劉柯， 耿春明， 夏繼強

(北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院, 北京 100191)

0 引 言

PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?、實時性以及通信的安全性、可靠性出發(fā)，為自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信提供了一套完整的解決方案[1]。為了滿足用戶不同的實時性需求，PROFINET提供了三種通信方式：UDP/IP、PROFINET RT、PROFINET IRT。本文主要研究使用廣泛的PROFINET RT通信。

目前國外對PROFINET RT通信的性能和響應(yīng)時間等方面作了較多的研究與分析[2-5]，而國內(nèi)對于PROFINET RT研究的文獻并不是很多，多篇文獻雖然對PROFINET RT通信作了簡單的介紹，概括性地描述了PROFINET通信幀的組成及結(jié)構(gòu)，但沒有對PROFINET RT通信保證實時性的技術(shù)手段、通信規(guī)律等方面作出說明[6-9]，而這些方面的研究將對深入理解PROFINET RT技術(shù)、利用這門技術(shù)更好地為相關(guān)產(chǎn)業(yè)服務(wù)產(chǎn)生重要影響。本文從PROFINET RT實現(xiàn)實時性的方法出發(fā)，介紹并分析了PROFINET RT通信的規(guī)律以及PROFINET RT通信幀結(jié)構(gòu)與組態(tài)的關(guān)系。

1 PROFINET RT實時性的實現(xiàn)

PROFINET RT通信主要通過以下四個方面保障通信的實時性：

(1)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)利用CSMA/CD技術(shù)解決可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)競爭訪問問題，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時間的不確定性。PROFINET技術(shù)充分利用交換機技術(shù)，通常在PROFINET設(shè)備上集成多個帶交換功能的端口，減小了可能的數(shù)據(jù)通信沖突域。另外，PROFINET設(shè)備還支持IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，RT通信幀中攜帶標(biāo)識優(yōu)先級的VLAN標(biāo)簽，使得交換機中各種報文的發(fā)送有了先后順序，降低了數(shù)據(jù)沖突的可能性[10]。

(2)如圖1所示，傳統(tǒng)以太網(wǎng)的四層模型包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層，而PROFINET的實時數(shù)據(jù)包括RT和IRT，旁路了TCP/UDP和IP層，精簡了協(xié)議棧，減少了實時報文通過協(xié)議棧的時間，為快速生成報文和解析提供了有利條件[11-12]。

(3)PROFINET RT通信使用100 Mbps快速以太網(wǎng)，每個設(shè)備按照組態(tài)時設(shè)置的通信間隔周期性地與控制器通信。網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備的通信間隔可以不同，這樣既能合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，也能降低網(wǎng)絡(luò)堵塞的可能性。

(4)PROFINET RT使用了一系列的通信超時監(jiān)視時間，如下文中的看門狗時間，如果在該時間段內(nèi)設(shè)備或控制器沒有接收到通信對象的數(shù)據(jù)，設(shè)備或控制器就將報警并啟動相應(yīng)的處理程序。

圖1 PROFINET使用的精簡協(xié)議棧模型

2 PROFINET RT通信的發(fā)送周期

在PROFINET RT通信中，控制器與設(shè)備間的通信遵循生產(chǎn)者-消費者模型，兩者按照約定的通信間隔周期性地交換數(shù)據(jù)。PROFINET RT的總線發(fā)送周期是指在該時間段內(nèi)控制器能獲得網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，也就是對網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備而言，在該時間段內(nèi)每個設(shè)備至少向控制器發(fā)送了一次實時數(shù)據(jù)。而設(shè)備的發(fā)送周期是指設(shè)備每隔多長時間向控制器發(fā)送一次實時數(shù)據(jù)，每個設(shè)備的發(fā)送周期可以不同且網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備的發(fā)送周期都不能超過該網(wǎng)絡(luò)的總線發(fā)送周期。

總線發(fā)送周期被分為多個時長相同的時段(Phase)，時段的長度取決于網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的實時性能和組態(tài)時的設(shè)定。在控制器參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備時，與時段長度相關(guān)的參數(shù)將在設(shè)備參數(shù)化階段發(fā)送給設(shè)備。時段時長的計算公式如下：

Phase=SendClockFactor×31.25 μs

(1)

