第9章工业以太网和PROFINET

工业机器人最常见的工业网络通讯总线ProfiNet！由于最近项目过程中，采用的是工业以太网通讯总线，所以在这把自己准备的资料给大家研讨以下。

ProfiNet （工业以太网）•工业以太网是基于 TCP/IP 的工业通讯系统•可按名称分配地址•实现开放式和分配式的自动化•凭借现场总线和以太网实现全面通讯•可实现现场层面直至主控层面的通讯•可实现实时通讯ProfiNet IO 的基础数据交换按主从原理（设备控制器）来进行。

工业以太网输入/ 输出端使用下列类型器材：•管理器：可为编程器或工业用电脑。

•管理器与控制器均可访问所有工艺数据和参数数据。

•控制器：属于设备所有组件的上级控制装置。

（例如：KR C4）•从属装置：属于接受控制器操作和监控的现场设备（例如：输入 / 输出板卡）。

一个从属装置由多个模块和子模块组成。

一个从属装置允许拥有多个控制器（主机）。

ProfiNet IO 变型ProfiNet IO （工业以太网输入 / 输出端）•工业以太网输入 / 输出端使得分散现场装置（输入 / 输出装置，例如：信号处理板卡）可直接接入工业以太网。

•利用实时通讯功能传输业务数据•利用 TCP/IP 进行配置和诊断•输入 / 输出端管理器可服务于 HMI 和诊断功能ProfiNet IO 通讯模式输入 / 输出控制器与输入 / 输出装置之间借助下列信道传输数据。

•通过实时信道传输循环业务数据和警报•通过标准信道的 TCP/IP 及 / 或 UDP/IP 执行参数设置、配置或诊断其他主要数据：•每种工业以太网协议可最多传输 1440 字节的业务数据。

•借助 KR C4 里现有的 ProfiNet-Stack 可操控多达 256 个从属装置。

ProfiNet 实时•实时应用程序通常并非同步运行•应用程序、数据传输和现场装置具有不同的处理周期•周期时间和图像跳动均很不精确。

ProfiNet 实时同步•节拍同步式数据传输•应用程序、数据传输和仪器工作周期保持同步•周期时间 <1ms，图像跳动精度>1ms，图像跳动精度><>•为此需使用特殊型板卡•典型的应用领域是运动控制。

第九章工业以太网和PROFINET由于现场总线的国际标准IEC61158不是一个十分成功的标准，所以自从该标准发布后，围绕它的争议就没有间断过。

在IEC61158中，给出的是多个现场总线技术并存的结果。

这些不同的现场总线技术造成了选择和使用工业控制网络的种种不便。

随着工业自动化系统正在向分布化、智能化的实时控制方向发展，通信作为其中的关键技术，使得用户对统一开放的通信协议和高实时性和稳定性的网络要求日益迫切。

同时，随着经济的发展和办公自动化网络的进步，企业的综合自动化、管控一体化已成为企业生存和发展的必由之路，要求企业从现场控制层到管理层能够实现全面的无缝信息集成。

对于传统的现场总线技术，由于缺少统一的国际标准，无法满足上述要求，这就促使人们开始寻求新的出路并开始关注到以太网。

在网络技术广泛应用的今天，大家都知道基于TCP/IP的因特网基本上变成了计算机网络的代名词，而以太网又是应用最为广泛的局域网，TCP/IP协议和以太网相结合成为当前最为流行的网络解决方案。

如果把这些成熟、廉价和易用的通用产品和技术应用于工业控制网络技术中，即在工业网络中使用以太网和TCP/IP，一方面将会使目前单体总线设备价格偏高、组态较繁琐的现场总线技术发生根本的改变；另外也可能会找到一个统一的总线标准，使现场总线技术标准纷争的问题得到解决。

