列為和IO控制器、IO設(shè)備、IO監(jiān)視器并列的單獨一種，而是被視為一種IO設(shè)備。這也許是為了體現(xiàn)Profinet使用標準以太網(wǎng)交換機，因而不在Profinet標準中另作說明。

根據(jù)上述延遲時間計算，可以確認拓撲結(jié)構(gòu)是造成Profinet IO系統(tǒng)通信延遲的主要因素。與之相比，Profinet IO對于標準以太網(wǎng)作實時擴展所節(jié)約的時間甚至是微不足道的。即使沒有經(jīng)過實時擴展，在采用上述計算條件的情況下，標準以太網(wǎng)最大延遲時間為121.44×2+(0.5+120)×64=242.88+7 712=7 954.88 μs=7.95 ms，與實時擴展所得的結(jié)果(即7.79 ms)并沒有太大的差別。所以，正如文獻[13]和文獻[14]所說，即使沒有實時擴展，采用全雙工快速以太網(wǎng)、交換以太網(wǎng)、優(yōu)先級標簽和虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的標準以太網(wǎng)也可以達到10 ms的延遲時間。其關(guān)鍵在于控制通信流量。在西門子網(wǎng)絡規(guī)劃軟件Sinetplan中，通信流量(即網(wǎng)絡負載)是一項重要指標。當網(wǎng)絡負載超過20%，軟件就會自動發(fā)出警告。

以上討論的是Profinet IO系統(tǒng)的通信功能技術(shù)架構(gòu)對實時性能的影響，著重在通信功能的延遲時間或響應時間。通信功能的響應時間只是Profinet IO系統(tǒng)響應時間的一部分。

2 從IO控制器方面分析

評價包括Profinet IO系統(tǒng)在內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)的實時性能，理應評價整個系統(tǒng)的響應時間，而不應僅僅著眼于通信功能的響應時間。系統(tǒng)的響應時間，才是工程應用中需要的實際響應時間。在Profinet IO系統(tǒng)中，IO控制器居于核心地位，其實時技術(shù)架構(gòu)對整個系統(tǒng)的實時性能起著決定性的作用。本文接下來分析IO控制器技術(shù)架構(gòu)中與實時性能相關(guān)的部分，由此分析影響Profinet IO系統(tǒng)實時性的因素。

Profinet IO系統(tǒng)中的IO控制器一般指PLC。以下均以西門子PLC為例。

在實際應用過程中，Profinet IO系統(tǒng)的響應時間是指從檢測到輸入信號開始，到更改與該信號相關(guān)的輸出信號結(jié)束的時間。Profinet IO系統(tǒng)的響應時間和多種處理周期有關(guān)。Profinet IO系統(tǒng)響應時間結(jié)構(gòu)如圖5所示。輸入信號在分布式IO信號模板中的被讀入周期為T1，ET200背板總線的循環(huán)周期為T2，Profinet總線通信周期為T3，PLC的循環(huán)周期為T4，反方向T5～T7為輸出周期。計算Profinet IO系統(tǒng)的響應時間，理應考慮到這幾個周期所造成的影響。而這幾個周期是如何造成影響的，則需要首先分析PLC的實時技術(shù)架構(gòu)[15]。

圖5 Profinet IO系統(tǒng)響應時間結(jié)構(gòu)圖 Fig.5 Profinet IO system response time structure

2.1 IO控制器實時技術(shù)架構(gòu)

通信系統(tǒng)一般都會涉及到信號采樣和信號恢復兩個過程，并且遵循香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理。香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理簡單表述如下：采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，或者說采樣周期小于信號最小周期的1/2時，才能使采樣之后的信號完整地恢復原始信號。

①信號采樣。Profinet IO系統(tǒng)的信號采樣體現(xiàn)在IO設(shè)備向PLC周期性發(fā)送輸入信號。這個周期即IO設(shè)備的刷新時間。每個IO設(shè)備的刷新時間都基于其通信響應時間，可以在PLC編程軟件中設(shè)置。為了保證確定性，需要設(shè)置比實際響應時間略大的值，最大不能超過信號最小周期的1/2，以保證有效采樣。這就是Profinet IO系統(tǒng)通信功能的響應時間體現(xiàn)其作用的方式。西門子Profinet IO設(shè)備的刷新時間都是在給定的2的次方數(shù)的時間中作選擇，如某IO設(shè)備響應時間為7.79 ms，那么刷新時間可以選為8 ms。在PLC編程軟件中組態(tài)IO設(shè)備時，其刷新時間是編程軟件讀取IO設(shè)備的GSD文件來自動確定的，并不考慮拓撲設(shè)置，所以在拓撲結(jié)構(gòu)中線性連接較多的情況下仍需手動設(shè)置刷新時間。

