PROFINET@TSN改善工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信

 通信是人與人之間通過某種媒體進行的信息交流與傳遞。網(wǎng)絡(luò)是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成的數(shù)據(jù)鏈路。通信網(wǎng)絡(luò)是指將各個孤立的設(shè)備進行物理連接，實現(xiàn)人與人，人與計算機，計算機與計算機之間進行信息交換的鏈路，從而達到資源共享和通信的目的。

通過部署先進的以太網(wǎng)技術(shù)以及與TSN技術(shù)的無縫集成，可以幫助制造企業(yè)增強工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信能力。將工業(yè)通信接口集成到自動化設(shè)備中，首先要收集信息以確定工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能以及熟悉手頭的任務(wù)。如果不需要每次都重新開始，則新設(shè)備的開發(fā)速度會更快。

根據(jù)所需的功能(一致性等級)，必須為每個案例選擇合適的實施類型?？捎玫拈_發(fā)能力、公司專業(yè)知識、生成接口的預(yù)期成本以及上市時間，也發(fā)揮著重要作用。有各種入門套件和評估方式可用于大多數(shù)實施案例。這些集合可以快速介紹開發(fā)活動，并且通常還包含完整的開發(fā)環(huán)境。示例程序、電路以及框圖特別有用。開發(fā)包還包括相關(guān)供應(yīng)商的可認證PROFINET堆棧和詳細文檔。

IEEE802.3 以太網(wǎng)標準旨在確保PROFINET自動化設(shè)備之間， 以及PROFINET自動化設(shè)備和其它標準以太網(wǎng)設(shè)備之間的無故障通信。對于實施要求比較嚴格的應(yīng)用，PROFINET提供的機制使標準和實時通信能夠并行共存?？梢允褂萌齻€相互構(gòu)建的性能級別來擴展與PROFINET的通信：

工程數(shù)據(jù)和非時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸，通過傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)進行。所有自動化設(shè)備之間都可以進行標準通信。實時(RT)通道可用于傳輸過程數(shù)據(jù)。對于運動控制等同步應(yīng)用，使用等時同步實時(IRT)通信。這使時鐘速率<1ms且抖動<1μs。

等時同步實時功能基于設(shè)備中的硬件支持，這意味著必須使用特定的專用集成電路(ASIC)、微控制器和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。沒有等時同步實時硬件支持的商用交換機專用集成電路僅適用于實現(xiàn)具有實時功能的自動化設(shè)備。可以基于標準以太網(wǎng)組件和PROFINET軟件堆棧開發(fā)具有實時通信功能的設(shè)備。

一致性等級

為了滿足自動化系統(tǒng)的不同要求， 為PROFINET定義了三個相互依賴的一致性等級(Conformance Classes，簡稱CC)。每個類的功能范圍，由典型應(yīng)用領(lǐng)域確定。在為PROFINET設(shè)備接口選擇實施選項之前，設(shè)備制造商必須考慮所需的一致性等級，因為接口實現(xiàn)的類型會影響可以實現(xiàn)的一致性等級。三個一致性等級的關(guān)鍵功能及其優(yōu)點如下所述：

CC-A：使用現(xiàn)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，包括基本PROFINET功能的集成?？梢圆皇芟拗频厥褂盟行畔⒓夹g(shù)服務(wù)。典型應(yīng)用案例可以在樓宇自動化和過程自動化應(yīng)用中找到。

CC-B：該等級的功能范圍包括CC-A的功能，并且設(shè)備更換簡單易行，無需特殊的工程工具。簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)支持網(wǎng)絡(luò)功能的擴展設(shè)備診斷，例如端口狀態(tài)消息。為了提高數(shù)據(jù)可靠性，可以選擇性能適應(yīng)的介質(zhì)冗余協(xié)議?？梢圆皇芟拗频厥褂盟蠭T 服務(wù)。典型應(yīng)用可以在具有更高級機器控制的自動化系統(tǒng)中找到，其具有確定性但非同步的數(shù)據(jù)循環(huán)。絕大多數(shù)PROFINET設(shè)備都屬于這一類。

