工業以太網PROFINET性能優化及認證測試

（機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所，北京 100055）

0 引言

工業通信是現代自動化的關鍵技術，在制造和生產過程中用于控制和監視機器與系統，連接生產島、集成鄰近的任務（邏輯、質保與系統維護）。工業通信技術主要包括現場總線、工業以太網和工業無線技術。傳統現場總線應用領域正越來越多地應用了工業以太網。以太網和基于IP的通信是實現工業控制系統高速互聯的驅動力，工廠自動化通過該技術實現以更短的時間、更低的成本生產更好的產品。這也是以太網在工業環境中得以進一步發展的原因。在工業4.0、工業物聯網以及大數據的時代，工業以太網通信具有更大的重要性。

為什么選用PROFINET？PROFINET集成有標準以太網通信通道，是100%的以太網技術，在標準化、集成、易于使用、信息安全以及降低成本方面具有優勢。

PROFINET技術近年來正在高速發展，PI（PROFIBUS & PROFINET國際組織）也不斷根據市場需求進行性能優化和擴展。下面將對這些內容進行介紹，同時，給出關鍵通信性能參數的關系與使用時的注意事項，以及設備制造商關心的認證測試條件及認證中的常見問題。

1 PROFINET為過程自動化（PA）所做的擴展

PROFINET技術在PROFIBUS DP應用領域正逐步將其取代，PROFINET在工廠自動化行業為用戶帶來了諸多益處。現在，過程自動化中也有了PROFINET用戶需求。但是，過程相關的系統通常結構復雜、車間（工廠）物理空間分布廣、十幾至幾十年的生命周期；而且，過程自動化一般是連續生產過程，中斷或干擾會造成對人員或環境的傷害，非計劃停止運行也會造成巨大的經濟損失。

因此，過程自動化對工業通信技術有如下要求：

1）安裝技術及現場設備易于掌握；

2）應用在危險區域，包括本質安全等；

3）長導線傳輸；

4）靈活的拓撲設計；

5）連接技術具有魯棒性；

6）關鍵部件冗余；

7）設備易于替換；

8）車間運行期間無擾組態。

針對上述過程自動化對工業通信技術的要求，PROFINET在現有通信性能基礎上增加如下性能：

1）Proxy（代理）技術，解決不同通信技術在PROFINET網絡中的集成問題，可實現投資保護，易于實現在原有技術基礎上的升級改造；

2）系統冗余（System Redundancy），解決過程自動化高可靠性的要求；

3）運行中組態（CiR，Configuration in Run），解決車間運行期間的無擾動組態要求；

4）Sequence of Events，用于將動作、報警、狀態報文等記錄為事件序列，基于IEEE 1588協議，提供高精度時戳的原因分析；

上述新增特性結合PROFINET已有的適用于PA行業要求的通信性能：設備無擾替換、符合NAMUR（德國化工協會）NE107的診斷模型、媒體冗余（MRP），PROFINET技術已具備在過程自動化中推廣應用的基本條件。

2 PA profile3.02（基于PROFIBUS）即將成為歷史

眾所周知，PROFIBUS協議分為PROFIBUS DP和PROFIBUS PA，DP用于離散制造行業，PA用于過程自動化，當前可用的PA行規版本為3.02，基于PROFIBUS通信協議。為滿足PROFINET技術在流程自動化中的應用需求，PI研制了也可適用于PROFINET通信的PA行規4.0版本，該行規既可基于PROFIBUS也可基于PROFINET。PA 4.0行規新增了制造商和用戶的要求及專家經驗，這些新增內容獨立于物理層和協議。

新增的關鍵特性主要包括：

1）工程化、安裝、調試與設備替換過程統一，且更容易；

2）現場設備在控制系統中的組態與制造商獨立；

3）傳輸大量數據，不僅包含數據和關鍵字還包含語義；

4）測量值的單位在現場設備與控制系統間同步。

3 PROFINET協議V2.2與V2.3

PROFINET最初應用的版本為2.2，后根據用戶需求改善了性能，推出PROFINET V2.3，并停止了2.2版本的認證測試。與V2.2相比，新增如下三項性能優化措施

1）快速轉發（Fast Forwarding，FF）；

2）動態幀打包（Dynamic Frame Packaging，DFP）；

3）分段（Fragmentation）

以上這些PROFINET性能優化措施均基于IRT（同步）通信，同時結合了拓撲的知識。

IRT通信屬于RT_CLASS_3，不包含VLAN TAG，幀結構如圖1所示。

圖1 RT_CLASS_3幀結構

3.1 快速轉發（FF）

為了明確標識一個幀，交換機必須評估幀頭中的尋址信息（DA和Frame_ID）。網絡中的交換機要轉發一個幀需要的額外時間包括bridge delay和line delay。Bridge delay指交換機探測到frame_ID所需的時間，對于標準IRT幀，交換機需等待24字節。通過將Frame_ID移入DA的前兩個字節，可將bridge delay縮短為10個字節，優化后的幀結構如圖2所示。

圖2 優化的RT_CLASS_3幀結構1

優化后，目的MAC地址前兩個字節結構為如圖3所示，PROFINET為FF幀定義了特定的Frame_ID（14比特）：

圖3 優化后的目的MAC地址前2字節

第二個優化措施是降低line delay，僅在“PortRxDelay”和“PortTxDelay”（即通過switch的時間）可以減低時才可實現，取決于所用的MAU類型?？刹捎镁哂休^短Preamble的PHY實現優化，將8字節的Preamble縮短為2字節，line delay優化后的幀結構如圖4所示。