因此，近些年来，以太网的应用正逐渐从商业领域向工业领域扩散，形成了新型的工业以太网技术。

9.1 以太网和IEEE 802.39.1.1 以太网的产生以太网起源于20世纪60年代后期美国夏威夷大学的ALOHA网络。

当时研究人员将夏威夷群岛的几所大学校园网站用无线电相连，通过一种争用技术，演示了网络上的多个节点可以使用同一个信道进行通信，它们可以在有数据要发送的任何时候发送数据。

该方法没有提供一个节点检测是否有另外一个节点正在发送数据的机制，也没有对有可能发生的冲突进行处理的过程，所以当两个或多个节点同时试图发送数据时就会发生冲突。

第一章802.3profinet和以太网区别802.3 通常指以太网。

一种网络协议。

描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法，在多种物理媒体上以多种速率采用CSMA/CD访问方式，对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。

DIX Ethernet V2 标准与IEEE 的802.3 标准只有很小的差别，因此可以将802.3 局域网简称为“以太网”。

严格说来，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2 标准的局域网。

早期的IEEE 802.3描述的物理媒体类型包括：10Base2、10Base5、10BaseF、10BaseT和10Broad36等；快速以太网的物理媒体类型包括：100 BaseT、100BaseT4和100BaseX等。

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层媒体接入控制MAC (Medium Access Control)子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC 子层来说都是透明的。

由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2 而不是802.3 标准中的几种局域网，因此现在802 委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2 标准）的作用已经不大了。

很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC 协议而没有LLC 协议。

MAC子层的数据封装所包括的主要内容有：数据封装分为发送数据封装和接收数据封装两部分，包括成帧、编制和差错检测等功能。

数据封装的过程：当LLC子层请求发送数据帧时，发送数据封装部分开始按MAC子层的帧格式组帧：（1）将一个前导码P和一个帧起始定界符SFD附加到帧头部分；（2）填上目的地址、源地址、计算出LLC数据帧的字节数并填入长度字段LEN；（3）必要时将填充字符PAD附加到LLC数据帧后；（4）求出CRC校验码附加到帧校验码序列FCS中；（5）将完成封装后的MAC帧递交MIAC子层的发送介质访问管理部分以供发送；接收数据解封部分主要用于校验帧的目的地址字段，以确定本站是否应该接受该帧，如地址符合，则将其送到LLC子层，并进行差错校验。

PROFINET通信等级本文包括如下几个主题：工业以太网和PROFINET技术；PROFINET通信等级；PROFINET实现不同通信等级的方法。

1、工业以太网和PROFINET技术工业以太网是用于工业自动化环境中、符合IEEE 802.3标准的以太网。

工业以太网采用IEEE 802.1D(媒体访问控制网桥)规范和IEEE 802.1Q(局域网虚拟网桥)规范，通过使用全双工通信技术、优先响应技术、流量控制技术及虚拟局域网技术，可以将其实时响应时间做到5-10ms左右。

工业以太网和商业以太网是兼容的。

PROFINET技术是国际组织PI推出的一种总线技术，它基于工业以太网技术、TCP/IP技术和IT技术，是一种实时以太网技术。

2000年年底，PROFINET作为第10种现场总线列入了IEC61158标准中。

PROFINET技术包括PROFINET IO和PROFINET CBA两部分，它们基于不同的通信模型。

① PROFINET IOPROFINET IO用来完成工业自动化中分布式系统的控制，主要包括如下三种角色：IO控制器、IO设备和IO监视器；◆IO控制器(IO Controller)PROFINET IO系统的主站，执行各种控制任务，包括：执行用户程序、与IO设备进行数据交换、处理各种通信请求等；◆IO设备(IO Device)PROFINET IO系统的从站，由分布于现场的、用于获取信号的模块、传感器及执行器组成；◆IO监视器(IO Supervisor)IO监视器用来组态、编程，并将相关的数据下载到IO控制器中，还可以对系统进行诊断和监控。

