Profinet IO系统的实时技术架构分析

李永生，杜文博

(北京奔驰汽车有限公司，北京 100176)

0 引言

Profinet是国际标准IEC 61784和IEC 61158共同确认的工业以太网技术之一。由于Profinet技术性能满足工业通信的需求，再加上其主要推动者西门子公司在工业自动化市场上的优势地位，Profinet在目前的工业以太网市场上占有较大份额。

与其他工业以太网技术一样，Profinet的技术架构基于IEEE的标准以太网，并在此基础上进行了实时扩展，以满足工业通信所要求的实时性和确定性。

实时性是工业以太网重要的性能。为了验证西门子Profinet的实时性能，国内外众多学者作了研究和测试，积累了许多值得借鉴的案例和数据，但是也存在相当多的错误理解和计算。这些研究的对象集中于西门子Profinet产品中应用广泛、能体现工业以太网接近现场特点的Profinet IO系统。这些研究的方向主要集中于交换机和IO设备连接造成的通信时间延迟。本文的研究方向将不限于此。

本文将从Profinet IO系统的工程应用出发，全面分析Profinet IO系统的实时技术架构，试图揭示影响Profinet IO系统实时性能的因素，并据此尝试探讨未来技术改进的方向。另外，本文还将依据通信和可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)的基本原理，对某些西门子未作详尽说明但是与Profinet IO系统实时性能相关的因素作出合理推测。

1 从通信功能方面分析

从通信功能看，衡量Profinet IO实时性能，即其提供的通信服务质量(quality of service,QoS)，有以下两个指标。①响应时间(response time,RT),也称为延迟时间(latency time,LT)。其一般理解为以下过程经过的时间在一个设备应用中生成一个变量，然后通过通信系统将该变量发送给一个伙伴设备，其后可以在该伙伴设备的应用中再次获得该变量。②抖动(jitter)是响应时间的变化，即实际最大响应时间和实际最小响应时间的差值。

西门子在产品推广中对QoS多有表述。西门子Profinet QoS如表1所示[1]。

表1 西门子Profinet QoS Tab.1 Siemens Profinet QoS

参数中，QoS等级2对应的分布式IO设备，就是本文讨论的Profinet IO系统RT技术。

1.1 通信技术架构

Profinet IO系统RT技术基于IEEE 802.3和IEEE 802.1Q标准，继承了全双工快速以太网、交换以太网、优先级标签和虚拟局域网等技术，扩展了实时特性之后也对IEEE标准进行了修改[2]。

①全双工快速以太网。Profinet IO系统RT技术以IEEE 802.3为基础，采用了100BASE-TX和100BASE-FX全双工快速以太网技术。对于未使用全双工技术的以太网来说，全双工支持同时发送和接收，故在理论上可以使带宽增加一倍，即传输速度翻一番。全双工的特性之一体现在发送和接收各使用一对双绞线，共有两对双绞线。

快速以太网始于1993年，至今已经有近30年的历史。无论是略高于100 MB的传输速度，还是4B5B编解码的可靠性[3]，其性能在今天看来已经很平常了。

IEEE 802.1中定义的标准以太网为基于快速以太网的TCP(UDP)/IP通信。标准以太网的点对点数据传输如图1所示。

图1 标准以太网的点对点数据传输示意图 Fig.1 Point to point data transporting of standard ethernet

T1为提供者和消费者内部生成数据和处理数据的时间，不属于通信时间，对应ISO/OSI模型中的应用层。T2为在协议栈中进行数据处理的时间，包括数据由提供者三次封包和消费者三次解包的时间。三次解包和封包分别对应ISO/OSI模型中的传输层、网络层和数据链路层。T3为数据在屏蔽双绞线中传输所经历的时间，对应ISO/OSI的物理层。Profinet传送标准数据，即非实时(non real time,NRT)数据时，使用标准以太网协议。Profinet标准结构如图2所示。Profinet传送最大的帧为NRT的标准快速以太网帧1 518 b，在100 Mbit/s的传输速度下每个字节耗时80 ns。那么传输时间T2为121.44 μs。数据在屏蔽双绞线中的发送速度大约为200 m/μs，两个设备之间的最大距离设定为100 m，则传输时间T3大约为0.5 μs。由此可见，Profinet点对点传输标准TCP/IP最大帧的时间为T2+T3+T2=243.38 μs。如果Profinet IO系统中的通信流量足够小，则通信的响应时间(延迟时间)为243.3 8 μs。

