总线专题：第六讲 PROFINET（上）

PROFINET是继PROFIBUS以后，由PROFIBUS国际组织PI（PROFIBUS International）新开发的一种基于以太网（Ethernet）的、开放的、用于自动化的工业以太网标准，他使用开放的信息技术IT（Information Technology）标准，并与以太网的传输控制协议/互联网协议TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)标准兼容，并提供了实时RT（Real Time）功能。为了保护PROFIBUS用户的利益，PROFINET能与目前的PROFIBUS进行有机的集成。

在国际电工委员会IEC国际标准中我们可以在IEC61158（第三版）看到其中总线类型10为PROFINET，而在其后发表的IEC61784-2中又看到有PROFINET（CPF3），那么这两个PROFINET究竟有没有区别呢？答案是有所区别的。因此我们首先要了解两种标准的内容是什么？

IEC61158的名称是“测量和控制数字数据通信--工业控制系统用现场总线”。其中有10种类型，包括了FF,Control Net,PROFIBUS,P-Net World FIP,INTERBUS和PROFINET等。这是目前正式通过的国际标准。

IEC61784的名称是“与工业控制系统中使用的现场总线有关的用于连续和离散制造的行规集”，他描述IEC61158（和其他标准）中规定的“服务”集的子集，该子集用于特定的现场总线系统的通信或基于以太网系统的通信。用这种方法定义的特定的“通信行规”被组合在“通信行规簇”CPF（Commanication Profile Family）中。

目前在IEC61158中的PROFINET，其实际内容为基于组件自动化用的PROFINET CBA（Component Based Automation）；而在61784-2中的PROFINET，其实际内容为用于集成分布式I/O（输入/输出）的PROFINET IO。其功能分布如图1所示。图中CBA分别由基于非实时（NRT）通信的组件和基于实时（RT）通信的组件两大部分组成；而PROFINET IO则由实时通信和等时同步实时IRT（Isochronous Real Time）组成。

目前PROFINET IO还在不断开发完善之中，到2007年IEC61784-2中的所有CPF经过投票表决，其中表决通过的CRF，将正式进入到IEC61158成为正式标准。

1.将以太网用于实时控制领域的原理

（1）要将工业以太网应用于实时控制领域，确实存在着“先天不足”的问题。

以太网所采用的介质访问控制方法即CSMA/CD载波监听多路访问冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的方法，是一种非实时性也是一种在时间上没有确定性的通信方式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果二个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送；16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。

在网络负荷较高时，以太网上存在的这种碰撞成了主要问题，因此极大地影响了以太网的数据吞吐量和传输延时，使他的实际性能下降。由于在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障，以太网的这种CSMA/CD介质访问机制导致了通信的非实时性和响应的不确定性。

而对于工业现场控制网络要求来讲，却需要通信的实时性和时间上的确定性（time-deterministic）；而且在运动控制（motion control）方面来讲，则要求更高，要求能达到等时同步实时（IRT）。

所谓实时（Raal Time）性，是指在一个非常短的时间内，通过信息传递能完成所要求的各种功能。如当生产过程中某处温度升高时，温度传感器将信号立即传送给控制器经过一定的算法将控制信号传送给执行器，通过调节所供应的能源，使温度恢复到其正常值。否则就会引起参数振荡，甚至会失控。

所谓时间上的确定性是指在确定的时间内完成所规定的任务。如生产过程中的报警信号，必须在确定的时间内，将信号送到规定的地点，否则将会导致事故的发生，甚至产生灾难性的事件。

等时同步实时（IRT）是运动控制所必需的，因为运动控制速度极快，除了实时性上的要求外，还要求运动控制的各轴，在时间上同步动作。例如在快速彩色印刷机上，如果各轴在时间上不同步，会使各种颜色串色而影响彩印质量。

（2）为什么还要求将以太网用于实时控制呢？

既然以太网用于实时控制存在着“先天不足”的缺陷，那么为什么还要用呢？岂不是“赶鸭子上架”，甚至“削足就屦”呢？

事实上以太网虽然有对实时控制有不足之处，但在IT应用方面确具有不少优点。

以太网的优势在于：

1）技术上成熟