Profinet由Profibus国际组织（Profibus International，PI）推出的新一代基于快速以太网技术的、开放的自动化总线标准。已集成全双工切换技术，并已进行了标准化。涵盖实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等技术，可实现管理层与现场总线系统的无缝集成与通信的连续性，为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案。
ProfiNet以交换机为网络架构的核心。所以从狭义上说，ProfiNet就是工业以太网中的一个协议。而从广义来说，当网络设备通信使用ProfiNet协议时，这个网络就可以称作ProfiNet网络。
1.ProfiNet组成
图5-58所示为ProfiNet IO系统组成。
从图知，其组成站点有：IO控制器（Profibus对应称之为主站）、编程设备/PC、ProfiNte/工业以太网、HMI（人机界面）及IO设备（Profibus对应称之为从站）等。
图5-58 ProfiNet IO系统组成
1—IO控制器 2—PG（编程设备）/PC（计算机） 3—HMI（人机界面） 4、5—IO设备
（1）IO控制器
一般为PLC，可运行程序，实施对IO的管理与控制。
（2）IO设备
为分散的现场设备，可分配给某个IO控制器管理，接受其控制。其组件一般由接口及IO模块组成。IO模块有具体通道，IO数据可在这些通道中读入和读出。接口模块从IO控制器接收数据，并通过总线将数据传给其他的模块；接口模块也从其他的模块接收实时和诊断数据，并把这些数据传给IO控制器。每个IO设备都有一个唯一的设备识别号，该识别号在ProfiNetIO框架内分配。识别号有32位：16位生产商识别号，16位设备识别号。生产商识别号由Profibus用户组织（PNO）分配。
如同在Rrofibus，它的设备也有描述文件，以便于把ProfiNet设备集成到一个IO控制器的组态工具中。IO设备的属性以GSD（General Station Description）文件的形式描述，该文件包括下面必需的信息：IO设备属性（如通信参数）；可嵌入的模块（类型数）；独立模块的组态数据；模块参数；记录诊断错误的文本（如断线、短路。与Profibus的GSD不同的是，它用的语言不是ASCII语言，而是XM（扩展的标记语言）语言。
（3）监视器
具有投运和诊断功能的编程装置/PC。
（4）HMI
人机界面，用以监控系统工作。
此外，还有有源网络组件（例如交换机、路由器）及到Rrofibus等的代理器（网关），以便把这些网络也集成到ProfiNet通信中。
图5-59所示为较复杂的ProfiNet网络组成。该图注明有各个站点的名称。
从图知，它上通过防火墙与广域网相连，下通过种种交换机与现场设备相连。根据安全及实时的要求，具有不同的级别。如图所示，有：办公级别，用于企业的办公管理层；MES（制造执行系统）级别，用于制造管理层；产品，即部件级别，用于现场层。而其中的保护区，则为了确保网络安全而用。
2.ProfiNet协议模型
ProfiNet协议实际上是一个由多种协议组成的协议集合，包括DCP、TCP/IP、UDP/IP、PN IO、PN CBA、PN IRT等等。ProfiNetRT在ISO/OSI的7层堆栈结构中做出重大变化，去除TCP/IP，只保留第7层应用层的数据。这样，数据在打包和解包过程中，可直接进行应用层和物理层之间交换。其目的就是尽量减少数据在通信堆栈中打包和解包时间，保证数据在最短时间内完成数据交换。
目前，Rrofibus已经成为中国第一个工业通信领域现场总线技术国家标准。ProfiNet成为国家指导性文件。
图5-59 较复杂的Profinet网络组成
图5-60 存储转发
3.ProfiNet总线访问方法
ProfiNet总线访问使用交换以太网，由点对点连接组成。其中每个设备直接与一个（且只有一个）其他设备相连。所使用交换机可同时进行双向通信（发送和接收）。这样，可以使网络容量达到200Mbit/s，或者达到快速以太网带宽（100Mbit/s）的两倍。由于使用为ProfiNet规定的交换技术，因此在ProfiNet上进行数据传输不会发生冲突。
在ProfiNet中，SIMATIC（西门子）的交换机通过以下两个机制满足实时属性：存储转发和切入。
（1）存储转发
在此过程，交换机会存储报文，并将它们排成一个队列，如图5-60所示。然后，报文将选择性地转发到可以访问已编址节点的特定端口。这里的存储只是临时的，而且也仅当目标端口与下一个交换机的端口之间的区段已被占用时才会出现。