图2 Profinet标准结构示意图 Fig.2 Profinet standard structure

②交换机。以太网需要采用载波侦听多路访问/冲突检测协议(carrier sense multiple access with collision detection,CSMA/CD)机制来解决数据在传输媒体中的冲突。这就造成了不确定性。在交换机组成的以太网(即所谓交换以太网)中，交换机的每个端口都是一个冲突域。各个冲突域通过交换机进行隔离，各端口之间根据报文帧中的MAC源地址和目的地址形成数据通道，避免了由CSMA/CD造成的不确定性。标准以太网交换机在解析报文帧获得MAC源地址和目的地址、促成各端口之间通信的过程中，一般按照存储转发机制(store & forward,s&f)。这会造成时间延迟。如西门子的Scalance X200交换机，经查阅手册，其最小RT帧的存储转发延迟时间为10 μs、最大RT帧延迟时间为120 μs。

③优先级标签。IEEE 802.1Q以在报文中增加优先级标签的方式对以太网报文进行了优先级分级。在交换机中进行储存转发时，对不同类别的报文帧按照优先级分级排队，并以优先级高低顺序进行报文转发。RT数据拥有比TCP/IP数据更高的优先级。对于储存转发方式，交换机的优先级机制如图3所示。

图3 交换机的优先级机制示意图 Fig.3 Switch priority ranking

交换机转发报文过程中：报文1是非实时的；报文2和报文3是实时的，且报文3的优先级较高。但由于端口2正在对报文1进行转发，即使它是非实时的也不能中断，所以会首先被发送出去；而报文2和报文3按照优先级排列等待发送。最终端口1的发送顺序是：报文1→报文3→报文2。

对于Profinet IO系统，正常运行时，交换机端口上的数据一般都是优先级相同的RT数据。这时按先后顺序排队转发。如果数据的负荷或者流量过大、排队过长，有可能延长储存时间，所以需要控制数据流量，具体来说就是限制IO设备数量。

④虚拟局域网(virtual local area network,VLAN)。虚拟局域网可以跨多个交换机。交换机每一个端口只能标记一个VLAN。同一个VLAN中所有端口拥有一个广播域，而不同VLAN之间广播信息是相互隔离的。这样就避免了广播风暴的产生。网络划分VLAN，不需要对网络的物理结构重新进行调整，也不需要追加网络设备，只需要在具有网管功能的设备如交换机和路由器上进行设置即可。划分VLAN是一项高度灵活的工作，需要积累实践经验才能获得优化的VLAN划分，从而提高网络通信质量，避免故障与丢包。而划分VLAN也与网络的拓扑结构直接相关。

⑤拓扑结构。标准以太网以星形拓扑结构较为常见，Profinet则有星形、线形、树形、环形等多种拓扑结构。这是由于Profinet所应用的现场设备的复杂情况造成的。从对Profinet的实时性影响来看，星形拓扑结构最优；通过多个交换机串联形成的线形拓扑结构对实时性影响最大，尤其是离IO控制器越远影响越大。这是因为每多一个交换机都会增加一个储存转发延迟。Profinet的拓扑结构，从规划施工到运营维护都可能会带来问题。拓扑结构经常和VLAN的划分、线路连接、网络配置交织在一起，设置不合理就会造成网络通信不稳定甚至中断，从而引起生产中断[4-5]。这一点在文献[4]所描述的案例中得到了集中体现，最为典型。

⑥实时扩展。从上文对标准以太网的分析中，可以知道数据在协议栈中进行处理的时间占了延迟时间的绝大部分，而在屏蔽双绞线中的传输时间基本可以忽略。为了提高实时性能、减小延迟时间，一个显而易见的改进手段是减少数据在协议栈中的处理时间。Profinet IO采取的实时扩展办法是减少协议栈中的处理层级，略去网络层和传输层，只保留数据链路层。Profinet IO系统对以太网的实时扩展如图4所示。这样，Profinet的RT数据通过MAC地址进行通信，因没有网络层而无法进行路由。因为Profinet的RT数据只在本地现场设备中使用，也无需路由到其他网络。由此可以认为，数据在Profinet RT协议栈中的传输时间约为快速以太网协议栈中的1/3。Profinet最小RT帧为88 b，最大RT帧为1 488 b。每个字节耗时为标准快速以太网80 ns的1/3，即26.67 ns。那么传输最小RT帧和最大RT帧的时间分别为2.35 μs和39.68 μs。数据在屏蔽双绞线中的传输延时仍为0.5 μs。

