（机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055）

0 引言

工业通信是现代自动化的关键技术，在制造和生产过程中用于控制和监视机器与系统，连接生产岛、集成邻近的任务（逻辑、质保与系统维护）。工业通信技术主要包括现场总线、工业以太网和工业无线技术。传统现场总线应用领域正越来越多地应用了工业以太网。以太网和基于IP的通信是实现工业控制系统高速互联的驱动力，工厂自动化通过该技术实现以更短的时间、更低的成本生产更好的产品。这也是以太网在工业环境中得以进一步发展的原因。在工业4.0、工业物联网以及大数据的时代，工业以太网通信具有更大的重要性。

为什么选用PROFINET？PROFINET集成有标准以太网通信通道，是100%的以太网技术，在标准化、集成、易于使用、信息安全以及降低成本方面具有优势。

PROFINET技术近年来正在高速发展，PI（PROFIBUS & PROFINET国际组织）也不断根据市场需求进行性能优化和扩展。下面将对这些内容进行介绍，同时，给出关键通信性能参数的关系与使用时的注意事项，以及设备制造商关心的认证测试条件及认证中的常见问题。

1 PROFINET为过程自动化（PA）所做的扩展

PROFINET技术在PROFIBUS DP应用领域正逐步将其取代，PROFINET在工厂自动化行业为用户带来了诸多益处。现在，过程自动化中也有了PROFINET用户需求。但是，过程相关的系统通常结构复杂、车间（工厂）物理空间分布广、十几至几十年的生命周期；而且，过程自动化一般是连续生产过程，中断或干扰会造成对人员或环境的伤害，非计划停止运行也会造成巨大的经济损失。

因此，过程自动化对工业通信技术有如下要求：

1）安装技术及现场设备易于掌握；

2）应用在危险区域，包括本质安全等；

3）长导线传输；

4）灵活的拓扑设计；

5）连接技术具有鲁棒性；

6）关键部件冗余；

7）设备易于替换；

8）车间运行期间无扰组态。

针对上述过程自动化对工业通信技术的要求，PROFINET在现有通信性能基础上增加如下性能：

1）Proxy（代理）技术，解决不同通信技术在PROFINET网络中的集成问题，可实现投资保护，易于实现在原有技术基础上的升级改造；

2）系统冗余（System Redundancy），解决过程自动化高可靠性的要求；

3）运行中组态（CiR，Configuration in Run），解决车间运行期间的无扰动组态要求；

4）Sequence of Events，用于将动作、报警、状态报文等记录为事件序列，基于IEEE 1588协议，提供高精度时戳的原因分析；

上述新增特性结合PROFINET已有的适用于PA行业要求的通信性能：设备无扰替换、符合NAMUR（德国化工协会）NE107的诊断模型、媒体冗余（MRP），PROFINET技术已具备在过程自动化中推广应用的基本条件。

2 PA profile3.02（基于PROFIBUS）即将成为历史

众所周知，PROFIBUS协议分为PROFIBUS DP和PROFIBUS PA，DP用于离散制造行业，PA用于过程自动化，当前可用的PA行规版本为3.02，基于PROFIBUS通信协议。为满足PROFINET技术在流程自动化中的应用需求，PI研制了也可适用于PROFINET通信的PA行规4.0版本，该行规既可基于PROFIBUS也可基于PROFINET。PA 4.0行规新增了制造商和用户的要求及专家经验，这些新增内容独立于物理层和协议。

新增的关键特性主要包括：

1）工程化、安装、调试与设备替换过程统一，且更容易；

2）现场设备在控制系统中的组态与制造商独立；

3）传输大量数据，不仅包含数据和关键字还包含语义；

4）测量值的单位在现场设备与控制系统间同步。

3 PROFINET协议V2.2与V2.3

PROFINET最初应用的版本为2.2，后根据用户需求改善了性能，推出PROFINET V2.3，并停止了2.2版本的认证测试。与V2.2相比，新增如下三项性能优化措施

1）快速转发（Fast Forwarding，FF）；

2）动态帧打包（Dynamic Frame Packaging，DFP）；

3）分段（Fragmentation）

以上这些PROFINET性能优化措施均基于IRT（同步）通信，同时结合了拓扑的知识。

IRT通信属于RT_CLASS_3，不包含VLAN TAG，帧结构如图1所示。

图1 RT_CLASS_3帧结构

3.1 快速转发（FF）

为了明确标识一个帧，交换机必须评估帧头中的寻址信息（DA和Frame_ID）。网络中的交换机要转发一个帧需要的额外时间包括bridge delay和line delay。Bridge delay指交换机探测到frame_ID所需的时间，对于标准IRT帧，交换机需等待24字节。通过将Frame_ID移入DA的前两个字节，可将bridge delay缩短为10个字节，优化后的帧结构如图2所示。

图2 优化的RT_CLASS_3帧结构1

优化后，目的MAC地址前两个字节结构为如图3所示，PROFINET为FF帧定义了特定的Frame_ID（14比特）：

图3 优化后的目的MAC地址前2字节

第二个优化措施是降低line delay，仅在“PortRxDelay”和“PortTxDelay”（即通过switch的时间）可以减低时才可实现，取决于所用的MAU类型。可采用具有较短Preamble的PHY实现优化，将8字节的Preamble缩短为2字节，line delay优化后的帧结构如图4所示。