最常见的IO监视器是用户的编程电脑。

② PROFINET CBAPROFINET CBA(Component-Based Automation)是基于组件的自动化，它适用于设备/系统之间的通信。

如果说PROFINET IO是控制器与现场设备的IO数据交换，那么PROFINET CBA则提供了多个IO系统之间的标准接口，可以组成更大的系统。

profinet和以太网区别PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS InternaTIonal，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

profinet和工业以太网区别是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

PROFINET 技术定义了三种类型：PROFINET 1.0 基于组件的系统主要用于控制器与控制器通讯PROFINET-SRT 软实时系统用于控制器与I/O 设备通讯PROFINET-IRT 硬实时系统用于运动控制工业以太网是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的强大的区域和单元网络。

工业以太网，提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet）提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。

继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M 波特率快速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的标准）也已成功运行多年。

技术解读PROFINET、EthernetIP等7种主流工业以太网写在面前（文中部分链接仅在扩展链接有效）大家好，我是小智，智能制造之家号主~前面我们汇总了各种各样的接口、总线与工业以太网等：最全整理工业通讯上的领域各种总线+协议+规范+接口—数据采集与控制也整理了工业以太网的基础知识：必备的工业以太网的基础知识今天我们来聊一聊各种主流的工业以太网~PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE.....今天算是总体汇总介绍，填上次在文章：工业通讯网络层级全解读，解析工业网络的自动化金字塔当中提到的会技术分析PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT等各大工业以太网的坑，后续继续逐步推出细化的推出相关文章~今天的内容：01 通讯中的自动化金字塔02 技术分析主流工业以太网03 网络化与软件化的自动化04 未来的工业通信01 通讯中的自动化金字塔说到自动化金字塔，我想每一个智造领域的技术人员应该都很清楚，从传感器/执行器通讯，到现场总线，再到实时以太网，以及办公网络，不同的层级与环境可以采用不同的通讯方式，今天的主要内容就是图中红色部分，实时以太网~自动化部件之间的高效通讯一直是生产系统必不可少的的前提之一，典型的自动化部件有以下几类：PLC控制器，HMI面板、驱动、远程IO、传感器与执行器等，正是由于通讯系统连接了各种各样的自动化部件，使他们构成一个有机的整体~在通讯的自动化金字塔中，不论是从事PLM、还是MES/MOM、SCADA、PLC、驱动等，通讯都会伴随着你，在IT、OT融合的时代，CT（通讯技术）起到了至关重要的作用，被炒得火热的万物互联，通讯始终是基石~02 技术分析主流工业以太网下面我们还是回到今天的主要话题：工业以太网我想下面的各个组织与工业以太网大家应该都很熟悉，我就不再赘述我们所说的工业以太网是基于以太网，那到底二者之间有什么样的关系呢？如果看到了这里，你不知道7层协议，不知道以太网在哪些层，不知道TCP、UDP等等，那建议你可以先补一补基础知识：网络的OSI七层模型和TCP/IP五层模型 | 网络基础（三）或者不用接着往下看了~比如我现在问你，PROFINET的TCP/IP标准通信、PROFINET RT和PROFINET IRT有什么区别？你或许可以从今天的文章中获得答案。

Profinet和以太网的区别PROFINET是一个开放式的工业以太网通讯协定，主要由西门子公司和PROFIBUS & PROFINET国际协会所提出。

其基础是应用TCP/IP及资讯科技的相关标准，是一种实时的工业以太网。

PROFINET=PROFIbus+etherNET，是把Profibus的主从结构移植到以太网上，所以profinet会有与PROFIbus的Master和Slave对应的Controller和Device。

另外由于profinet是基于以太网的，所以可以有以太网的星型、树形、总线型等拓扑结构。

所以profinet就是把profibus的主从结构和ethernet的拓扑结构相结合的产物。

PROFIBUS是一个用在自动化技术的现场总线标准，是一种具有广泛应用的、开放的数字通信系统，适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务，特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。

