上一期，我向大家介绍了 OPC UA。这一期我们关注在现场控制的实时以太网协议 PROFINET。

首先我们看一下PROFINET诞生的原因：随着工业的不断发展，自动化的用户提出了新的需求,如机器和设备的创新概念、成本的降低、资源的优化利用、高质量的产品和生产力的不断提高。如何满足这些新的需求，不仅自动化的产品需要创新，工业网络也需要创新。传统的现场总线PROFIBUS已经具有了很多的优点：如快速IO实时数据通信、集成的故障安全功能和全面的诊断功能。但为了满总新的需求如何把现场总线PROFIBUS与以太网的高传输速率、无线技术及灵活的拓扑等优势技术相结合。西门子给出了最终的创新方案那就是PROFINET。PROFINET结合了两个世界的优势。既有工业应用所需的PROFIBUS属性，又有以太网的属性。它最终实现了工业实时以太网。

PROFINET 满足工业实时控制的实时以太网

PROFINET是在标准以太网上实现了工业实时网络的一种通信协议。所以PROFINET是100%的以太网。以太网是IT世界快速数据交换的既定标准（及IEEE 802.3标准）。PROFINET采用的以太网全双工的通信机制，即同时在两个方向进行数据通信。PROFINET也采用的以太网中的交换以太网技术，也有人称它为“交换以太网”。根据以太网交换机的工作原理，我们可知，网络的拓扑结构会影响网络负载的分布情况。PROFINET既然是交换以太网，所以它的拓扑结构很灵活，可以线性拓扑、星型拓扑、环形拓扑、树型拓扑等，这一点相比于PROFIBUS的总线型拓扑来说非常具有优势。因为PROFIBUS的总线型拓扑网络的性能直接依赖于节点数量的多少。而PROFINET不在再受此约束。

PROFINET 是100%的以太网

PROFINET使用以太网的消息帧的标准化结构。在TCP/IP的参考模型中TCP/IP协议再传输层、网络层及数据链路层进行封装，而对于PROFINET实时应用来说，它没有采用TCP/IP的封装，而是直接在数据链路层进行封装，这样可以提高网络通信性能，因为我们知道数据没经过一层，都需要在这一层进行数据的封装或解封装，这都是需要耗费时间的，而对于工业实时控制应用来说延时越小越好，也就是经过的OSI参考模型中的层越少越好。所以为了快，PROFINET的实时应用协议直接在数据链路层上封装上层的应用层协议。应用层协议的开始就是PROFINET应用协议的报文头。这样级减少了数据的开销量，又可以对带宽进行最佳利用，从而实现PROFINET的高实时性能。

PROFINET优化的通信协议栈

PROFINET与传统的以太协议的不同之处在于在以太网的前面加上了“工业实时”，也就是是为了满足工业控制的需求，在众多的以太网协议中又开发了针对工业实时控制应用的协议。那么它的“实时”体现在哪里了呢？接下来我们看一下PROFINET的实时特性。PROFINET控制器与PROFINET设备连接的以太网采用的是实时调度机制。也就是把传统以太网的随机通信的模式变成了基于时间隙的周期通信的模式。每个周期内先完成实时IO数据的交换，然后留一定的时间给普通的TCP/IP通信。为了让IO的数据在交换机上被优先转发，所以对于IO数据采用了802.1Q的优先级。这样当TCP/IP和IO数据都在网络上传输时，传输设备优先转发PNIO的数据。这样的设计即满足普通TCP/IP的通信需求，又满足工业实时IO数据的通信的需要。即实现一根电缆上实现实时通信和标准通信。

PROFINET 时间切片技术

PROFINET是100%的交换以太网，采用的以太网中的交换技术；PROFINET支持使用IT标准例如我们常使用的TCP/IP标准；PROFINET是实时并具有确定性的通信。从下图可以看到PROFINET支持着多种类型的数据，标准数据（用于组态和参数化、诊断数据的读取、建立用户数据通信通道）和实时数据（包括RT 和 IRT 两种实时数据）。RT（Real Time）的实时数据用来传输循环用户数据和事件触发的消息和报警。IRT则需要特殊的硬件ASIC芯片的支持。IRT不仅需要传输循环的用户数据而且对于数据的确定性要求高，往往被用在高精度的定位控制中的通信协议。它是一种基于时间调度的通信协议。PROFINET根据不同的应用场景可以满足大多数自动化控制的通信的需求。即可满足标准的TCP/IP的通信需求也可满足实时的通信需求，还可以满足运动控制的等时实时的通信的需求。