图5-61 可缩放的通信
（2）切入
在切入过程中，并不是将整个数据包临时存储在缓冲区中，而是在读取前6个字节（目标地址）后，马上直接将其传送到目标端口。因此，数据包通过交换机所需的时间就会减至最少。
4.ProfiNet通信
ProfiNet通信如图5-61所示，采用基于以太网，在一根线上可同时进行从一般性能到高性能和时间同步的可缩放的通信。这3种通信覆盖了自动化应用的全部范围，确保了直至企业管理层的一致性和自动化过程中的快速响应时间。表5-18所示为这3种通信的相关特点。
表5-18 3种通信相关特点
（1）使用TCP/UDP的标准通信
ProfiNet使用以太网和TCP/UDP/IP协议作为通信基础。但TCP/UDP/IP只提供了使以太网设备能够通过本地和分布式网络的透明通道中进行数据交换。因此，在较高层上则需要其他的规范和协议（亦称为应用层协议），而不是TCP/UDP。所以，只有对于所有设备都使用相同的应用层协议时，才能保证互操作性。典型的应用层协议有：例如SMTP（用于电子邮件）、FTP（用于文件传输）和HTTP（用于互联网）等。
ProfiNet通过TCP/UDP和IP的标准通道，发送非苛求时间的数据，例如：参数、组态数据和互连信息，以满足自动化层与其他网络（MES，ERP）的连接需求。尽管其响应时间大概在100ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。
（2）实时（Real-Time，RT）通信
对于生产装备内苛求时间要求的数据的传输，其响应时间要小于10ms。为此，ProfiNet采用一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通信（软实时）通道。显著地减少了通信栈所占用的运行时间，从而提高了过程数据刷新速率。这一方面，由于若干个协议层的去除，可减少了报文长度；另一方面，在需要传输的数据准备就绪发送（即：应用准备就绪处理）之前，也只需较少的时间。同时，还可简化设备用于通信的处理。此外，为获得更佳的效果，ProfiNet中的数据包还按照IEEE802.1Q规范，分配传输优先级，最多可用到7级。设备之间的数据流由网络组件依据此优先级处理。优先级6（Priority 6）就是用于实时数据的优先级。图5-62所示为ProfiNet RT通信协议及其帧结构。
（3）等时同步实时（Isochronous Real-Time，IRT）
上述解决方案对于运动控制应用还远远不够。运动控制应用要求刷新速率在1ms，100节点的连续循环的抖动精度为1m。为此，ProfiNet在第二层上定义了如图5-63所示的IRT时间槽及其帧结构，以控制数据传送。
图5-62 ProfiNet RT通信协议及其帧结构(www.xing528.com)
图5-63 Rofinet IRT时间槽及其帧结构
从图5-63a知，它的通信周期主要分成两个部分，即：时间确定性通信和开放通信部分。之前还有同步化信号。循环的实时报文在IRT通道中传输，而其他的报文则在TCP/IP通道中传输。这种处理方法可与高速公路媲美，最左边的车道总是为时间要求最紧迫的车辆（实时通信）而保留的，由此防止其他车道上的用户（TCP/IP通信）占用此车道。甚至在右边车道交通拥塞的情况下也绝不能影响时间要求紧迫（苛求时间）的车辆的交通（通信）。
这里的等时同步数据传输用的是硬实时HRT（Hardware RT）方案。其实时性是基于一个建立在快速以太网Layer2上的时间触发（time-triggered）协议，由内嵌的Switch-ASIC同步实时交换芯片保证。这可进一步缩短通信栈软件的处理时间，特别适用于高性能过程数据的等时同步传输及快速的时钟同步运动控制。由于它基于硬件实现，IRT帧中通常无需RT帧中的IEEE802.1Q VLAN标识。其帧结构如图5-63b所示。
以上3种通信的关系是：除了在更新时间内为IRT通信保留了带宽外，在更新时间内还允许进行RT通信和TCP/IP通信。在RT通信中，将在IO控制器和IO设备之间传输循环数据，但是，无法获得“最佳的同步效果”。未同步的IO设备将使用RT通信自动交换数据。
5.Profinet功能
（1）IT服务功能
1）TCP服务。与可发送和接收数据的任何通信伙伴（例如PC或非Siemens系统）通信。可将连续不断的数据块（最大8KB）从一个以太网节点传送到另一个以太网节点。数据的接收由通信伙伴进行确认。TCP服务通过以下两种机制来确保数据传输及数据完整性：传输出错时重复发送数据；接收器通过循环算法（CRC）检查已传送数据的完整性并确认数据的接收。
