概述 Profinet A&D CS2 FA 2 Service & Support 2 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 自动化发展趋势 ?集中控制-分布式控制 ?在所有的自动化层上使用以太网 ?在自动化系统中开放式的IT 标准得到更多的应用 ?IT和自动化系统一起发展 需求& 发展趋势 3 Service & Support 3 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 形成统一网络的结构 ?减少接口 ?设备的安装范围更广阔 ?至上而下从企业控制层直到现场层的连续 在自动化系统中使用 IT-技术的优势 ?远程访问 ?Web 服务 ?软件更新 相对当前系统的高级之处 ?更高的性能 ?没有数量的限制 ?操作简单 为什么在工业环境中使用以太网? 需求& 发展趋势 4 Service & Support 4 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT Industrial Automation 工业自动化对于以太网的特殊要求 Industrial approved Installation Plant wide Engineering High Availability Quick Reaction Times Efficient Network and Device Diagnostics Configurable Access Protection Safety approved Applications Integration of existing Plants 需求& 发展趋势 5 Service & Support 5 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT PROFINET 基于工业以太网标准 全面地解决方案! PROFINET IT-Standards & Security Process Distributed Intelligence Distributed Field Devices Motion Control Real-time Communication Network Installation Safety Answer: PROFINET 6 Service & Support 6 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT PROFINET 是由PROFIBUS & PROFINET International (PI) 推出的出的开放式工业以太网标准 PROFINET 是基于工业以太网 PROFINET 遵循 TCP/IP 和 IT标准 PROFINET 是实时以太网 PROFINET 可以无缝集成现场总线系统 PROFINET 解决方案! PROFINET 7 Service & Support 7 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 动机 ?Ethernet 采用随机争用型介质访问方法 (CSMA/CD) ?存在的问题：如果网络负载过高，无法预测网络延迟时间 Transmitter Switch Switch Switch Switch Switch Switch Receiver A B C D E F Further stations ?只要有通信需求，各以太网节点 (A-F) 均可向网络发送数据 ?报文可能在主干网中被缓冲 8 Service & Support 8 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 现场通信中的 QoS 要求 QoS 级别 1 2 3 4 应用类型 控制器之间 分布式 IO 设备 运动控制 组态编程/参数 反应时间 100ms 10ms 1ms 尽力 抖动 / / 1us 9 Service & Support 9 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 交换技术 ?以太网帧的优先级划分在 IEEE 802.1q 标准中定义 ?四个额外的数据字节用于控制不同优先级数据帧的传输 ?数据帧 1 正在发送中 ，无法中断正在进行的传输任务 ?数据帧 2 的优先级低于数据帧 3 ，因而被暂时搁置 Port 1 Queue for port 1 Port 2 Port 3 1 3 2 1 3 2 1 2 3 10 Service & Support 10 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 改善的通信堆栈性能 ? 数据准备和处理所需的时间与通信无关 ? 优化通信堆栈循环时间 ? 线路传输时间可忽略 (100 Mb/s) 提供 数据 通信堆栈 提供者提供者 处理 数据 通信堆栈 消费者消费者 传输传输 ?T1 ?T2 ? T3 11 Service & Support 11 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 如何获得以太网 QoS ? 使用专用交换技术和全双工 FCX 通道 ? 遵循 IEEE802.1D/Q 的优先级别，采用服务类别 CoS 机制 时间要求严格的应用场合 “尽力“ 应用场合 ? 优化设备处理时间 12 Service & Support 12 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 分类 根据响应时间不同有三种通信方式 ? TCP/IP 标准 ? 实时(RT) 通信 ? 等时同步实时(IRT) 通信 两种应用方式两种应用方式 ? 集成分布式I/O的PROFINET IO ? 用于创建模块化的PROFINET CBA 13 Service & Support 13 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT RT 通信堆栈 标准通道 TCP/IP and UDP/IP ?组态和参数化 ?诊断数据 ?装载 网络连接 ?建立用户数据通信通道 实时通道 RT ?高性能、循环用户数据传输 ?事件触发的消息/报警 实时通道 IRT ?同步用户数据传输 ?抖动 1sec 实时 RT IRT 实时实时 1 Ethernet TCP/UDP PROFINET 应用程序应用程序 IT 应用应用 e.g. ? HTTP ? SNMP ? DHCP. 