图4 Profinet IO系统对以太网的实时扩展示意图 Fig.4 Profinet IO system RT extensions for ethernet

Profinet IO RT技术仅使用ISO/OSI模型的一层和二层，使用MAC地址进行通信，无法进行路由，是一种局域网技术，完全符合IEEE 802.3所规定的以太网特性。因此，西门子在进行产品推广时经常说Profinet IO RT技术是百分百的以太网。实际上，Profinet IO系统实时帧在IEEE 802.3中有一个特定的类型标签0X8892。这是Profinet IO RT对IEEE802.3标准的修改与扩展。

1.2 通信延迟时间计算

由于现场设备情况复杂，所应用的IO设备数量和拓扑结构变化不定，所以没有一个固定不变的延迟时间。但是，可以通过合理设定条件计算得出一个最大的延迟时间。对于一个通信系统而言，为了保证通信质量，需要控制通信负荷(或者说流量)。对于Profinet IO系统，控制通信流量的主要方法就是控制系统中的IO设备数量。西门子S7-300系列PLC产品目录中性能最强大的CPU319，可连接的最大IO设备数目为256。但在实际应用中，每个PLC连接的IO设备数量不会超过64个，超过64个就分配给两个以上PLC。首先，设定有64个IO设备，再设定对响应时间影响最大的拓扑结构。如果有一个IO设备通过64个交换机串联形成线形拓扑结构与IO控制器相连，那么这个IO设备与IO控制器之间的通信延迟时间是最长的，故可由此计算出Profinet系统的最大延迟时间。在正常运行时，Profinet IO系统中的RT帧都是高频率小帧。这里，为了计算最大延迟时间，设定为1 488 b的RT最大帧[6-8]。

除了上述设定之外，还需要考虑Profinet IO系统在应用中的两个现实情况。这两个现实情况并非设定。首先，Profinet IO系统作为现场设备网络，与企业管理网络系统是隔离的。在正常运行时，企业管理网络中的标准TCP/IP数据是严格限制进入Profinet IO系统的。进入Profinet IO系统的管理级TCP/IP数据一般发生在IO控制器所连接的交换机上，且流量受限，可以不用考虑对IO系统实时性能的影响。其次，在正常运行时，Profinet IO系统中只有循环RT数据。对Profinet IO系统进行诊断与设置的TCP(UDP)/IP数据很小，仅在设置与诊断时(比如使用WBM对IO控制器或设备进行设置和诊断)发生；发生实时报警时的状态，也并非正常运行状态，不考虑对IO系统实时性能的影响。

结合上述条件计算如下：一个1 488 b的最大RT帧，在协议栈中的处理时间为2×T2=1 488×26.67×2=79 369.92 ns=79.37 μs。在64个交换机和64段100 m电缆中的延迟时间为64×(120+0.5)=7 712 μs，则延迟时间为79.37+7 712=7 791.37 μs，约7.79 ms，接近8 ms。虽然西门子公司宣称RT延迟时间为10 ms,但是考虑到西门子在其PLC编程软件中设定的刷新时间都是2的次方数(即1 ms,2 ms,4 ms,8 ms,16 ms,32 ms,64 ms…)，并没有10 ms这一选项，那么8 ms就是与西门子公司宣称的RT延迟时间10 ms最为接近的。另外，西门子公司向客户建议的最大刷新时间一般为8 ms。这在文献[9]～文献[11]中都有体现[9-11]。

