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Profinet IRT:单凭实时性无法满足要求时

为什么需要 PROFINET IRT?

PROFINET、EtherCAT 和 Ethernet/IP 等工业通讯协议都属于实时通讯协议。这些协议已经可以实现低至 1 毫秒的周期时间和 10 至 100 微秒的抖动。

然而,在某些情况下,即使是这种性能水平也无法满足要求。事实上传输和处理数据需要时间。在某些应用中,这一时间必须精确同步,以确保正确执行生产步骤。

在运动控制领域尤其如此,对数据通讯速度和性能的要求越来越高,以至于标准实时 PROFINET 的周期时间已无法满足要求,抖动和确定性等其他关键指标也不再符合要求的标准。

例如,机械臂必须在特定时间精确定位,以拾取或加工零件。如果机械臂稍有提前或延迟,这一过程就会受到严重破坏。在这种情况下,数据的传输和处理必须既快速又可靠。

PROFINET IRT 适用于标准实时通讯已达到极限、需要在超高速数据通讯中实现极高精度同步的情形。

The inside of a factory with a conveyor belt and grey boxes. On the right side is the PROFINET logo.
PROFINET IRT 如何工作?

PROFINET IRT 要求网络内特定数据包的传输具有严格的确定性。这意味着数据必须在预定的时间内按照精确的顺序接收、处理和转发,而不受网络冲突或抖动等延迟的影响。

为此,PROFINET IRT 网络为处理时间紧迫的数据分配了特定的时间段。例如,如果 20% 的网络流量用于 IRT 通讯(即 PROFINET IRT),则网络流量将划分为五个时间段:

  • 其中一个段专门用于 IRT 通讯
  • 其余四个段用于常规实时通讯

在这种情况下,网络 80% 的时间都是作为标准 PROFINET 网络运行。在其余 20% 的时间内,仅处理与 PROFINET IRT 相关的数据包,确保同步和确定性传输。在进行 IRT 通讯时,常规 PROFINET 数据包将被缓冲,并在 IRT 时间段结束时进行处理。

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.
要确保该系统有效运行,PROFINET IRT 网络必须满足两个基本要求:
跨所有 IRT 设备同步

所有 PROFINET IRT 设备必须保持一致的同步周期。这由所有设备共享的高精度时钟进行管理。IEEE 1588 标准中定义了此机制和其他机制,包括精确时间协议(PTP)等。PROFINET IRT 通过精确透明时钟协议(PTCP)扩展了这一标准。PTCP 不仅在 PROFINET IRT 设备之间保持共享时钟,而且还计算网络交换机和相关布线之间的延迟。

An icon of acomputer display with a loading icon in the middle.
缓冲功能

网络交换机内还需要额外的电路来缓冲指定 IRT 通讯时间内接收到的任何非 IRT 以太网流量。

采用 Hilscher & netX 的 PROFINET IRT

为满足这种时间关键型数据通信的要求,有必要对 OSI 模型的第 1 层和第 2 层(特别是 MAC 层)进行干预。这是一种必要的做法,这样网络设备才能提供 IRT 时间段,在此期间,以太网通信将转换为 TDMA(时分多址)介质。其余时间,在常规PROFINET通信期间,数据传输作为标准CSMA-CD (载波侦听多路访问-冲突检测)介质工作。

赫优讯是全球少数几家为控件应用提供 PROFINET IRT 的供应商之一。赫优讯的 netX 通讯控件与相应的协议软件一起开发,使这一切成为可能。

Transport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerModified Ethernethardware-based RTEHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET, EtherCAT, ...Specific Real-Timehardware and functions(for example PROFINETIRT, Sercos, EtherCAT,Powerlink or TSN)Ethernet PHYTransport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerLegacy FieldbusStandard Ethernethardware-based RTEIP-Multicast IPEthernet MACEthernet PHYHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET RT, EtherNet/IP(CIP), Modbus, ...UDPTCP

netX 支持 PROFINET IRT

赫优讯利用 netX 技术应对这一挑战。netX 控件在 OSI 第 1 层和第 2 层具有独特的 xC 结构。利用这些可编程微控制器和赫优讯的 PROFINET 协议栈,可以在前两个 OSI 层定义 PROFINET 网络的行为。

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

赫优讯灵活微代码

netX 的一个主要特点是,这种行为并非硬编码,而是可以通过微代码灵活调整。通过赫优讯提供的微代码,用户可以访问第 2 层和第 3 层之间的接口。

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

如果您已经有了 PROFINET 解决方案,第一步就是检查您的硬件是否支持 IRT。大多数情况下并不支持,因为硬件和软件都必须满足特定要求,才能按照 IRT 标准传输数据。这些要求超出了大多数工业应用的需要,通常只有高性能系统(如运动控制或机器人系统)才需要。遗憾的是,许多 PROFINET 设备与 PROFINET IRT 不兼容。在最坏的情况下,PROFINET IRT 网络的处理和开发必须与现有的设备完全分开。

使用 netX 的 PROFINET 和 PROFINET IRT

netX 技术使过渡更加轻松。我们的标准 PROFINET 协议栈已集成必要的 PROFINET IRT 配置,每个 netX 通讯控件都带有所需的 xC 结构。您无需对硬件或软件进行任何更改。您只需对网络进行配置即可。

这同样适用于 EtherCAT 等其他网络技术。借助 netX 的多协议功能,相同的硬件还可支持 EtherCAT。

 

A black square with netX written on it on colorful background. On the right side is a PROFINET logo.

不同的电缆长度会带来额外的抖动,这是无法避免的物理特性,在实施 PROFINET IRT 网络时需要特别注意。

例如,通过 10 厘米电缆发送的数据包比通过 100 米电缆发送的数据包传输时间短。PROFINET IRT 网络中必须考虑到这些不同的电缆长度以及由此产生的数据包传输过程中的抖动,以确保控件能够正确地管理网络上的设备。

赫优讯提供了一个名为拓扑编辑器的便捷工具,方便用户绘制工厂布局图,并计算连接设备的电缆长度。

哪些器件适合 PROFINET IRT?

作为 PROFINET 认证过程的一部分,符合 PROFINET IRT 要求的设备被划分为 Conformance Class C (CC-C)。该类别涵盖周期时间低至 32.5 微秒的时钟通讯。CC-C 是 PROFINET 最先进、要求最高的一致性等级。还有其他一致性类别: CC-A 是基本类,支持 “正常 ”实时通讯、非循环实时传输和标准 TCP-IP 以太网。CC-B 在 CC-A 的基础上增加了对简单网络管理(SNMP)协议的支持。这些类别具有累积性的,即 CC-C 不仅支持 IRT 通讯,还包括 CC-A 和 CC-B 的所有功能。

赫优讯的 netX 技术完全符合 Conformance Class C 标准,因为我们的 PROFINET 协议栈已经包含了所有必要的软件功能。在硬件方面,我们的 netX 通讯控件也是 IRT 应用的标准配置。

PROFINET 符合性等级ABC
实时数据交换,周期时间最长可达 1 毫秒
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警报和诊断功能
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支持网络拓扑
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SNMP 支持 
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实时数据交换,周期时间最短可达 31.25µs  
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相关链接
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