2）UDP服务。UDP（用户数据报协议）支持可发送和接收数据的任何通信伙伴（例如PC或非Siemens系统）通信。UDP为无需确认的简单跨网络数据传输提供通信服务。可在IP上将连续不断的数据块（最大2KB）从一个以太网节点传送到另一个以太网节点。由于不发送任何对所接收数据的确认信息，所以UDP帧并不可靠。
3）其他服务。与FTP通信（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）及HTTP（超文本传输协议）等协议有关的服务。可用以传输文件、邮件、网络管理（包括用于监视、控制和参数化网络节点）及创建网页，让联网计算机可通过浏览器访问。当然使用这些服务要求配置有与此功能相应的以太网接口或模块。
（2）控制器相互通信功能
这点与其他控制或信息网络一样，在网络上的各个IO控制器站点均可相互通信，交换数据。
（3）PG/PC站点可对网络进行组态、诊断，对PLC站点进行、编程及监控
HMI站点也可监控网络其他控制站点。
（4）ProfiNet IO控制功能
通过网络科实现IO控制器对远程的IO设备交换数据实施控制。其通信可在非实时（NRT）、实时（RT）及等时实时（IRT）之间选择。
（5）现场总线集成功能
可通过代理服务器把其他现场总线如Rrofibus DP无缝集成到ProfiNet上。从而实现一个从已有的工厂单元到新安装的工厂单元完全透明的转换。
（6）其他功能
如CBA（Component Based Automation）、OPC、PROFIdrive及PROFIsafe等功能。
6.ProfiNet拓扑结构
Profinet网络拓扑有：星型、线型、树型和环型。而实际系统多是由混合结构组成。这些结构可用通信介质有铜缆或光缆。
（1）星型
如果将通信节点连接到具有两个以上ProfiNet接口的交换机，则自动创建星型网络拓扑。与其他结构不同，星型结构中的单个ProfiNet设备发生故障不会自动导致整个网络发生故障。仅当交换机发生故障时部分通信网络才会发生故障。
（2）树型
如果将若干星型结构互连，则可获得树型网络拓扑。
（3）线型
所有通信节点连接在一个线型总线上，是通过已集成在ProfiNet设备中的交换机来实现。需要的接线工作最少。但是，如果一个连接元件（例如交换机）发生故障，则通过该故障连接元件建立的通信无法再进行下去。
（4）环型
如果要增加可用性，则应使用环型结构。将网络的两个开放端连接到一个交换机即可获得环型结构，然后可以将该交换机作为冗余管理器进行操作。如果网络中出现断路，冗余管理器将确保在一个完好网络连接中重定向数据。特定的SCALANCE X产品系列交换机默认设计为冗余管理器。也可STEP 7中工程工具端口的“属性”对话框中为各个端口配置冗余管理器功能，前提是交换机支持该功能。
7.ProfiNet网络组件
ProfiNet有无源网络组件和有源网络组件：如电源线和插头连接器属于无源网络组件；如交换机、接入点、客户端模块、介质转换器和连接模块属于有源网络组件。表5-19所为ProfiNet的常用到各种网络组件。
表5-19 ProfiNet常用网络组件
8.ProfiNet技术规格
表5-20所示为Profibus技术规格。
表5-20 Profibus技术规格
9.ProfiNet特点
1）基于以太网，可以利用以太网组件，分享以太网技术进步成果。且具有切换技术的可升级性能。
2）适用不同环境，可按需要做适合不同应用环境的配置。可使不同应用区域（例如办公区域和生产区域）。
3）可自动侦测、识别与适用于传输速率。
4）可无缝集成，覆盖多种网络。使用代理可将现有的现场总线系统（例如Profibus、ASI等）集成到ProfiNet中。这样，就可建立由现场总线和基于以太网的子系统组成的混合系统，从而实现向ProfiNet技术的连续过渡。
5）可冗余配置，提高网络的可靠性。
6）拓扑结构灵活，有多种通信介质可选，例如，工业双绞线、光纤导线以及无线介质。
7）可使用运动控制（ProfiDrive）和故障安全（ProfiSafe）应用技术。
8）可使用具有自治能力的技术模块。其优点是：技术模块可预组装；技术模块可预测试；技术模块可容易地重复使用；通过并行地进行模块建立，相当可观地减少投运时间；可降低成本；能很快和很容易地由各种标准模块组态出客户化的机器/成套系统。
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