文献[9]、文献[10]和文献[12]都对延迟时间进行了计算，尤其文献[9]的计算方法直接来自于西门子公司的一个培训教程视频。这个视频虽然出自西门子某位工程师之手，但是计算延迟时间的方法存在错误。首先，对RT数据在协议栈中传输时间的理解存在错误。在计算Profinet RT每字节数据在协议栈中的传输时间时仍旧按标准快速以太网每字节传输时间计算，甚至也不按RT数据每帧的大小来计算，而是按标准以太网数据每帧的大小来计算。Profinet RT对标准快速以太网进行实时扩展，省去了标准以太网ISO/OSI模型中的传输层和控制层，只剩下了数据链路层，从而节约传输时间。故RT数据传输时间理应按标准以太网数据传输时间的1/3进行计算，数据大小应按RT帧大小进行计算。其次，有的设定条件与实际不符。实际应用中，Profinet IO系统中应按只有循环RT数据进行计算，即使有NRT数据和非循环RT数据，其流量之小可忽略不计。再次，有的设定条件不符合逻辑。计算最大延迟时间，理应使用RT最大数据帧，而非RT或NRT最小数据帧。

1.3 技术架构评价

1.1节中各项技术，每一项都和交换机直接相关，都通过交换机实现。交换机理应是Profinet IO系统通信功能的核心。但是在Profinet标准中，并未把交换机列为和IO控制器、IO设备、IO监视器并列的单独一种，而是被视为一种IO设备。这也许是为了体现Profinet使用标准以太网交换机，因而不在Profinet标准中另作说明。

根据上述延迟时间计算，可以确认拓扑结构是造成Profinet IO系统通信延迟的主要因素。与之相比，Profinet IO对于标准以太网作实时扩展所节约的时间甚至是微不足道的。即使没有经过实时扩展，在采用上述计算条件的情况下，标准以太网最大延迟时间为121.44×2+(0.5+120)×64=242.88+7 712=7 954.88 μs=7.95 ms，与实时扩展所得的结果(即7.79 ms)并没有太大的差别。所以，正如文献[13]和文献[14]所说，即使没有实时扩展，采用全双工快速以太网、交换以太网、优先级标签和虚拟局域网技术的标准以太网也可以达到10 ms的延迟时间。其关键在于控制通信流量。在西门子网络规划软件Sinetplan中，通信流量(即网络负载)是一项重要指标。当网络负载超过20%，软件就会自动发出警告。

以上讨论的是Profinet IO系统的通信功能技术架构对实时性能的影响，着重在通信功能的延迟时间或响应时间。通信功能的响应时间只是Profinet IO系统响应时间的一部分。

2 从IO控制器方面分析

评价包括Profinet IO系统在内的工业以太网的实时性能，理应评价整个系统的响应时间，而不应仅仅着眼于通信功能的响应时间。系统的响应时间，才是工程应用中需要的实际响应时间。在Profinet IO系统中，IO控制器居于核心地位，其实时技术架构对整个系统的实时性能起着决定性的作用。本文接下来分析IO控制器技术架构中与实时性能相关的部分，由此分析影响Profinet IO系统实时性的因素。

Profinet IO系统中的IO控制器一般指PLC。以下均以西门子PLC为例。

在实际应用过程中，Profinet IO系统的响应时间是指从检测到输入信号开始，到更改与该信号相关的输出信号结束的时间。Profinet IO系统的响应时间和多种处理周期有关。Profinet IO系统响应时间结构如图5所示。输入信号在分布式IO信号模板中的被读入周期为T1，ET200背板总线的循环周期为T2，Profinet总线通信周期为T3，PLC的循环周期为T4，反方向T5～T7为输出周期。计算Profinet IO系统的响应时间，理应考虑到这几个周期所造成的影响。而这几个周期是如何造成影响的，则需要首先分析PLC的实时技术架构[15]。

图5 Profinet IO系统响应时间结构图 Fig.5 Profinet IO system response time structure

2.1 IO控制器实时技术架构

通信系统一般都会涉及到信号采样和信号恢复两个过程，并且遵循香农-奈奎斯特采样定理。香农-奈奎斯特采样定理简单表述如下：采样频率大于信号中最高频率的2倍时，或者说采样周期小于信号最小周期的1/2时，才能使采样之后的信号完整地恢复原始信号。

①信号采样。Profinet IO系统的信号采样体现在IO设备向PLC周期性发送输入信号。这个周期即IO设备的刷新时间。每个IO设备的刷新时间都基于其通信响应时间，可以在PLC编程软件中设置。为了保证确定性，需要设置比实际响应时间略大的值，最大不能超过信号最小周期的1/2，以保证有效采样。这就是Profinet IO系统通信功能的响应时间体现其作用的方式。西门子Profinet IO设备的刷新时间都是在给定的2的次方数的时间中作选择，如某IO设备响应时间为7.79 ms，那么刷新时间可以选为8 ms。在PLC编程软件中组态IO设备时，其刷新时间是编程软件读取IO设备的GSD文件来自动确定的，并不考虑拓扑设置，所以在拓扑结构中线性连接较多的情况下仍需手动设置刷新时间。