在1987年由德国西门子公司等十四家公司及五个研究机构所推动，是工业控制领域中的主流现场总线标准，被纳入国际标准IEC 61158和IEC 61784中。

主要应用于工业通信、加工制造、过程控制、工厂自动化、交通电力等领域。

市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40％，截止2008年底，超过2 800万个设备节点被安装。

在2006年，PROFIBUS成为中国第一个工业通信领域现场总线技术国家标准：GB/T 20540-2006。

以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。

以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。

以太网与IEEE802.3系列标准相类似。

包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网。

profinet——完整的网络解决方案篇一：工业以太网通信标准PROFInet及其应用工业以太网通信标准PROFInet及其应用发布日期：2011-09-27浏览次数：2110分享到：【摘要】：随着信息技术技术的飞速发展,当今自动化技术的发展正日益受到信息技术原理及其标准的重大影响。

在自动化领域中集成信息技术可以为企业内部自动化系统间的全局通信提供解决方案,基于工业以太网通信标准的PROFInet通信技术使这种集成成为可能。

PROFInet是Process Field Net的缩写,它是Profibus客户、生产商与系统集成联盟协会推出的在PROFIBUS与以太网间全开放的通信协议。

1 引言随着信息技术技术的飞速发展,当今自动化技术的发展正日益受到信息技术原理及其标准的重大影响。

在自动化领域中集成信息技术可以为企业内部自动化系统间的全局通信提供解决方案,基于工业以太网通信标准的PROFInet通信技术使这种集成成为可能。

PROFInet是Process Field Net 的缩写,它是Profibus客户、生产商与系统集成联盟协会推出的在PROFIBUS与以太网间全开放的通信协议。

PROFInet是一种基于实时工业以太网的自动化解决方案,包括一整套完整高性能并可升级的解决方案,可以为PROFIBUS及其他各种现场总线网络提供以太网移植服务;PROFInet标准的开放性保证了其长远的兼容性与扩展性,从而可以保护用户的投资与利益。

PROFInet可以使工程与组态、试运行、操作和维护更为便捷,并且能够与PROFIBUS以及其它现场总线网络实现无缝集成与连接。

工程实践证明,在组建企业工控网络时采用PROFInet通讯技术可以节省近15%的硬件投资。

2 PROFInet通讯标准PROFInet可以提供办公室和自动化领域开放的、一致的连接。

PROFInet方案覆盖了分散自动化系统的所有运行阶段,它主要包含以下方面:（1）高度分散自动化系统的开放对象模型（结构模型）;（2）基于Ethernet的开放的、面向对象的运行期通信方案（功能单元间的通信关系）;（3）独立于制造商的工程设计方案（应用开发）。

profinet和以太网区别有哪些1、PROFINET：实时以太网。

基于工业以太网，具有很好的实时性，可以直接连接现场设备，使用组件化的设计，PROFINET支持分布的自动化控制方式。

PROFINET技术定义了三种类型:PROFINET1.0基于组件的系统主要用于控制器与控制器通讯；PROFINET-SRT软实时系统用于控制器与I/O设备通讯；PROFINET-IRT硬实时系统用于运动控制。

PROFINET也是一种新的以太网通讯系统，是由协会开发。

PROFINET具有多制造商产品之间的通讯能力，自动化和工程模式，并针对分布式智能自动化系统进行了优化。

其应用结果能够大大节省配置和调试费用。

PROFINET系统集成了基于系统，提供了对现有系统投资的保护。

它也可以集成其它现场总线系统。

2、以太网：基本特征是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其它工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。

以太网有四类：一是标准以太网：开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。

以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，并且在IEEE802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度(基准单位是100m)，Base表示“基带”的意思，Broad代表“宽带”。

