1.0 介紹

PROFINET (Process FIeld NETwork)是工業以太網的一個開放標準，在過程自動化、生產自動化、汽車、機械工業和驅動控制等領域有著廣泛的應用。PROFINET已被IEC 61158和IEC 61784標準化。設備的安全方面已根據IEC 62061/ISO 13849-1規范。

PROFINET根據不同的時間需求被劃分為不同的性能等級。這些等級是:NRT(非實時)、RT(實時)和IRT(同步實時)，它們基于生產者/消費者原則，借助于各種協議和服務。

PROFINET IRT主要應用于周期時間低于1 ms的運動控制應用。采用以太網協議在VLAN優先級的以太網幀中發送高優先級負載數據。利用動態幀打包(DFP)原理和基于硬件同步交換的時間復用方式，對周期時間進行優化。

這項技術大約已有25年歷史，由西門子和PROFIBUS用戶組織PNO的其他成員公司開發。

2.0 特性

與該技術相關的特性主要有:從管理級到現場或設備級的通信，靈活的拓撲結構，如星型或線，靈活的硬實時通信，包括同步運動控制，動態幀封裝原則，導致靈活的時間周期，支持多種傳輸媒體，如銅，無線，光纖等，所有現場總線的無縫集成，為人，設備等的安全，防止未經授權的黑客進入系統。高可靠的診斷系統等。

3.0 一致性等級

在PROFINET中定義了三個相互構建的一致性等級 。這些等級基于自動化系統的不同需求，分別時CC-A、CC-B和CC-C。

CC-A是層次結構中最低的，具有基本的PROFINET I/O和RT通信功能。IT服務也可以在這個等級中使用。除了CC-A提供的功能外，CC-B還提供網絡診斷、網絡拓撲等功能。媒體冗余協議選項在這個等級下也是可用的。應用包括具有確定性但非同步通信的機器控制。CC-B的一個擴展版本是CC-B (PA)，其中包括過程自動化中應用的系統冗余功能。

CC-C包括CC-A和CC-B的所有功能。此外，它使用等時相位提供高度確定的實時數據通信。它用于機器控制領域。

4.0 實時通信, 硬實時和軟實時

PROFINET標準區分了三種性能等級:PROFINET NRT(非實時)、PROFINET RT(實時)和PROFINET IRT(同步實時)。

第一個版本用于非時間關鍵的應用程序，這些應用程序使用傳輸控制協議/互聯網協議(TCP/IP)或用戶數據報協議/互聯網協議(UDP/IP)進行數據傳輸，周期約為100毫秒。其中I/O數據的交換采用以太網協議，而診斷和通信數據的傳輸采用UDP/ IP協議。這種模式下的周期時間大約是10毫秒。最后一個，即PROFINET IRT，是為運動控制應用中的關鍵時間要求而開發的，周期時間約為1 ms，抖動為1 μ s。

PROFINET中的RT和IRT是有區別的，盡管這兩個版本都指的是實時。在實時工業通信協議中，數據交換發生在指定的時間內——通常小于10毫秒。現在，實時系統可以是硬實時，也可以是軟實時——這取決于最后期限的強制程度。硬實時系統本質上是確定性的，即網絡保證消息將在指定的、有限制的時間內傳輸，不能快也不能慢。在硬實時系統中，響應時間有絕對的限制。另一方面，在軟實時系統中，偶爾違反周期時間或截止日期是可以接受的。

為了實現實時通信，PROFINET在報文頭中使用VLAN標記。它將可自由使用的最高優先級級別設置為6。它確保PROFINET電報優先通過交換機轉發。

最快的數據更新速度。現在，提供和處理數據所需的時間與系統所進行的通信類型無關。只有通過優化棧中的周轉時間才能實現更快的數據更新操作。如果能繞過開放系統互連(OSI)模型的某些層來實現更快的棧操作，將會帶來更快的操作，并且可以減少棧的周轉時間。結果如下圖所示。

時間T1和T3保持不變，而時間T2(當數據通過堆棧時)可以通過軟硬件的結合來減少。

除PROFINET IRT外，Ethernet Powerlink、SERCOS III等基于以太網的工業協議均采用同步數據通信原理實現硬實時通信。硬實時系統運行在同步時鐘上，以減少周期時間和抖動，并提供確定性的行為。

5.0 實現更快的操作

PROFINET是一個開放的協議,它的周期短于31.25微秒,IRT版本不超過1微秒。通過集成交換機發送時，設備的地址信息包含在幀報頭中。在這種情況下，幀ID (FID)地址信息在相應的交換機中集成一次。因此,快速轉發幀可以減少幾個微秒的延遲。

另一種實現更快運算的方法是求和幀法。在這種情況下，來自多個節點(設備)的I/O數據被打包到一個幀中。因此，多個節點只需要一個FCS (幀校驗隊列)就可以提高吞吐量。這對于具有少量I/O字節的節點特別有利，因為PROFINET在其幀中使用64字節，就像任何以太網幀一樣。

