PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。作為一項戰略性的技術創新，PROFINET為自動化通信領域提 供了一個完整的網絡解決方案，囊括了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并且，作為跨供應商的技 術，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線（如PROFIBUS）技術，保護現有投資。

　　PROFINET是適用于不同需求的完整解決方案，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現場設備、運動控制、分布式自動化、網絡安裝、IT標準和信息安全、故障安全和過程自動化。

　　PROFINET主要有兩種通信方式[1]：

　　（1）PROFINET IO實現控制器與分布式I/O之間的實時通信；

　　（2）PROFINET CBA實現分布式智能設備之間的實時通信。

　　從PROFINET的角度來看，PROFINET IO是在工業以太網上實現模塊化、分布式應用的通信概念。通過PROFINET IO，分布式I/O和現場設備能夠集成到以太網通信中。

　　1 PROFINET IO的基本概念

　　1.1 PROFINET IO的工程模型

　　（1）IO控制器

　　IO控制器[2]一般是可編程控制器（例如PLC），它能夠執行自動化程序。其功能相當于PROFIBUS類型1的主站。

　　（2）IO設備

　　IO設備是連接到PROFINET網絡中的現場分布式I/O。

　　（3）IO監視器

　　IO監視器[2]是一種工程設備，通常為PC、HMI或可編程控制器，用于IO控制器和IO設備的調試和診斷，在運行期間連接IO監視器，通常只是暫時性地用于調試和故障處理。IO監視器的功能相當于PROFIBUS類型2的主站。

　　1個PROFINET IO系統應該包括至少1個IO控制器和1個IO設備。

　　1.2??PROFINET IO的數據流

　　PROFINET IO通信站點的數據交換是通過標準通道[3]（基于UDP/IP）和實時通道完成的。在這些通道里，數據使用不同的協議進行傳輸。例如啟動時從站參數是由 主站通過UDP協議傳遞的，設備地址名字的分配是通過DCP協議完成的，這些都屬于標準數據，也可以稱為非實時（NRT）數據。而周期數據[4]、報警數 據是通過實時協議傳送的，被稱為實時數據。

　　1.3??組態PROFINET IO及其重要概念

　　1.3.1??組態PROFINET IO

　　PROFINET IO組態如圖1所示，主站是CPU319-3 PN/DP，從站有3個IO設備，分別為ET-200S，ET-200pro和ET-200eco，還可以繼續添加IO設備，SIMATIC 產品系列的 PROFINET 設備具有PROFINET接口[5](帶或不帶集成交換機)。帶集成交換機的 PROFINET 設備通常具有2個端口，用于網絡的線性總線結構。 同時還提供有3個或更多端口的 PROFINET 設備以連接樹型拓撲。由圖1可見，CPU319通過雙絞屏蔽線與設備3(ET-200S)連接，不同的ＩＯ設備之間通過它們自帶的交換機接口進行連接。

　　1.3.2??PROFINET IO中的不同時間概念

　　(1)發送時鐘（Send clock）[6]：IRT或RT通信中2個連續間隔之間的時間段。發送時鐘是用于交換數據的可能的最短傳輸時間；

　　(2)更新時間（Update time）：更新時間=發送時鐘× Factor。

　　在此時間間隔之內，IO 控制器/IO 設備為 PROFINET IO 系統中的IO設備/IO 控制器提供新的數據。可以為每個IO設備單獨組態發送周期，并定義將數據從 IO 控制器發送到 IO 設備（輸出）的時間間隔以及將數據從 IO 設備發送到IO控制器的時間間隔（輸入）。更新時間在SETP7組態中可以設置。

　　(3)Factor：Fatcor是放大倍數，為2n，也稱減速比（Reduction Ratio）[7]

　　(4)看門狗時間 （Watchdog xime）

　　通過STEP7，采用更新時間的整倍數來設置看門狗時間，該時間也可由用戶修改。如果在看門狗時間內IO控制器沒有為IO設備提供輸入/輸出數據，IO設備將出現故障并給出替換值。這種情況將作為站故障報告給IO控制器。

