摘 要：PROFINET是一種新的實時以太網(wǎng)標準，本文介紹了PROFINET兩類不同性能的實時通信的技術(shù)特點，并對等時同步實時通信技術(shù)進行了分析，說明了其對IEEE1588的改進。 關(guān)鍵詞：PROFINET; 實時通信; 等時同步

Analysis of Isochronous real-time communication and PROFINET

Peng Jie Li Xiuyuan Ying QiJia

Abstract: PROFINET is a emerging standard of real-time Ethernet. In this paper, isochronous real-time communication of PROFINET is analyzed and enhancements to IEEE1588 are explained after two kinds of real-time communication in PROFINET are introduced. Key word: PROFINET; real-time communication; isochronous 1，概述 　　PROFINET實時以太網(wǎng)是由Profibus International（PI）組織提出的基于以太網(wǎng)的自動化標準。從2004年4月開始，PI與Interbus Club總線俱樂部聯(lián)手，負責合作開發(fā)與制定標準。PROFINET構(gòu)成從I/O級直至協(xié)調(diào)管理級的基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)方案，并可以將Profibus技術(shù)和Interbus現(xiàn)場總線技術(shù)在整個系統(tǒng)中無縫地集成。PROFINET能為緊要任務(wù)提供最低限度的性能保證服務(wù)，同時也能為非緊要任務(wù)提供盡力服務(wù)。 2，PROFINET的實時通信分類 　　PROFINET區(qū)分兩類不同性能的實時周期通信，一種是實時（RT）通信，主要用于工廠自動化，這一類沒有時間同步要求，一般只要求響應(yīng)時間為5-10ms。另一種是等時同步實時（IRT），主要用于有苛刻時間同步要求的場合例如運動控制，電子齒輪。與此對應(yīng)，PROFINET提供兩類實時通信通道具體分為RT實時通道和IRT實時通道。另外還包括一個標準通信通道，標準通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通信通道,主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。 　　實時通道RT是軟實時SRT（Software RT） 方案,它旁路TCP/IP層,同時為優(yōu)化通信功能,PROFINET RT幀根據(jù)IEEE802.1Q/P定義了報文的優(yōu)先級,最多可用7級。PROFINET RT幀中的狀況信息域用來標識設(shè)備和數(shù)據(jù)的狀況（例如：運行，停止，出錯）。其通信協(xié)議及幀結(jié)構(gòu)如圖1。 　　實時通道IRT是硬實時HRT（Hardware RT） 方案，實時性是基于一個建立在快速以太網(wǎng)Layer2上的時間觸發(fā)（time-triggered）協(xié)議，由內(nèi)嵌的Switch-ASIC同步實時交換芯片保證。這樣可以進一步縮短通信棧軟件的處理時間,特別適用于高性能傳輸、過程數(shù)據(jù)的等時同步傳輸、以及快速的時鐘同步運動控制。由于基于硬件實現(xiàn)，IRT幀中通常無需RT幀中的IEEE802.1Q VLAN標識。PROFINET的IRT通信協(xié)議及幀結(jié)構(gòu)如圖2。 　　 　　從圖1，圖2也可以看出，PROFINET 實時數(shù)據(jù)幀（包括RT和IRT 幀）都是在按IEEE802.3所定義的標準化的幀格式基礎(chǔ)上略作改動,讓其L/T字段的值>1500,這是一個保留的EtherTypeⅡ,可以用于唯一地識別PROFINET的實時數(shù)據(jù)幀以區(qū)別于其他采用標準IT協(xié)議的以太網(wǎng)幀，優(yōu)先進行傳輸。PROFINE的以太網(wǎng)類型標識中用0x0800標識IP幀，使用0x8892標識PROFINET實時幀。幀中的應(yīng)用標識符（frame-ID）域標識所接收的數(shù)據(jù)的傳輸，即標識周期傳輸和非周期傳輸（報警和事件）。 　　按照PROFIBUS國際組織提供的數(shù)據(jù)[1]，PROFINET在IRT通信方式下應(yīng)用在同步運動控制場合，其性能比目前的現(xiàn)場總線方案要提升100倍。這種基于硬件的同步實時（IRT）通信解決方案能夠在大量數(shù)據(jù)需要傳遞的情況下保持足夠高的時間確定性;同時，可緩解PROFINET設(shè)備上處理器的通信任務(wù)。因此，本文以下對它進行詳細分析。 3，PROFINET對IEEE 1588的改進 　　PROFINET IRT所采用的時間同步協(xié)議是基于改進的IEEE1588[2]。IEEE 1588 的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最精確時鐘（reference clock）與其它時鐘保持同步，它定義了一種精確時間協(xié)議PTP（Precision Time Protocol），用于對標準以太網(wǎng)或其它采用多播技術(shù)的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的時鐘進行亞微秒級同步。 　　一個IEEE 1588 精密時鐘（ PTP） 系統(tǒng)包括多個節(jié)點, 可以認為每一個都代表一個時鐘,時鐘之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接。IEEE 1588 將整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時鐘分為兩種，普通時鐘OC（Ordinary Clock）和邊界時鐘BC（Boundary Clock），只有一個PTP 通信端口的時鐘是普通時鐘，有一個以上PTP 通信端口的時鐘是邊界時鐘，每個PTP端口提供獨立的PTP通信。其中，邊界時鐘BC通常用在網(wǎng)橋（交換機）和路由器等這些用來劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,用于防止這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生大的延遲抖動。