PROFINET实时工业以太网通信技术分析

兰海春

一汽解放汽车有限公司 吉林 长春 130000

1 PROFINET实时通信

在不同的应用环境之下,PROFINET的实时性能要求也存在着一定程度上的额差异,主要包含了三种实时类型,分别为用于非苛求时间数据的TCP/UDP和IP(NRT)、用于苛求时间过程数据的实时通信(RT)以及用于时间要求特别严格的等时同步实时通信(IRT)。PROFINET的实时通信功能是基于交换式以太网之上的,并且通过相关的技术予以实现。

1.1 VLAN优化数据帧

在通信过程之中,往往会出现网络冲突的现象,而这一现象会导致时间延迟问题的产生,目前状况下在全双工交换式以太网的环境之下,这一问题已经得到较好的解决。然而如果出现当前有其他以太网数据帧处于转发口队列的情况之时,实时以太网数据帧会因此受到一定程度的阻塞而导致发送延迟。基于这一方面的考虑,协议为发送的以太网数据帧分配了一个优先级,并在其中增加了VLAN标签来对数据的优先级进行合理而有效的划分。VLAN环境之下,以太网帧被划分为0－7个优先级,在这其中PROFINET数据帧的优先级被设置为5－7级,而标准网络应用的优先级为0,这样一来,即使出现数据处理延迟的情况,PROFINET实时数据的处理也会优先于一般数据。

1.2 实时数据通道

上文中提到PROFINET提供了三种通信通道,分别为标准通道、实时通道RT以及等时同步通道IRT,在同一网络或者同一设备之上,这三种通道能够实现同时运行。在PROFINET实时通道划分之中,实时通信允许确定的传输时间,并且能够使其他的标准协议在同一个网络之中使用。相比于标准TCP/IP协议栈发送数据的过程,PROFINET实时通信环境之下,对于实时数据的处理不再依赖于相关的通信协议,而是由数据链路层进行发送与处理,这样一来,就能够对数据处理时间进行一定程度的缩短,进而有效实现实时通信的目标。

1.3 时分复用技术

对于PROFINET而言,它所采用的是100Mbps全双工数据传输模式,理论上在这一条件之下任何设备都有可能一直使用100Mbps的速度对以太网数据帧进行传输。然而也会存在着极端的情况,假设这种数据传输方式一直存在,就会对实时通信造成一定程度的影响使其无法正常工作。基于这一方面的考虑,PROFINET设计了时分多路复用机制,并以此来对相关设备的发送行为进行一定程度的限制,在时分多路复用机制之下,对实时数据和TCP/IP数据分割时间域,这样一来就能够实现在不同的时间对不同的数据进行传输。

2 PROFINET协议实时性探究

2.1 PROFINET RT协议

在PROFINET RT协议之下,运用VLAN标签对太网数据帧进行优先级划分,具体的优先级划分为0－7,0为最低级的优先级,7为最高级的优先级,而对于RT实时帧而言,其优先级一般设置为6或7,以此来保证其优先传输。一般情况下一个完整的数据帧应当包含有前导码与帧间隙空闲时间,在PROFINET RT协议之中,最小RT帧为88字节,最大RT帧为1488字节。在保证传输速率为100Mbps的前提条件之下,传输最小RT帧所需要的时间为7.04us,传输最大RT帧所需要的时间为119.04us。一般情况下在屏蔽双绞线之中,数据的传输速度大约为200m/us,也就是说假设两个设备之间相距100m时,数据传输延时大致在0.5us左右。

2.2 PROFINET IRT协议

在PROFINET之中,同步实时通信的实时要求是最为严格的,其要求总线周期在1ms之下。为了对实时通信进行有效的实现,PROFINET对精确透明时钟协议PTCP进行了一定程度的运用,并通过这一协议来对传输链路的相关时间参数进行精确而有效的记录。对于精确透明时钟协议而言,它并不具备路由能力,因此配合使用具有最精确时钟的网络节点来对其它节点的本地时钟进行微秒级的时间同步,并在此基础之上对两个网络节点之间的同步帧序列进行周期性的交换。IRT具备十分明确的传输时间点,在综合比对所处位置、帧类型标识符、以太网类型等因素的情况之下来对IRT帧进行有效确定。除此之外,IRT交换机采用直通方式转发,在传输速率上有着更大的优势。在进行直通交换的过程之中,它不再需要对整个数据包进行临时存储,而是在确定目标地址与目标端口的前提之下将数据包直接传送于目标端口,这样一来就会很大程度上对传输时间进行缩减,同时也不会受到数据帧长度的影响。一般情况下可以将PROFINET IRT协议分为两类,分别是IRT High flexibility和IRT Top performance,前者具有较高的灵活性,在组态时不需要对相关路径进行规划;后者在的实时性性能表现地更强,与前者相反在组态时需要对路径进行严格的规划,并在此基础之上对端口连接顺序进行明确。

3 结束语

本文主要针对PROFINET实时工业以太网通信技术进行研究与分析。首先对PROFINET实时通信进行了一定程度上的阐述,指出了VLAN优化数据帧、实时数据通道以及时分复用技术三项重要技术并进行了简要的分析,然后在此基础之上从PROFINET RT协议以及PROFINET IRT协议两个方面对PROFINET协议实时性进行了探究。