　　2 研究PROFINET IO實時性的必要性

　　首先，在運動控制系統等對實時性要求很高的領域，用戶需要知道PROFINET IO數據循環的周期，以便更好地進行生產。其次，如果在STEP7工程工具中對PROFINET IO設備的更新時間和看門狗時間設置不合適，設備就會在運行時出現莫名其妙的故障。所以，對PROFINET IO實時性的研究是很有必要并且具有現實意義。

　　3??PROFINET IO的實時性

　　3.1??標準以太網的幀結構

　　標準以太網的幀如表1所示。可以看出，一個標準以太網幀數據大小為64 B～1??500 B。快速以太網（100 Mb/s）傳輸1 518 B數據的時間是120 μs,傳輸64 B數據的時間是5 μs。

　　3.2??交換機制

　　SIMATIC 中的交換機通過 PROFINET 上的2個機制滿足實時要求。

　　(1) 存儲與轉發S&F（Store and Forward）[4]

　　使用存儲轉發方法時，交換機將完整地存儲消息幀，并將它們排成一個隊列。 如果交換機支持國際標準 IEEE 802.1Q，則根據其在隊列中的優先級存儲數據。 這些消息幀隨后將有選擇性地轉發給可訪問已尋址節點的特定端口（存儲轉發）。

　　對于存儲轉發，數據經過交換機時先存儲進行校驗，然后由交換機根據地址表再進行轉發。

　　(2)直通交換方式（Cut Through）[4]

　　在直通交換方式過程中，并不是將整個數據包臨時存儲在緩沖區中，而是在目標地址和目標端口已經確定后，馬上將整個數據包直接傳送到目標端口。這 樣通過交換機傳送數據包所用的時間是最小的，且不受消息幀長度的影響。當目標段與下一個交換機的端口之間的區段已被占用時，數據將“根據優先級的存儲和轉 發過程”臨時存儲。

　　根據西門子交換機SCALANCE X200手冊，64 B的數據S&F延遲時間是10 μs，1 500 B數據S&F延遲時間是130 μs。

　　3.3??PROFINET IO實時數據傳輸的延遲時間

　　假設組態ET200分布式I/O模塊不是很多的情況下，這樣一個最小的以太網報文64 B完全可以控制I/O，那么就認為PROFINET報文的大小為64 B。根據快速以太網（100 Mb/s）傳輸64 B數據的時間是5 μs，經過n臺交換機的傳輸時間約為n×5 μs。根據SCALANCE X200手冊，64 B的數據S&F延遲時間是10 μs，經過n臺交換機的延遲時間約為n×10 μs。那么RT數據的延遲時間為n×（10+5）μs。

　　所謂反應時間是液晶顯示器各像素點對輸入信號反應的速度，即像素由暗轉亮或由亮轉暗所需要的時間(其原理是在液晶分子內施加電壓，使液晶分子扭 轉與回復)。常說的25ms、16ms就是指的這個反應時間，反應時間越短則使用者在看動態畫面時越不會有尾影拖曳的感覺。一般將反應時間分為兩個部分： 上升時間(Rise time)和下降時間(Fall time)，而表示時以兩者之和為準。

　　根據這種分析方法，對任何的PROFINET網絡拓撲結構都可以通過上述的方法確定PROFINET??IO設備的刷新時間，避免出現IO錯誤。

　　如果使用SCANLANCE X IRT交換機串聯，由于IRT交換機使用Cut Through的處理數據方式，這樣數據的延遲時間會明顯縮短。

　　如果使用帶有PN接口的ET200串聯，由于集成ERTEC芯片，同樣適用Cut Though的數據處理方式，這樣數據的延遲時間會大大縮短。

　　由交換機的機制和數據在網絡介質中傳輸造成的延遲可以看出，距離主站組態距離不同的IO設備數據更新時間是不同的，距離主站越遠的設備，IO數據更新時間越長，所以必須要設定相應的看門狗時間，以避免因為到達看門狗時間數據未更新而造成設備故障誤報。

　　使用IRT（等時實時）通信可以有效地減少數據在交換機上的延遲，因為IRT數據經過交換機使用的是Cut Through方式。