图4 优化的RT_CLASS_3帧结构2

通过上述两项优化，bridge delay可从24字节缩短为4字节，从而实现IRT帧以更快速度的转发。

3.2 动态帧打包（Dynamic Frame Packaging ）

要实现动态帧打包功能，需要三个前提条件：

1）控制器知道拓扑结构；

2）系统支持IRT通信；

3）支持快速转发。

动态帧打包的基本原理是定义一个DFP的域，所有设备的输出在一个输出帧中传输，所有设备的输入在一个输入帧中传输，这样可优化对可用带宽的利用。

根据系统拓扑，控制器按照顺序将（输出）数据放在数据帧中，每个相关的设备从中取出自己的数据，并更新帧的FCS和数据长度，当拓扑中最后一个设备取完输出数据后，各设备以相反的顺序将自己的输入数据逐一放入帧中，更新帧头以及FCS，最后形成一个包含所有设备输入数据的数据帧给控制器，数据流向图如图5所示。相较于每个设备的数据独自形成一个帧，节省了帧头与帧尾等开销，从而节省了带宽。

图5 DFP数据流向图

DFP还有另外一种形式，即控制器与设备间的输出帧不沿着网络逐步缩短，各设备的子帧形成的数据帧到达每个设备时相同，这种模式适用于控制器与proxy间。

3.3 帧的分段（Fragmentation）

还有一个缩短总线周期的改进方法。在要求总线周期小于250us的自动化系统中，如果没有附加措施来传输IRT帧、报警和非循环服务，则很难保证到达这样的总线周期。原因是最大长度的UDP/IP帧需要占用可用带宽中的125us。因此，为防止循环实时通信受影响，有必要将TCP/UDP IP数据包分包，将分包后的数据在1到n个周期中传输。

分段的基本原则，一方面，所分的段应足够大，以充分利用可用带宽；另一方面，产生的分段应足够小，以在开放间隔中传输完毕。

4 响应时间相关的通信参数

在PROFINET设备的GSDML中有几个关键字与响应时间密切相关：MinDeviceInterval，Reduction Ratio，SendClock（对应PROFINET规范中的SendClock Factor）。

MinDeviceInterval表示设备能够提供新数据的时间性能，该时间值计算公式如下：

MinDeviceInterval = SendClockFactor×31.25µs

其中31.25µs为PROFINET的基本时基。

对于RT_Class_1的一致性类A和B设备，MinDeviceInterval最大允许值为128ms。对于一致性类C类设备，MinDeviceInterval值不超过1ms。

Reduction Ratio，表示在一个Send Cycle中发送和接收数据的频率。Send Cycle与Reduction Ratio的关系如下：

Send Cycle =31.25µs×SendClockFactor×ReductionRatio

上述是理论上的对应关系，Send Cycle的值的最终确定，与PROFINET子网中所连接的其他设备相关，大小取决于更新数据（对应工程工具中的update time）最慢的设备，该值可由工程工具自动计算。

而每个设备的update time可能不同，单个设备的update time（Ta）值计算公式如下：

Ta= ReductionRatio×SendClockFactor×31.25µs

用户对于update time值的选择需进行多方考虑。如果选用较小的update time值，则数据更新间隔也更短，因此能以更快的速度提供数据用以处理。但是，一定时间内网络中传输的数据量较多，也会造成更大的网络负载。当周期实时通信网络负载增加时，其他通信可用带宽下降。

update time越小，周期实时通信占用带宽越大；update time越大，响应时间越长。因此，建议在符合应用对响应时间的要求下，应尽量选择较大的update time。

5 PROFINET认证测试及常见问题

PI会员可以免费下载测试包，包含了测试软件、测试配置文档、测试案例判定帮助文档以及部分测试案例实现文档，全套文件与认证测试实验室完全相同。测试包中推荐了测试辅助设备，包括控制器、交换机、PN IO设备、智能插排等，如果全部购买需投入较多的资金。对于最多见的两端口设备来说，一个支持IRT的交换机和支持IRT的PN IO设备，即可满足多数测试案例的基本测试要求。

下面介绍一下PROFINET认证测试中的常见问题：

PROFINET设备的MAC地址来源不合法，全球的以太网设备MAC地址统一由IEEE管理，制造商不能随意编写设备的MAC地址。

UDP_SrcPort超出范围。对于UDP/IP通信，PROFINETIOServiceReqPDU和PROFINETIOServiceResPDU所用的UDP_SrcPort以及UDP_DstPort有效范围为0xC000-0xFFFF。

错误码使用不符合规范。在通信的请求和响应中，如果有负响应，则响应须按照PROFINET协议中PNIOStatus规定的各错误码对应的含义，规范使用错误码，涉及到的代码主要有ErrorCode、ErrorDecode、ErrorCode1和ErrorCode2。

6 结束语

PROFINET认证测试是一个强制性要求。进行PROFINET认证测试的基本前提条件是具有PI分配的制造商ID以及来自IEEE的合法MAC地址。为了推广PROFINET技术，PI为会员免费提供了强大的测试资源，这是跟现场总线时代一个最大的不同，PROFINET设备制造商应充分利用这样的便利条件，可在开发过程中进行同步测试以排除问题，以缩短产品的开发周期与将来的认证过程。

[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].