工业以太网PROFINET革新制丝线的电控系统卷烟企业的生产流程，主要是：制丝、卷接、包装。

而制丝线（Prime line）是确保保证卷烟质量稳定的生产线，同时制丝线也是的工艺流程最长、工序最繁杂、设备种类最多的生产线。

制丝线的自动控制方式，是按叶线、梗线、配比、加香加料等工艺段划分，先自立通过挂接现场（Fieldbus）的方式完成工艺段的控制，然后再通过以太网（Ethernet）将各工艺段相联，终于完成相应的数控采集、监控。

这种控制模式在当前的卷烟行业内得到了最广泛的应用。

2、当前制丝线电控系统简介及问题分析2.1 卷烟厂制丝线电控系统制丝线电控系统是卷烟厂制丝生产线的控制核心。

系统暗示图1。

原电控系统的各个工艺段由PLC、、现场I/O站组成控制系统，现场总线将各部件联接；现场层与监控管理层通过以太网交换机举行联接。

在生产现场，各工艺段的PLC负责本工艺段的控制，按照生产工艺要求，发送相应控制命令；现场总线传送命令到达现场I/O站，完成对现场执行器件的控制，同时采集现场的信号，回传至PLC。

触摸屏显示相关的生产参数，供现场人员了解生产线情况，接收现场人员的生产操作指令。

监控管理层，交换机通过以太网将现场层与监控管理层联接。

服务器采集现场的生产信息，生成相应报表；监控计算机实时监控现场生产情况，并可发布生产调度方案。

2.2 现有系统存在的问题在原电控系统中，各工艺段相对自立，工序固定单一，适合固定产品的大批量生产。

但当前卷烟市场竞争激烈，新产品的开发投产要求工艺技术不断改进，此时这类电控系统的刚性就裸露无遗。

工艺段举行调节时，囫囵工艺段的电控系统要重新设计；制丝线的整线调节就等同于新建一条生产线。

此外，现场触摸屏的人机界面功能单薄，而且第1页共4页。

物流系统中PROFINET工业以太网的作用以多家著名自动化会员公司（例如西门子、菲尼克斯）为代表的PI国际组织推出了基于实时工业以太网的PROFINET协议标准。

各个厂商以此协议标准推出了各种自动化产品和解决方案，为当前的自动化用户提供了一个简单可靠、完全透明的工业以太网平台的解决方案。

同时由于PROFINET能够全面的支持IT 技术，更好的融入企业生产管理系统，使得信息流、控制流一网到底成为可能。

PROFINET的最主要特点如下[2]：1）数据通讯实时、稳定。

以太网主要使用在对数据通讯实时性要求不高的办公系统中，由于基于CSDA/CD的通讯技术使得在网络负载很高的情况下，系统无法确定数据传递的时间。

PROFINET针对自动化实时性的需求，规定了3种不同的通讯方式，确保数据通讯实时、稳定和安全，满足现场设备的不同实时通信要求。

2）多元化的网络拓扑架构。

利用工业网络交换机很容易组成星型、树型、环形等适合现场设备布局的系统架构。

同时基于在WLAN和Bluetooth等无线技术的PROFINET给用户带来全方位的组网优势，更好地适应系统现场的要求。

3）全面兼容标准的TCP/IP。

PROFINET全面兼容TCP/IP标准，很容易实现各种的信息技术，并借助现有成熟的IT软件和方案，给自动化系统提供更好、更快的方案。

为了满足自动化系统的实时性要求，PROFINET 协议提供了3种不同等级的通信方式，主要特点如下。

标准TCP/IP通讯PROFINET协议仍然保留了TCP/IP和IT协议标准，因此同样具有SMTP，FTP和HTTP等标准的应用层协议，全面兼容IT的通讯技术。

虽然该通讯方式的响应时间大概在100ms的量级，但是完全能够满足工厂级信息流控制的应用要求。

实时通讯（RT）在分布式控制系统中，主控制器与远程IO从站之间数据交换的响应时间要求十分苛刻，典型的时间为10ms量级，原有的IT通讯方式无法满足这么高的实时性要求。