②通信周期。所有IO设备完成一次刷新的时间就是一个刷新周期，即一个通信周期。由于每个IO设备的刷新时间不同，故Profinet IO系统的通信周期由刷新时间最长的IO设备决定。由于西门子Profinet IO设备的刷新时间都是在给定的2的次方数的时间中选择，所以通信周期是很容易确定的。刷新时间和通信周期如图6所示。1#、2#、3#、4#IO设备的刷新时间分别是1 ms、2 ms、2 ms、4 ms。因此，通信周期是4 ms。

图6 刷新时间和通信周期示意图 Fig.6 Update time and communication cycle

③信号恢复。输入信号的采样值恢复为原始信号值，然后在外设IO缓存区被CPU读入过程映像输入区。这是PLC处理输入值的一般流程。为了把孤立的每个时间点上的采样信号恢复为真实信号，至少需要两个采样值，因为至少两次采样才能体现采样频率。即使对于实际应用中最常使用的开关量信号，也需要至少两次采样才能取得正确的恢复信号。这是为了避免一次采样采到开关量信号的末端造成信号失真。也就是说，至少在两个通信周期之后，PLC才能取得采样的原始信号值。

④过程映像。过程映像是西门子PLC的一个重要概念。一般流程中，在用户程序对输入输出 IO地址区进行寻址时不查询数字信号模块的信号状态，而是访问CPU系统存储器中的过程映像存储区，包括输入过程映像和输出过程映像两部分。与直接访问输入/输出模块相比，访问过程映像的优势在于：在循环程序处理期间，可为CPU 提供一致的过程信号映像。如果在程序执行期间输入模块的信号状态发生变化，过程映像中的信号状态将保持不变，直到过程映像在下一个循环周期中被刷新。这样能使PLC程序在一个循环周期中处理相同的输入信号，避免发生异常扰动，导致输入值不一致发生意外的输出动作。此外，由于过程映像存储在 CPU 的系统存储器中，访问过程映像的速度明显快于直接访问信号模块。

⑤循环周期。循环周期代表PLC操作系统执行一个程序的时间，即执行一个循环程序OB1的周期，包括中断OB1执行过程的所有程序段和系统活动。在循环程序处理过程中，CPU 需要一致的过程映像信号。为此，在程序执行之前读取/写入过程映像信号。对于西门子PLC,由于循环周期能被中断，所以循环周期并不固定。循环周期可以在PLC编程和选型时确定，使循环周期至少为通信周期的两倍。如选择的PLC性能过高，循环周期将远小于两倍的通信周期，造成PLC的浪费。这时，通信功能是Profinet IO系统实时性能的短板。选择的PLC性能过低，循环周期将远大于两倍的通信周期。这时，PLC是Profinet IO系统实时性能的短板。理想的循环周期和通信周期如图7所示。

图7 理想的循环周期和通信周期示意图 Fig.7 Ideal cycle time and communication cycle

⑥外设寻址和循环中断。按照一般流程，PLC的CPU至少在两个通信周期之后才能取得恢复信号并写入到输入过程映像，且在循环周期内过程映像的值保持不变。虽然有的IO设备刷新时间短，但还是要等到取得刷新时间最长的IO设备恢复信号(即两个通信周期)之后，才能在循环周期开始时写入过程映像输入区。这有可能影响PLC处理某些信号的实时性。外设寻址和循环中断就是西门子PLC为了保证实时性所打的两种系统补丁，即两种特殊流程。外设寻址是指PLC程序不经过过程映像区读某些输入信号或写某些输出信号，而是直接从外设存储区读某些输入信号或写某些输出信号，不需要等待两个通信周期，也不受限于过程映像区。外设寻址虽然保证了某些信号的实时性，但是不再具备过程映像防止信号意外扰动的优点。循环中断(OB30-OB38)在循环程序OB1运行过程中以可设定的时间间隔循环启动，然后处理某些刷新时间比通信周期短的信号。循环中断虽然保证了某些信号的实时性，但是延长了循环周期，影响了整体的实时性。