PROFINET 通过时间切片技术实现多种协议的并存

前面我们对PROFINET的技术做了介绍，下面我们来看一下PROFINET技术具有哪些优点。我们可以从三个方向来讲PROFINET的优点。1是从灵活性、2是从高效性、3是从高性能性。

1、PROFINET的灵活性

PROFINET支持工业无线局域网。由于无线网络的使用使得工厂操作运行方式更加灵活。如在布线不方便地方或设备经常需要移动的地方可以采用无线的解决方案，使网络实现起来更快且方便。通过在无线的解决方案可以降低相比与以前使用自接触导线或拖缆的维护成本。操作员也可以通过无线触摸屏来操控生产线，操作更佳灵活方便。而工业无线局域网的解决方案可以进行具有确定性的PROFINET通信。

PROFINET 支持无线和PROFISafe通信

PROFINET可以无缝集成故障安全的通信（如上图所示）；由于无缝集成，所以无需额外的电缆或安全控制器，因此可利用现有的网络基础设施。一系列的产品可用于故障安全应用的集成：故障安全控制器，故障安全I/O和故障安全驱动器等；这样也可轻松第从PROFIBUS过渡到PROFINET。

2、PROFINET的高效性

在一条 PROFINET电缆上可以实现所有功能。着些功能包括所有机器和工厂数据传输 -如过程数据，诊断数据，IT数据等。一些特定应用通信（PROFIsafe的，PROFIDRIVE和PROFIenergy）也可以无缝集成，无需额外的布线开销。通过PROFINET 机器与工厂之间可以交换所有的数据。

PROFINET 一条电缆实现所有功能

网络组件具有简便的安装方式、且具有强应力设计和屏蔽保护，非常适合于工厂恶列的环境。不仅如此环能节省安装时间和安装成本。且每一种应用均有可选择的连接方式，比如对于高防护等级的场景可以用高防护的快速连接接头。针对不同的连接接头都有对应的快速连接工具。

维修时更换设备无需编程工具或工程人员。把新的设备从仓库取出可以直接放入机器种，工厂即可重新如运行。无需在设备上进行设置。

3、PROFINET的高新能性

高性能的一个体现是能满足高速的应用，而这是得益于等时实时的通信。等时实时通信独占用网络带宽，最高性能可达31.25微秒周期。可根据应用的具体需求来调整实时通信的配置。这样可使机器或设备提高生产力。针对不同的应用，对时间的实时响应是不同的。典型的工厂应用是10m即的。对于运动控制是1ms。对于特殊的同步应用是100us级的。PROFINET 可满足任何与性能相关的这些需求。

高性能方面的另一个体现的优点是满足高精度应用的需求。没有这个功能是，每个部分自己是一个小循环，整体来上是不协调的，这样就抖动性大，不能保证应用的身产质量。当采用了同步的等式实时应用和，所有部分都被协调同步，这样就减小了抖动性，同时也保证了实时性，通过此满足了多轴同步运动控制的场景。

总而言之，PROFINET的开放标准的优点体现为一个标准满足所有的需求。它可以用于工厂自动化、运动控制和过程自动化；标准的数据和PN的IO实时数据可以并行使用。这些特点使得现有的以太网设备基础网络容易与PROFINET网络集成在一起。PROFINET的开放标准的另一个体现是PROFINET是国际定义的标准（IEC61158/61784），它是由来自100多个国际厂商，超过600多种PROFINET 设备。由于PROFINET 是100％ 按照 IEEE 以太网协议设计，所以可以使用标准以太网组件。

在从技术本身上来看PROFINET的开放性，我们可以看到PROFINET上实现了所有标准以太网类型的通信（例如TCP / IP），不仅如此，它还实现了实时的以太网标准。对于设备制造商使用的软件开发包可以简单地集成PROFINET功能。也正式由于其技术开放的标准，所以可以使用web来访问控制器；也可用标准的计算机通过TCP/IP访问控制器的测量数据，并保存这些测量数据。使用这些测量数据来保证每一台机器的生产质量。

PROFINET 的创新性地把PROFIBUS和以太网的优点相结合。最终很好的满足了用户的新的需求。用户的机器和设备可以更灵活多样。用户也可以获得更高的效率，使用高性能特点来提高生产率。

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