标准数据 实时数据 IP 3 1 2 3 ASIC PN IO with IRT 2 14 Service & Support 14 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT PROFINET 报文的结构 依照 IEEE 802.3 标准的报文格式 PROFINET real-time 报文的Ether type ?0x0800: IP 报文 ?0x8892: PROFINET real-time 报文 通过 Frame-ID 确定接收数据的分配 ?循环传输 (过程值) ?事件触发传输(报警和事件) 状态信息 ?设备和数据状态 (如：运行，停止，错误) Pre- ambel 7 Byte Source MAC 6 Byte Dest. MAC 6 Byte Priority Tagging* 4 Byte Frame ID 2 Byte FCS 4 Byte Prozess data up to 1440 Byte Sync 1 Byte Ether- type 2 Byte Ethernet Frame Status Information 4 Byte PROFINET specific Ethernet-Standard * According to 802.1 Q PROFINET 实时 15 Service & Support 15 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT PROFINET 实时通信 ?综合通信技术和短的响应时间 ?实时和 IT 通信在同一介质上进行 ?高性能的实时通信，可应用于高性能场合 ?TCP/IP 通信不受限制 IT services 1 ms 10 ms 100 ms Internet 工厂自动化 运动控制 TCP/IP IRT RT 16 Service & Support 16 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT PROFINET 实时通信 PROFINET 根据性能不同可划分为两种实时类型 (Ethertype 0x8892). 实时 (RT): ?使用标准网络器件 ?工作特性与目前的现场总线类似 (如 PROFIBUS) ?典型应用场合：工厂自动化 等时实时 (IRT): ?时钟同步的通信 ?借助 Switch-ASIC 芯片 ?典型应用场合：运动控制中的驱动控制 17 Service & Support 17 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT RT 通信要求 更新时间 ? 工厂自动化： 5-10 ms ? 运动控制：1 ms，抖动 1s (时间同步) 处理器负责应用程序的处理，实时通信不应过分占据处理器资源 ? 处理器的主要任务是处理应用程序 实时通信必须可应用于现有的以太网络结构中 ? 对现有通信不造成影响 ? 使用标准网络器件 (如交换机) ? 装置采用标准以太网控制器 18 Service & Support 18 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT STEP 7 中组态PROFINET IO RT PN IO with RT 19 Service & Support 19 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 更新时间 ? 组态中定义了时间 Phase=Send clock, 在此时间内过程数据将被发送 ? 在同一个时间片内，实时数据和TCP/IP 数据可以被一起发送 ? 所有设备数据更新数据的时间和就是update time 1 2 3 1 3 TCP/IP TCP/IP TCP/IP 1 2 3 TCP/IP . Update time e.g.2ms Send clock e.g. 1ms 1 Phase2 Phase3 Phase1 PN IO with RT 20 Service & Support 20 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT iMap 组态 PROFINET CBA RT PN CBA with RT 21 Service & Support 21 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT IT services 1 ms 10 ms 100 ms Internet 工厂自动化 运动控制 TCP/IP IRT RT 等时实时通信 IRT 运动控制要求 ? 总线周期小于 1 ms ? 时钟同步及确定性 ? 抖动小于 1s ? Time scheduled transmission PN IO with IRT 22 Service & Support 22 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT IRT 通信堆栈 标准通道 TCP/IP and UDP/IP ?组态和参数化 ?诊断数据 ?装载 网络连接 ?建立用户数据通信通道 实时通道 IRT ?同步用户数据传输 ?抖动 1sec 实时 RT IRT 实时实时 1 Ethernet TCP/UDP PROFINET 应用程序应用程序 IT 应用应用 e.g. ? HTTP ? SNMP ? DHCP. 标准数据 实时数据 IP 3 1 2 3 ASIC PN IO with IRT 23 Service & Support 23 PROFINET 系统 实时概念 PN IO with RT PN CBA with RT PN IO with IRT 等时模式的实时 Cycle 1 Cycle 2 = time domain Cycle n IRT- channel Standard channel Isochronous communication Standard communication IRT- channel Standard channel IRT- channel RT- communication TCP/IP-data IRT-data E.g. 1 ms position control cycle 通信系统时间安排 ? 实时和 TCP/IP 数据使用不同的时间域 ? 高度精确的周期同步和控制周期 (抖动 ”快车道” ?为 IRT 预留通道 (资源) ?保证实时，与通信量 (网络负荷) 无关 ?无限制访问 (TCP/IP, IT, .) Lane for IRT TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP IRT RT IRT PN IO with IRT