還可以通過使用全雙工系統實現增強性能,其中輸入和輸出數據都可以通過這雙電纜發送。當一個求和幀被發送、接收、分析和檢查到幀中的最后一個節點時,DFP(Discovery and Configuration Protocol)扮演了一個關鍵的部分。由于數據從前面的節點中獲取，后面不與要在取一次,因此它們向最后一個節點傳送過程中被剝離出來。因此，幀變得越來越短，數據到達最后一個節點變得更快。 因此，周期更新時間變得更快

PROFINET V2.3的另一個優點是，當IRT通信周期仍在進行時，它可以無限制地進行TCP/IP通信。所涉及的技術是在單個節點中接收大型TCP/IP幀，然后將其分片。單個的碎片按連續的周期發送。在接收端，它們在應用層被組裝在一起，以得到未更改的TCP/IP幀。這使得在共享I/O和TCP/IP通信中實現31.25 μs時長的總線周期成為可能。這些碎片的集成是在交換模塊中完成的，因此不需要任何額外的特殊裝置。

6.0 IRT的工作機制

IRT的工作機制基于時間片機制。IRT網絡上的流量由IRT和RT兩部分組成，假設IRT流量占網絡總帶寬的25%，其余的分配給RT流量，如下圖所示。

IRT流量通過一次性切片履行嚴格的時間安排。在此期間，任何非IRT流量都將被緩沖。一旦IRT通信已經結束，緩沖的通信將通過交換機，進入常規的以太網通信。預留的IRT流量是可擴展的。，它剛好足夠容納IRT通信。

高精度的時間片(對于RT和IRT)可以通過交換機實現。如果網絡具有以下特性，是可行的:

1. 一個非常精確的主時鐘，它將同步網絡上所有連接的設備，以創建精確持續時間的時間片。
2. 交換機必須有一些額外的電路來緩沖和保存在IRT階段執行期間可能接收到的任何以太網流量。

主時鐘基于IEEE 1588v2 (IEEE 1588-2008)，它定義了精確時間協議(PTP)。這被放在一個名為精確透明時鐘協議(precision transparent clock protocol, PTCP)的協議包中。網絡交換機和布線的固有延遲可以通過PTCP計算。跨網絡的高精度實時時鐘具有非常精確的延遲計算，允許網絡中的交換機精確地在所需的時間進入和退出IRT時間片。時鐘主使用同步幀來同步這些設備中固有的所有本地時鐘發生器。這些設備直接連接在一起，而不需要經過任何非同步設備。

下圖，展示了PROFINET協議中的數據如何通過OSI的不同層。數據有三種變體:標準數據、RT數據和IRT/TSN數據。RT和IRT通信繞過會話層、傳輸層和網絡層，從而加快了RT和IRT的周轉時間。

7.0 時間敏感組網

它是一系列旨在提高標準以太網確定性的新標準。工業以太網是一種開放標準，西門子正在現場或設備級使用PROFINET，在控制級使用OPC UA。西門子目前正在研究基于以太網的標準時間敏感網絡預留帶寬，主要側重于服務質量、低傳輸延遲以及工業網絡實時域不同協議的并行傳輸。

目前，TSN提供31.25 μ s的循環時間和1 μ s的抖動，但PROFINET IRT已經提供了這樣的性能水平。PROFIBUS和PROFINET國際(PI)已經在最新的PROFINET標準中采用了TSN。

TSN通過部署另一個具有一些額外功能的新標準802.1AS-2019，改進了現有的時間同步時鐘(IEEE 1588)。采用這種新標準的TSN網絡在同步超出預期范圍時將產生錯誤。這個設備在IEEE 1588中沒有。與新標準相關的另一個特性是它具有調度優先級。TSN是OSI標準模型中的第二層，它向上兼容以前的以太網和硬實時功能

TSN包括一個廣泛的網絡配置，集中和分散的運作模式都可以。這兩種模式之間的互操作性目前正在開發中。隨著TSN的引入，OSI模型的1、2、3層將統一為一個具有更高可擴展性和性能的層。

8.0 使用 IRT

PROFINET IRT中的每個設備(也稱為PROFINET一致性C類)-從控制器到設備和交換機必須與PROFINET一致性C類兼容。該類中的最小數據更新率為250 μ s，抖動小于1 μ s。使用合適的硬件可以將數據更新率降低到31.25 μ s。對于更新速率小于250 μ s的, TCP/IP通信被碎片化并以較小的數據包傳輸。

在使用PROFINET之前，需要正確配置PROFINET IRT。這需要指定IRT操作所需的時間片(帶寬)數目，以及設備的周期時間。同樣，網絡拓撲必須明確指定，這將使IRT設備在IRT時間片內優化IRT傳輸調度。配置一個C類網絡比B類網絡更冗長和復雜。

一些控制器，設備和交換機支持等時模式應用，盡管它不是IRT的一部分。此模式用于將應用程序的執行循環鎖定到IRT更新間隔。這可以防止過采樣或欠采樣，確保進入或退出IRT時間階段是完美的。

上圖，展示了PROFINET IRT通信的時間表。一個特定的周期始于網絡中所有設備的同步。這是由高度精確的主時鐘完成的。根據連接網絡的需要，以預留帶寬(時間片)發送IRT數據，然后進行RT通信。診斷數據等在頭標準通信下發送。