CC-C：該等級的功能范圍包括CC-B的所有功能，還支持高精度和確定性數(shù)據(jù)傳輸，包括等時應(yīng)用。如果發(fā)生故障，集成的可選介質(zhì)冗余可以平滑切換I/O 數(shù)據(jù)流量?？梢圆皇芟拗频厥褂盟蠭T 服務(wù)。典型應(yīng)用是運動控制領(lǐng)域。

一旦設(shè)備制造商決定了在產(chǎn)品上需要實現(xiàn)哪些PROFINET功能，下一個問題就是如何實現(xiàn)這些功能。有三種選擇：

將專用集成電路布置在印刷電路板上以處理PROFINET通信;;將模塊插入設(shè)備PCB 上的插槽中。與專用集成電路不同，模塊可以通過物理電纜連接器、磁性元件、物理層(用于OSI 模型的物理層電路)、集成的以太網(wǎng)交換機以及處理PROFINET堆棧的芯片來滿足網(wǎng)絡(luò)需求。有一系列背板連接可用——從雙端口存儲器到SPI 到緊湊型閃存卡接口; 購買軟件堆棧并在應(yīng)用程序處理器上實現(xiàn)。軟件堆棧是最常見的PROFINET實現(xiàn)方式之一，這是批量實現(xiàn)協(xié)議的最具成本效益的方式，同時這也是實施PROFINET 最復(fù)雜的一種方式。堆棧涉及許多外圍軟件，如操作系統(tǒng)、IP堆棧、非易失性RAM 等。

TSN和PROFINET

TSN 服務(wù)無縫集成到PROFINET架構(gòu)中。它們位于ISO/OSI模型的第2 層，維護現(xiàn)有的上層PROFINET 功能。圖片來源：PI 組織

時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)是一種很有前途的技術(shù)，為PROFINET提供了很多潛力。TSN旨在將廣泛的IT網(wǎng)絡(luò)與自動化網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性和確定性相結(jié)合。簡而言之：通過標準IT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)硬實時。這并不意味著是對PROFINET的革命。相反，它代表了PROFINET正在構(gòu)建的一個更有遠見的架構(gòu)。

TSN為PROFINET提供ISO/OSI模型中的新第2層。它對應(yīng)當今的實時和等時同步實時技術(shù)。這表明TSN在未來幾年內(nèi)不會取代實時或等時同步實時。這是一個附加選項，具有許多潛在的好處?，F(xiàn)在提供實時和等時同步實時解決方案的制造商，未來仍然可以繼續(xù)提供它們。使用實時或等時同步實時來運營系統(tǒng)的用戶，可以確信他們使用的技術(shù)具有可持續(xù)性。

TSN提供了使用標準芯片組實現(xiàn)這一目標的可能性，因為TSN基于開放標準，并得到許多半導(dǎo)體供應(yīng)商的支持。關(guān)于PROFINET的所有其它內(nèi)容均保持不變，尤其是診斷、配置、報警等服務(wù)。這使用戶和設(shè)備制造商在將來可以輕松使用TSN。他們可以在現(xiàn)有知識的基礎(chǔ)上繼續(xù)使用他們開發(fā)的應(yīng)用程序。

硬件和軟件設(shè)計所需的行動計劃和支出，在很大程度上取決于所選擇的實施方法。此時，設(shè)備制造商可以獨立地進行開發(fā)工作，也可以與開發(fā)或技術(shù)合作伙伴協(xié)同工作。獨立開發(fā)需要良好的PROFINET專業(yè)知識，擁有自己的硬件和軟件開發(fā)資源。為了減輕自動化設(shè)備制造商在開發(fā)資源方面的壓力，PI組織為其成員公司提供完整的開發(fā)包、可以隨時安裝的PROFINET通信模塊以及一系列開發(fā)服務(wù)。這一切都為設(shè)備制造商提供了從設(shè)計階段到硬件和軟件開發(fā)再到認證所需的支持。