普通時鐘通常用在節(jié)點上。 　　隨著溫度變化和時間推移，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的時鐘頻率將發(fā)生偏差，由此會造成漂移（drifts）。為此，在PTP中需要通過一個閉環(huán)控制（loop）進行補償，以如下PI-loop為例。 　　其中， y[k]是被控量， x[k]是偏差變量， k代表同步循環(huán)。 K[sub]R[/sub]，K[sub]n[/sub] 是控制參數(shù)。T是采樣時間，它等于PTP同步信息（Sync信息）之間的發(fā)送間隔。每個PTP從屬時鐘以及BC的每個從屬時鐘端口都必須含有類似的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的設(shè)計直接關(guān)系到時間同步的精度。如圖3上半部分所示，在BC中的時鐘振蕩器（Oscillator）將會參照PTP Slave，以一定的函數(shù)關(guān)系進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的時鐘將成為下一個網(wǎng)段的PTP Master。以此類推，反復進行，直至目的節(jié)點Time Client。這樣，當在總線式拓撲中有多個網(wǎng)橋鏈式聯(lián)結(jié)時，這種方式實質(zhì)上產(chǎn)生了控制循環(huán)的級聯(lián)（cascade），會導致不穩(wěn)定,從而使得IEEE 1588無法滿足苛刻的同步要求 [3] 。 [align=center] 圖3 IEEE1588邊界時鐘和PROFINET旁路時鐘對比[/align] 　　相對于IEEE1588的“Boundary Clock”， PROFINET進行了修正，修正后稱之為旁路時鐘BpC（Bypass clock）[5]。 　　時間同步的關(guān)鍵問題是網(wǎng)橋等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的時延不定常，從而造成時間抖動。如果能找出計算網(wǎng)橋中時延的方法，那么就可以對它進行補償。如圖3下半部分所示，PROFINET的BpC正是基于這種思想，通過對PTP報文進行必要的操作和處理（Message processing）來對時延進行補償，具體的處理操作可能涉及商業(yè)秘密，尚未見公開報道?；舅枷肴缦拢? 　　1） 假設(shè)一個PTP網(wǎng)橋在端口s收到一個Sync報文，那么接收時間戳T[sub]rx，s[/sub]將會產(chǎn)生, 當BpC的其它端口j開始向下游傳遞該Sync報文時，發(fā)送時間戳T[sub]tx，j[/sub]將會產(chǎn)生。這樣，可以得到所需的時鐘校正值（clock correction）：T[sub]tx,j[/sub] -T[sub]rx,s [/sub]。 　　2） 如圖4所示，使用Ldi代表傳輸距離造成的延遲，bdi代表網(wǎng)橋中的時延，將所得到的本網(wǎng)橋內(nèi)時延bdi和本段傳輸時延Ldi的信息加入到將要轉(zhuǎn)發(fā)的Sync報文中，這樣目的節(jié)點就可以得到報文所盡歷的精確時延。PTP 主時鐘到PTP 從屬時鐘的累積時延為： 　　借助這以一方式，就可以把網(wǎng)橋看成具有定常時延的網(wǎng)絡(luò)組件，從而避開了控制循環(huán)的級聯(lián)。 　 5，結(jié)語 　　PROFINET將極大的改善現(xiàn)有自動化技術(shù)發(fā)展過程中的通信瓶頸，同時實現(xiàn)自動化技術(shù)從以實現(xiàn)控制任務(wù)為主導向?qū)崿F(xiàn)高度集成和優(yōu)化的信息收集、分析和處理任務(wù)為主導的轉(zhuǎn)移，使得實現(xiàn)控制任務(wù)將成為未來自動化平臺的低層次要求。本文希望通過對PROFINET實時通信較詳細的分析，能有助于將來我國自有工業(yè)以太網(wǎng)標準的發(fā)展。 參考文獻 　　[1] PNO. Profibus User Organization. www.profibus.com, 2004. 　　[2] IEEE. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. IEEE, New York, 2002. ANSI/IEEE Std 1588-2002 　　[3] M. Mueller and K.Weber. Impact of Switch Cascading on Time Accuracy. In Workshop on IEEE-1588, Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurements and Control Systems. National Insitute of Standards and Technology （NIST）, September 2003. 　　[4] 張妍 孫鶴 旭林濤. IEEE1588 在實時工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用. 微計算機信息， 2005，21（9-1）:19-21 　　[5] J. Jasperneite, E. Elsayed. Investigations on a Distributed Time-triggered Ethernet Realtime Protocol used by PROFINET. In 3rd International Workshop on Real-Time Networks, Catania, Sicily, Italy , July. 2004 　?。ū疚膭?chuàng)新點：PROFINET是一種新的實時以太網(wǎng)標準，本文介紹了PROFINET兩類不同性能的實時通信的技術(shù)特點，并對等時同步實時通信技術(shù)進行了詳細分析，說明了其對IEEE1588的改進。） 　　作者簡介：彭杰（1976-）,男,江西吉安人，上海理工大學光電學院博士,研究方向為：控制網(wǎng)絡(luò) 　　聯(lián)系方式:上海理工大學244信箱應(yīng)啟戛轉(zhuǎn)彭杰，200093，email：pj1976310@sohu.com 　　李秀元（1966-）,男, 上海理工大學光電學院博士, 副教授，研究方向為：控制網(wǎng)絡(luò) 　　應(yīng)啟戛（1942-）,男，教授，博導，研究領(lǐng)域為：控制網(wǎng)絡(luò)，自動化儀表