技术

PROFINET 基于主站/从站通信理念。主站（IO 控制器）可在网络中的所有设备之间发送和接收数据帧。从站（IO 设备）可将帧发送到 IO 控制器，但向其他 IO 设备发送数据只可采用非循环方式。PROFINET 的系统模型非常类似于 PROFIBUS 现场总线系统。

过程数据作为实时数据在控制器和从站之间循环交换。它提供了一种实时接口，用于在 Ethertype 为 0x8892 的第 2 层上直接发生循环 I/O 数据交换。实时数据不会使用标准 TCP/IP 协议栈进行传输，这降低了控制器与从站之间的循环数据传输延迟。为了在网络组件中进行优化处理，会对循环数据采用高优先级的 VLAN 标记。

PROFINET 标准中定义了以下设备类别：

• IO 控制器：此器件通常为运行工业自动化程序的可编程逻辑控制器 (PLC)。此器件相当于 PROFIBUS 中的 1 类主站。IO 控制器为已配置的 IO 设备提供输出数据，并接收 IO 设备的输入数据。
• IO 设备：IO 设备是一种通过 PROFINET 连接到一个或多个 IO 控制器的分布式 I/O 现场设备。此设备相当于 PROFIBUS 中从站的功能。
• IO 监控器：此设备可以是用于调试或诊断用途的编程设备、个人计算机 (PC) 或人机界面 (HMI) 设备，对应于 PROFIBUS 中的 2 级主站。

图 1 基本 PROFINET 网络示例。

工业应用中部署的系统至少有一个 IO 控制器和一个或多个 IO 设备。IO 监控器通常只是临时集成，用作试运转或诊断目的。图 1 所示为所定义设备之间的各种通信路径。

设备型号

图 2 PROFINET 的通信路径

PROFINET 的设备型号由其技术和功能特性决定（设备接入点 (DAP) 和为特定设备系列定义的模块描述了这些特性）。DAP 是与以太网接口及处理程序进行通信的接入点。为了管理实际的过程数据通信，可为 DAP 分配各种 I/O 模块。

以下标准结构适用于每个 IO 设备：

• 插槽是 I/O 模块在模块化 IO 设备中的插入位置。配置的模块可包含一个或多个子插槽，这些子插槽用于数据交换，并根据不同的插槽进行寻址。
• 子插槽实现与过程之间的实际接口。子插槽的粒度（I/O 数据按位、按字节或按字分割）由制造商确定。子插槽的数据内容始终附带状态信息，因此可确定数据的有效性。
• 索引指定了插槽/子插槽内可通过读取/写入服务进行非循环读写的数据。例如，可基于索引将参数写入模块或读出特定于制造商的模块数据。

PROFINET 对紧凑型现场设备（在这种设备中，扩展性已由制造商指定，无法由用户更改）和模块化现场设备（在这种设备中，可在配置系统时根据特定应用来自定义扩展性）进行区分。

循环 I/O 数据的寻址方法是指定插槽/子插槽组合，这通常由制造商定义。对于通过读取/写入服务进行的非循环数据通信，应用能够指定要使用插槽、子插槽和索引进行寻址的数据。

为避免在用户配置文件的定义中出现竞争性访问（例如，PROFIdrive 中的称重和计量等），应用编程接口 (API) 定义为另一个寻址级别。

设备描述

每个现场设备均附带通用站点描述 (GSD) 文件，因此可针对系统工程来配置设备。这种基于 XML 的 GSD对属性和功能进行了描述，还包含工程相关的所有数据以及与现场设备进行数据交换相关的所有数据。现场设备制造商必须根据 GSDML 规范提供基于 XML 的 GSD。

通信

IO 控制器与 IO 设备之间必须建立的通信路径是由 IO 控制器在系统设置期间根据工程系统中的配置数据进行设置的。这就是对数据交换的显式指定。

每个数据交换均嵌入应用关系 (AR) 中。在 AR 中，通信关系 (CR) 以显式方式指定数据。用于设备建模的所有数据（包括一般通信参数）均被下载到 IO 设备。一个 IO 设备可拥有从不同 IO 控制器建立的多个 AR。循环数据交换的通信通道 (IOCR)、非循环数据交换的通信通道（记录数据 CR）和警报的通信通道（警报 CR）同时设定。