②通信周期。所有IO設(shè)備完成一次刷新的時間就是一個刷新周期，即一個通信周期。由于每個IO設(shè)備的刷新時間不同，故Profinet IO系統(tǒng)的通信周期由刷新時間最長的IO設(shè)備決定。由于西門子Profinet IO設(shè)備的刷新時間都是在給定的2的次方數(shù)的時間中選擇，所以通信周期是很容易確定的。刷新時間和通信周期如圖6所示。1#、2#、3#、4#IO設(shè)備的刷新時間分別是1 ms、2 ms、2 ms、4 ms。因此，通信周期是4 ms。

圖6 刷新時間和通信周期示意圖 Fig.6 Update time and communication cycle

③信號恢復。輸入信號的采樣值恢復為原始信號值，然后在外設(shè)IO緩存區(qū)被CPU讀入過程映像輸入?yún)^(qū)。這是PLC處理輸入值的一般流程。為了把孤立的每個時間點上的采樣信號恢復為真實信號，至少需要兩個采樣值，因為至少兩次采樣才能體現(xiàn)采樣頻率。即使對于實際應用中最常使用的開關(guān)量信號，也需要至少兩次采樣才能取得正確的恢復信號。這是為了避免一次采樣采到開關(guān)量信號的末端造成信號失真。也就是說，至少在兩個通信周期之后，PLC才能取得采樣的原始信號值。

④過程映像。過程映像是西門子PLC的一個重要概念。一般流程中，在用戶程序?qū)斎胼敵?IO地址區(qū)進行尋址時不查詢數(shù)字信號模塊的信號狀態(tài)，而是訪問CPU系統(tǒng)存儲器中的過程映像存儲區(qū)，包括輸入過程映像和輸出過程映像兩部分。與直接訪問輸入/輸出模塊相比，訪問過程映像的優(yōu)勢在于：在循環(huán)程序處理期間，可為CPU 提供一致的過程信號映像。如果在程序執(zhí)行期間輸入模塊的信號狀態(tài)發(fā)生變化，過程映像中的信號狀態(tài)將保持不變，直到過程映像在下一個循環(huán)周期中被刷新。這樣能使PLC程序在一個循環(huán)周期中處理相同的輸入信號，避免發(fā)生異常擾動，導致輸入值不一致發(fā)生意外的輸出動作。此外，由于過程映像存儲在 CPU 的系統(tǒng)存儲器中，訪問過程映像的速度明顯快于直接訪問信號模塊。

⑤循環(huán)周期。循環(huán)周期代表PLC操作系統(tǒng)執(zhí)行一個程序的時間，即執(zhí)行一個循環(huán)程序OB1的周期，包括中斷OB1執(zhí)行過程的所有程序段和系統(tǒng)活動。在循環(huán)程序處理過程中，CPU 需要一致的過程映像信號。為此，在程序執(zhí)行之前讀取/寫入過程映像信號。對于西門子PLC,由于循環(huán)周期能被中斷，所以循環(huán)周期并不固定。循環(huán)周期可以在PLC編程和選型時確定，使循環(huán)周期至少為通信周期的兩倍。如選擇的PLC性能過高，循環(huán)周期將遠小于兩倍的通信周期，造成PLC的浪費。這時，通信功能是Profinet IO系統(tǒng)實時性能的短板。選擇的PLC性能過低，循環(huán)周期將遠大于兩倍的通信周期。這時，PLC是Profinet IO系統(tǒng)實時性能的短板。理想的循環(huán)周期和通信周期如圖7所示。

圖7 理想的循環(huán)周期和通信周期示意圖 Fig.7 Ideal cycle time and communication cycle

⑥外設(shè)尋址和循環(huán)中斷。按照一般流程，PLC的CPU至少在兩個通信周期之后才能取得恢復信號并寫入到輸入過程映像，且在循環(huán)周期內(nèi)過程映像的值保持不變。雖然有的IO設(shè)備刷新時間短，但還是要等到取得刷新時間最長的IO設(shè)備恢復信號(即兩個通信周期)之后，才能在循環(huán)周期開始時寫入過程映像輸入?yún)^(qū)。這有可能影響PLC處理某些信號的實時性。外設(shè)尋址和循環(huán)中斷就是西門子PLC為了保證實時性所打的兩種系統(tǒng)補丁，即兩種特殊流程。外設(shè)尋址是指PLC程序不經(jīng)過過程映像區(qū)讀某些輸入信號或?qū)懩承┹敵鲂盘?，而是直接從外設(shè)存儲區(qū)讀某些輸入信號或?qū)懩承┹敵鲂盘?，不需要等待兩個通信周期，也不受限于過程映像區(qū)。外設(shè)尋址雖然保證了某些信號的實時性，但是不再具備過程映像防止信號意外擾動的優(yōu)點。循環(huán)中斷(OB30-OB38)在循環(huán)程序OB1運行過程中以可設(shè)定的時間間隔循環(huán)啟動，然后處理某些刷新時間比通信周期短的信號。循環(huán)中斷雖然保證了某些信號的實時性，但是延長了循環(huán)周期，影響了整體的實時性。