式中：SendClockFactor為發(fā)送時鐘因子，其取值范圍在設(shè)備的GSD(General Station Description)文件中說明。由于網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備可以有不同的發(fā)送周期，所以PROFINET RT定義了一個減速比(ReductionRatio)。減速比表示時段的倍數(shù)，代表每隔多少個時段設(shè)備發(fā)送一次實時數(shù)據(jù)，所以設(shè)備發(fā)送周期的計算公式如下：

SendCycle=ReductionRatio×Phase

(2)

對于PROFINET RT通信而言，設(shè)備支持的減速比范圍與該設(shè)備的一致性類別有關(guān)。設(shè)備具體支持的減速比范圍在設(shè)備的GSD文件中說明。SendClockFactor和ReductionRatio在參數(shù)化設(shè)備階段通過連接請求幀發(fā)送給設(shè)備。

圖2 關(guān)于發(fā)送數(shù)據(jù)時間間隔的參數(shù)

圖2為利用Wireshark軟件捕捉到的連接請求幀中關(guān)于設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔參數(shù)，其中FrameID用于標(biāo)識設(shè)備將來向控制器發(fā)送實時數(shù)據(jù)的RT幀，SendClockFactor和ReductionRatio用于確定設(shè)備的發(fā)送時間間隔，根據(jù)圖中的信息可知該設(shè)備每隔2×32×31.25 μs即每隔2 ms向控制器發(fā)送一次實時數(shù)據(jù)。Phase告訴設(shè)備在哪個時段開始發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)rameSendOffset告訴設(shè)備該設(shè)備發(fā)送時刻相對于總線發(fā)送周期開始時刻的時間差。由于PROFINET RT是子網(wǎng)內(nèi)的非同步通信，網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備并不知道總線發(fā)送周期的開始時刻。所以Phase和FrameSendOffset對于PROFINET RT通信無關(guān)緊要，每個設(shè)備僅遵守為它們定義的通信時間間隔。

圖2中的WatchdogFactor表示看門狗時間因子，默認值為3，用戶可以根據(jù)實際需要在組態(tài)軟件中更改,由看門狗時間因子可計算出看門狗時間。如果在看門狗時間間隔內(nèi)，控制器沒有向設(shè)備發(fā)送實時數(shù)據(jù)，則設(shè)備應(yīng)切換到安全狀態(tài)?？撮T狗時間的計算公式如下：

WatchdogTime=WatchdogFactor×SendCycle

(3)

3 PROFINET RT幀結(jié)構(gòu)

PROFINET RT通信幀的結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 PROFINET RT幀結(jié)構(gòu)

表1中相關(guān)數(shù)據(jù)解釋如下：

7字節(jié)的前導(dǎo)碼、1字節(jié)的幀起始定界符、目的MAC地址、源MAC地址與以太網(wǎng)幀的含義相同。

VLAN：PROFINET RT支持IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，RT幀中攜帶一個4字節(jié)的VLAN標(biāo)簽，用于區(qū)分實時幀與普通UDP幀的優(yōu)先級。在VLAN標(biāo)簽中，一共有3個二進制位用于設(shè)置幀的優(yōu)先級，也就是說共有8種優(yōu)先級：0～7，其中0的優(yōu)先級最低，7的優(yōu)先級最高。PROFINET RT幀使用優(yōu)先級6或7[13]。

Type：PROFINET RT的以太網(wǎng)幀類型為0x8 892。

FrameID:用于標(biāo)識PROFINET RT幀，如圖2中的FrameID所示，其具體的值由控制器在參數(shù)化設(shè)備階段傳遞給設(shè)備，PROFINET RT幀的FrameID范圍是：0x8 000～0xBFFF[14]。設(shè)備根據(jù)FrameID就可辨別使用的實時性類別。

RT Data:實時幀的數(shù)據(jù)部分。其組成結(jié)構(gòu)與組態(tài)時在設(shè)備上使用到的模塊/子模塊有關(guān),具體組成如表2所示。下文中的輸入都是指設(shè)備到控制器，輸出都是指控制器到設(shè)備。

表2 RT Data結(jié)構(gòu)

表2中，Data表示子模塊的IO數(shù)據(jù)，具體的字節(jié)數(shù)由使用的子模塊定義。IOPS全稱IO Provider Status，由數(shù)據(jù)生產(chǎn)者提供，代表數(shù)據(jù)狀態(tài)，IOPS等于0x80代表子模塊數(shù)據(jù)有效。IOCS全稱IO Consumer Status，由數(shù)據(jù)消費者提供，代表子模塊數(shù)據(jù)能否被相應(yīng)的消費者正確處理，IOCS等于0x80代表消費者正確處理了該子模塊的數(shù)據(jù)。