可使用多个 IO 控制器，并且有必要让多个 IO 控制器访问 IO 设备中的相同数据，这种数据共享方式必须在配置 IO 设备时进行指定。

一个 IO 控制器可建立一个 AR，而每个 AR 有多个 IO 设备。在 AR 中，可使用多个 IOCR 和 API 进行数据交换。这种做法非常有用，例如，如果在通信时涉及到多个用户配置文件（PROFI-drive、Encoder 等）并且需要不同的子插槽，就可采取这种做法。指定的 API 将用于区分 IOCR 内的数据通信。

寻址

在 PROFINET 中，为每个现场设备分配的唯一名称会在分配 IP 地址时用到。每个 IO 设备中集成了用于分配 IP 地址的动态配置协议 (DCP)。

IP 地址的分配是通过 基于设备名称的 DCP 协议进行的。动态主机配置协议 (DHCP) 在国际上广泛使用，因此 PROFINET 提供了通过 DHCP 进行的地址设置（可选）或特定于制造商的机制。各现场设备的 GSD 文件中定义了该现场设备支持的寻址选项。

或者，也可通过指定的拓扑基于相邻检测的机制来自动为 IO 设备指定名称。为直接进行数据交换，PROFINET IO 设备的寻址依据为 MAC 地址。

一致性类别

PROFINET IO 分为三种一致性类别，一个类别建立在另一个类别之上，而这些类别均面向典型应用。

一致性类别 A (CC-A) 可通过标准以太网硬件来实现，且支持循环实时通信（RT 帧）和非循环 TCP/IP 通信的基本功能。为了在网络组件中进行优化处理，RT 帧中会根据 IEEE 802.1Q 采用高优先级的 VLAN 标记。这些帧将被指定高于非实时 TCP/IP 帧的优先级，并基于 MAC 地址传输。设备之间没有同步，并且 RT 帧的传输周期由系统设计人员定义。

一致性类别 B (CC-B) 包括一致性类别 A 的所有功能，并通过增加网络诊断和拓扑检测使其功能得到扩展。简单网络协议 (SNMP) 便用于这种目的，且它的实现必须符合 CC-B。名为 CC-B(PA) 的扩展版 CC-B 中包括介质冗余协议 (MRP)。

一致性类别 C (CC-C) 包括一致性类别 B 的所有功能，并增加了在 IO 设备之间同步的重要特性。会为高精度和确定性数据传输保留带宽。这是等时应用的基础。TI 的 Sitara 处理器上集成的 PROFINET 解决方案实现了一致性类别 C (CC-C)。PROFINET 节点的组成部分

PROFINET 节点的组成部分

每个 PROFINET 节点包括与 OSI 模型一致的三层：物理层、数据链路层和应用层，如图 3 所示。

图 3 PROFINET 节点的组成部分。

物理层即是通过网络传输位流的介质。PROFINET 与以太网完全兼容，因此可使用任何支持以太网的铜双绞线或支持 100 Mbit/s 数据传输率的光纤来实现物理层。既可使用 ASIC 也可使用 FPGA 来实现 MAC 层。针对工业应用的唯一限制在于，它必须支持标准 TCP/IP 和 UDP/IP 协议栈以及基于以太网的设备配置文件。在 PROFINET 节点内部，应用可运行于硬件上，也可运行于在嵌入式 CPU 中运行的硬件与软件组合上。

典型 PROFINET 节点

PROFINET 节点的当前实现通常采用图 4 和图 5 中所示的两种架构之一。

图 4 采用 ASIC 和外部处理器的 PROFINET 交换机

许多 PROFINET 设备都是使用图 5 所示的双芯片架构创建的，其中在 FPGA 或 ASIC 上实现了一个 PROFINET 交换机，且添加了一个外部处理器（通常配备片上闪存），从而提升进行应用级处理所需的处理能力。传感器应用就是这种节点的典型示例。处理器操作传感器、实现设备驱动程序并运行 PROFINET 协议栈。这种架构允许设计人员选择适合自己需求和成本目标的处理器，但采用这种架构的 PROFINET 设备更昂贵，因为它需要两个独立芯片，并且主机处理器和 ASIC 之间的接口会成为性能瓶颈。

图 5 与采用处理器的集成式 PROFINET 交换机

PROFINET 设备还有一种实现方法，就是将 PROFINET 交换机作为带有集成 CPU 的设备的外设之一，如图 5 所示。许多 FPGA 器件都可以在 FPGA 中配置处理器，或者已经拥有集成式处理器。有些供应商提供的 ASIC 在器件同时具备 PROFINET 和适当的处理器。FPGA 很灵活，但根据选择的 CPU，会导致难以满足成本或工作频率目标的风险。