2.2 响应时间计算

在Profinet IO系统所涉及的7个周期时间，虽然是按照顺序发生，但是各周期并不同步，尤其是循环周期还是可变的，所以系统的响应时间是可变的。通信周期T3、T5和循环周期T4是组成Profinet IO系统响应时间的主要部分。T3、T4和T5的时间单位通常是ms级的，而根据西门子的技术手册，T1、T2、T6、T7都是μs级的，实际计算中适当忽略不计。评估系统的响应时间，在极端情况下可能发生的最大响应时间具有参考意义，只要最大响应时间满足了工程应用的要求即可。

西门子的技术手册中对循环周期、最小响应时间和最大响应时间的计算都作了详细的说明，并且把包含两个循环周期的响应时间设为最大响应时间。但是，西门子最大响应时间发生在什么情况下都没有作出明确说明。

合理的解释是，对于一个开关量信号，如果在两次通信周期中取得的信号值并不一致，那么在第二个通信周期中取得的信号值(即发生变化的值)将被忽略，仍旧把第一个通信周期取得的信号值作为信号的恢复值写入过程映像输入区，并在程序中进行处理。正常情况下，这会发生在开关量信号的上升沿或下降沿。高电平信号1和低电平信号0恰好在这两个周期中分别被采样。这是很偶然的情况。在下次两个通信周期的采样过程中，变化后的值将被两次采样，然后取得一致的信号恢复值，被写入过程映像输入区并在程序中进行处理。因此，这个信号的响应时间包括了两个循环周期。信号的最长响应时间如图8所示。

图8 信号的最长响应时间 Fig.8 The longest response time of a signal

如果在下次两个通信周期的采样过程中，仍旧取得与变化前一致的信号恢复值，那么这次改变将会被视为一次意外扰动而被忽略。如果这种情况频繁发生，有可能是采样频率过小，也就是刷新时间过长导致的。对此，需要采用更小的刷新时间，甚至采用外设寻址和循环中断。

2.3 技术架构评价

IO控制器是Profinet IO系统的核心。这也是Profinet IO系统和以太网技术架构的不同之处。在以太网中，每一个节点都是平等的、去中心化的，互相之间随机通信。但是，Profinet IO系统中的节点则不同，IO控制器占据着主导地位，控制着与每一个IO设备、IO监视器的通信，而每一个IO设备、IO监视器都与IO控制器通信，互相之间通信极少。这就造成了IO控制器连接到交换机的端口通信负荷最重，所连接的交换机通信负荷最重，有可能造成延迟。因此，必须限制流量。这主要通过控制Profinet IO系统中的IO设备的数量来实现。

优化Profinet IO系统响应时间，需要从通信周期和循环周期两个主要部分着手。Profinet IO作为一种工程技术，其RT通信的响应时间能够满足大部分工厂自动化应用需求。即使把通信周期即最大刷新时间设为8 ms，那么采样频率为125 Hz。这已经是一个较高的频率，超过大部分行业应用的需求。所以，外设寻址和循环中断两种特殊流程也很少用得上。在通信周期为8 ms的情况下，系统的响应时间超过40 ms，极端情况下需要两个循环周期使响应时间超过56 ms。另外一个可以参考的关于时间的数据，是西门子PLC的循环周期报警时间为150 ms。当循环周期超过150 ms时，PLC将停止运行，并报警。

3 结论

通过对Profinet IO系统的实时技术架构进行全面分析，明确了通信功能和IO控制器这两个主要方面是如何对系统的实时性能即响应时间发生影响的。对于IO控制器来说，改进其响应时间的方法比较简单直接，就是提升PLC CPU的运算能力。这也是目前西门子公司采用的主要方法。最新的S7-1500系列PLC性能要远比S7-300/400系列强大。PLC作为Profinet IO系统的核心，过于中心化，并非分布式控制，对于这种技术架构的改进还没有具体方案。对于通信功能的响应时间来说，拓扑结构是影响Profinet IO响应时间的主要因素。未来改善的方法应该从拓扑结构着手，但目前尚未见到具体方案。目前来看，相对于IO控制器，通信功能是影响Profinet IO系统实时性能的短板。