圖4 優化的RT_CLASS_3幀結構2

通過上述兩項優化，bridge delay可從24字節縮短為4字節，從而實現IRT幀以更快速度的轉發。

3.2 動態幀打包（Dynamic Frame Packaging ）

要實現動態幀打包功能，需要三個前提條件：

1）控制器知道拓撲結構；

2）系統支持IRT通信；

3）支持快速轉發。

動態幀打包的基本原理是定義一個DFP的域，所有設備的輸出在一個輸出幀中傳輸，所有設備的輸入在一個輸入幀中傳輸，這樣可優化對可用帶寬的利用。

根據系統拓撲，控制器按照順序將（輸出）數據放在數據幀中，每個相關的設備從中取出自己的數據，并更新幀的FCS和數據長度，當拓撲中最后一個設備取完輸出數據后，各設備以相反的順序將自己的輸入數據逐一放入幀中，更新幀頭以及FCS，最后形成一個包含所有設備輸入數據的數據幀給控制器，數據流向圖如圖5所示。相較于每個設備的數據獨自形成一個幀，節省了幀頭與幀尾等開銷，從而節省了帶寬。

圖5 DFP數據流向圖

DFP還有另外一種形式，即控制器與設備間的輸出幀不沿著網絡逐步縮短，各設備的子幀形成的數據幀到達每個設備時相同，這種模式適用于控制器與proxy間。

3.3 幀的分段（Fragmentation）

還有一個縮短總線周期的改進方法。在要求總線周期小于250us的自動化系統中，如果沒有附加措施來傳輸IRT幀、報警和非循環服務，則很難保證到達這樣的總線周期。原因是最大長度的UDP/IP幀需要占用可用帶寬中的125us。因此，為防止循環實時通信受影響，有必要將TCP/UDP IP數據包分包，將分包后的數據在1到n個周期中傳輸。

分段的基本原則，一方面，所分的段應足夠大，以充分利用可用帶寬；另一方面，產生的分段應足夠小，以在開放間隔中傳輸完畢。

4 響應時間相關的通信參數

在PROFINET設備的GSDML中有幾個關鍵字與響應時間密切相關：MinDeviceInterval，Reduction Ratio，SendClock（對應PROFINET規范中的SendClock Factor）。

MinDeviceInterval表示設備能夠提供新數據的時間性能，該時間值計算公式如下：

MinDeviceInterval = SendClockFactor×31.25μs

其中31.25μs為PROFINET的基本時基。

對于RT_Class_1的一致性類A和B設備，MinDeviceInterval最大允許值為128ms。對于一致性類C類設備，MinDeviceInterval值不超過1ms。

Reduction Ratio，表示在一個Send Cycle中發送和接收數據的頻率。Send Cycle與Reduction Ratio的關系如下：

Send Cycle =31.25μs×SendClockFactor×ReductionRatio

上述是理論上的對應關系，Send Cycle的值的最終確定，與PROFINET子網中所連接的其他設備相關，大小取決于更新數據（對應工程工具中的update time）最慢的設備，該值可由工程工具自動計算。

而每個設備的update time可能不同，單個設備的update time（Ta）值計算公式如下：

Ta= ReductionRatio×SendClockFactor×31.25μs

用戶對于update time值的選擇需進行多方考慮。如果選用較小的update time值，則數據更新間隔也更短，因此能以更快的速度提供數據用以處理。但是，一定時間內網絡中傳輸的數據量較多，也會造成更大的網絡負載。當周期實時通信網絡負載增加時，其他通信可用帶寬下降。

update time越小，周期實時通信占用帶寬越大；update time越大，響應時間越長。因此，建議在符合應用對響應時間的要求下，應盡量選擇較大的update time。

5 PROFINET認證測試及常見問題

PI會員可以免費下載測試包，包含了測試軟件、測試配置文檔、測試案例判定幫助文檔以及部分測試案例實現文檔，全套文件與認證測試實驗室完全相同。測試包中推薦了測試輔助設備，包括控制器、交換機、PN IO設備、智能插排等，如果全部購買需投入較多的資金。對于最多見的兩端口設備來說，一個支持IRT的交換機和支持IRT的PN IO設備，即可滿足多數測試案例的基本測試要求。

下面介紹一下PROFINET認證測試中的常見問題：

PROFINET設備的MAC地址來源不合法，全球的以太網設備MAC地址統一由IEEE管理，制造商不能隨意編寫設備的MAC地址。

UDP_SrcPort超出范圍。對于UDP/IP通信，PROFINETIOServiceReqPDU和PROFINETIOServiceResPDU所用的UDP_SrcPort以及UDP_DstPort有效范圍為0xC000-0xFFFF。

錯誤碼使用不符合規范。在通信的請求和響應中，如果有負響應，則響應須按照PROFINET協議中PNIOStatus規定的各錯誤碼對應的含義，規范使用錯誤碼，涉及到的代碼主要有ErrorCode、ErrorDecode、ErrorCode1和ErrorCode2。

6 結束語

PROFINET認證測試是一個強制性要求。進行PROFINET認證測試的基本前提條件是具有PI分配的制造商ID以及來自IEEE的合法MAC地址。為了推廣PROFINET技術，PI為會員免費提供了強大的測試資源，這是跟現場總線時代一個最大的不同，PROFINET設備制造商應充分利用這樣的便利條件，可在開發過程中進行同步測試以排除問題，以縮短產品的開發周期與將來的認證過程。

[1]PI White Paper: PROFINET – The Solution Platform for Process Automation[Z].June 2015.

[2]Industrial communication with PROFINET,Manfred Popp,PNO Order No:4.181[Z].