每個輸入子模塊或輸出子模塊的數(shù)據(jù)由Data、IOPS或IOCS組成，當(dāng)子模塊并不需要提供輸入Data或接收輸出Data部分時，子模塊的數(shù)據(jù)組成將只有IOPS或IOCS。如果子模塊既能提供輸入數(shù)據(jù)又能接收輸出數(shù)據(jù)，那么子模塊的數(shù)據(jù)組成中除了Data和IOPS，還將出現(xiàn)IOCS。

由于IO數(shù)據(jù)是根據(jù)槽/子槽的組合尋址，不管是輸入數(shù)據(jù)還是輸出數(shù)據(jù)，RT Data部分都將按照組態(tài)時設(shè)備上使用的槽/子槽,從槽0開始依次排列使用到的模塊/子模塊的數(shù)據(jù)，并在每個子模塊數(shù)據(jù)的相應(yīng)位置附上子模塊的IOPS或IOCS，所以實際RT Data部分的結(jié)構(gòu)可能與表2不同，因為IOCS與IOPS出現(xiàn)的位置與次數(shù)將由組態(tài)時使用的模塊/子模塊的類別、數(shù)量和位置決定。

APDU：應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元，具體結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 APDU結(jié)構(gòu)

CycleCounter為周期計數(shù)器，每增加1代表31.25 μs。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)參數(shù)化階段控制器規(guī)定的通信間隔周期性的向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)備根據(jù)自身的時鐘每過31.25 μs就將CycleCounter加1并將CycleCounter放入APDU中一起發(fā)送給控制器[15]?？刂破鞲鶕?jù)設(shè)備連續(xù)兩次的數(shù)據(jù)幀中的CycleCounter之差檢驗設(shè)備的通信間隔是否滿足要求?？刂破靼l(fā)送給設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)中的CycleCounter也遵循相同的規(guī)律。

以圖2的數(shù)據(jù)為例，設(shè)備每隔2 ms向控制器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，那么連續(xù)兩次實時幀中的CycleCounter之差應(yīng)為：2X1000/31.25即64。如圖3所示，SiemensA_8a:30:a2代表控制器，SiemensA_b3:24:24代表設(shè)備，控制器、設(shè)備相鄰兩次通信間的CycleCounter值為64。

由于CycleCounter只有兩個字節(jié)，最大可表示的無符號數(shù)為65 535，隨著通信的進行，CycleCounter不斷增加，那么其值肯定會溢出。為了避免這種情況的發(fā)生，可以先用較大的數(shù)表示CycleCounter，如用4個字節(jié)表示CycleCounter，在CycleCounter增加后，直接取CyclCounter的低十六位。如果設(shè)備的硬件在數(shù)值溢出時的行為與上述相同，也可以直接使用兩字節(jié)表示CycleCounter。

如圖3所示，選中的SiemensA_b3:24:24的CycleCounter值為65 472，下一次應(yīng)該發(fā)送的CycleCounter值為65 472加上64為65 536，超出了2個字節(jié)無符號數(shù)的表示范圍。而65 536的十六進制為0x10 000，直接取其低十六位得到0x0000，與圖3中下一次SiemensA_b3:24:24發(fā)出的實時幀中的CycleCounter一致。所以在實際應(yīng)用中，控制器或設(shè)備相鄰兩次CycleCounter之差還應(yīng)考慮溢出的特殊情況。

圖3 CycleCounter在實際系統(tǒng)中捕捉到的值

DataStatus為數(shù)據(jù)狀態(tài)，用于指示設(shè)備上是否存在較大問題以及設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)等。

TransferStatus為傳輸狀態(tài)，在PROFINET RT通信中該字節(jié)為0x00。

FCS：四字節(jié)冗余校驗。

4 結(jié)束語

本文論述和分析了PROFINET RT通信的規(guī)律及計算通信周期的相關(guān)參數(shù)，對PROFINET RT通信幀的結(jié)構(gòu)組成作了較詳細的介紹。PROFINET RT通信基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)，具有實時性高、通信幀攜帶數(shù)據(jù)量大和使用靈活等特點，可滿足工廠自動化領(lǐng)域的使用要求。本文可為PROFINET設(shè)備的使用和開發(fā)提供一定的借鑒和幫助。