2.2 響應時間計算

在Profinet IO系統(tǒng)所涉及的7個周期時間，雖然是按照順序發(fā)生，但是各周期并不同步，尤其是循環(huán)周期還是可變的，所以系統(tǒng)的響應時間是可變的。通信周期T3、T5和循環(huán)周期T4是組成Profinet IO系統(tǒng)響應時間的主要部分。T3、T4和T5的時間單位通常是ms級的，而根據(jù)西門子的技術(shù)手冊，T1、T2、T6、T7都是μs級的，實際計算中適當忽略不計。評估系統(tǒng)的響應時間，在極端情況下可能發(fā)生的最大響應時間具有參考意義，只要最大響應時間滿足了工程應用的要求即可。

西門子的技術(shù)手冊中對循環(huán)周期、最小響應時間和最大響應時間的計算都作了詳細的說明，并且把包含兩個循環(huán)周期的響應時間設(shè)為最大響應時間。但是，西門子最大響應時間發(fā)生在什么情況下都沒有作出明確說明。

合理的解釋是，對于一個開關(guān)量信號，如果在兩次通信周期中取得的信號值并不一致，那么在第二個通信周期中取得的信號值(即發(fā)生變化的值)將被忽略，仍舊把第一個通信周期取得的信號值作為信號的恢復值寫入過程映像輸入?yún)^(qū)，并在程序中進行處理。正常情況下，這會發(fā)生在開關(guān)量信號的上升沿或下降沿。高電平信號1和低電平信號0恰好在這兩個周期中分別被采樣。這是很偶然的情況。在下次兩個通信周期的采樣過程中，變化后的值將被兩次采樣，然后取得一致的信號恢復值，被寫入過程映像輸入?yún)^(qū)并在程序中進行處理。因此，這個信號的響應時間包括了兩個循環(huán)周期。信號的最長響應時間如圖8所示。

圖8 信號的最長響應時間 Fig.8 The longest response time of a signal

如果在下次兩個通信周期的采樣過程中，仍舊取得與變化前一致的信號恢復值，那么這次改變將會被視為一次意外擾動而被忽略。如果這種情況頻繁發(fā)生，有可能是采樣頻率過小，也就是刷新時間過長導致的。對此，需要采用更小的刷新時間，甚至采用外設(shè)尋址和循環(huán)中斷。

2.3 技術(shù)架構(gòu)評價

IO控制器是Profinet IO系統(tǒng)的核心。這也是Profinet IO系統(tǒng)和以太網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的不同之處。在以太網(wǎng)中，每一個節(jié)點都是平等的、去中心化的，互相之間隨機通信。但是，Profinet IO系統(tǒng)中的節(jié)點則不同，IO控制器占據(jù)著主導地位，控制著與每一個IO設(shè)備、IO監(jiān)視器的通信，而每一個IO設(shè)備、IO監(jiān)視器都與IO控制器通信，互相之間通信極少。這就造成了IO控制器連接到交換機的端口通信負荷最重，所連接的交換機通信負荷最重，有可能造成延遲。因此，必須限制流量。這主要通過控制Profinet IO系統(tǒng)中的IO設(shè)備的數(shù)量來實現(xiàn)。

優(yōu)化Profinet IO系統(tǒng)響應時間，需要從通信周期和循環(huán)周期兩個主要部分著手。Profinet IO作為一種工程技術(shù)，其RT通信的響應時間能夠滿足大部分工廠自動化應用需求。即使把通信周期即最大刷新時間設(shè)為8 ms，那么采樣頻率為125 Hz。這已經(jīng)是一個較高的頻率，超過大部分行業(yè)應用的需求。所以，外設(shè)尋址和循環(huán)中斷兩種特殊流程也很少用得上。在通信周期為8 ms的情況下，系統(tǒng)的響應時間超過40 ms，極端情況下需要兩個循環(huán)周期使響應時間超過56 ms。另外一個可以參考的關(guān)于時間的數(shù)據(jù)，是西門子PLC的循環(huán)周期報警時間為150 ms。當循環(huán)周期超過150 ms時，PLC將停止運行，并報警。

3 結(jié)論

通過對Profinet IO系統(tǒng)的實時技術(shù)架構(gòu)進行全面分析，明確了通信功能和IO控制器這兩個主要方面是如何對系統(tǒng)的實時性能即響應時間發(fā)生影響的。對于IO控制器來說，改進其響應時間的方法比較簡單直接，就是提升PLC CPU的運算能力。這也是目前西門子公司采用的主要方法。最新的S7-1500系列PLC性能要遠比S7-300/400系列強大。PLC作為Profinet IO系統(tǒng)的核心，過于中心化，并非分布式控制，對于這種技術(shù)架構(gòu)的改進還沒有具體方案。對于通信功能的響應時間來說，拓撲結(jié)構(gòu)是影響Profinet IO響應時間的主要因素。未來改善的方法應該從拓撲結(jié)構(gòu)著手，但目前尚未見到具體方案。目前來看，相對于IO控制器，通信功能是影響Profinet IO系統(tǒng)實時性能的短板。