CN104601569A - 一种提高profinet协议中通信报文利用率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，包括以下步骤：将通信时段划分为多个数据时段；将标准数据帧划分为多个数据域，并将数据域分配给现场从站设备；结合划分的数据时段和数据域，实现不同需求的现场从站设备或数据的高速传输。本发明提供的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，将划分的数据时段在改进的通信协议中实现，在提高数据传输速率的同时，可以增加主站连接的从站数，且采用改进的PROFINET通信协议，提高了有效载荷数据，减少了数据循环周期数，提高数据传输速率。

Description

一种提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法
技术领域
本发明涉及一种提交利用率的方法，具体涉及一种提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法。
背景技术
以太网技术用到工业自动化领域必须解决它固有的拥塞、竞争等问题，虽然现场总线技术是开放的，其互换性和互操作性都很好，但大多数情况是针对某一种现场总线技术而言的，不同的现场总线技术之间虽说可以通过网关进行互联互通，但这时设备和装置之间的互换性和互操作性就基本上丧失了，现场总线的数据吞吐能力也会降低，对于一些实时性要求非常高的应用场合，或在企业网络的高层实施信息综合和管理时，现场总线技术的局限性就显现出来了，所以，功能更强大、技术更普及、标准更统一的工业网络成为业界共同的追求。PROFINET是PROFIBUS国际组织创新的自动化标准，用于实现基于工业以太网的集成、一致的自动化解决方案；PROFINET支持用以太网通信的分散式现场设备和苛求时间的应用的集成，以及基于组件的分布式自动化系统的集成；同时，PROFINET作为开放的实时工业以太网络通信协议，通过高层控制设备实现对多个现场设备的控制，为工业现场总线的实时性、拓扑的灵活性以及多个现场设备之间数据传输的可靠性和快速性提供了灵活的解决方案。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，将划分的数据时段在改进的通信协议中实现，在提高数据传输速率的同时，可以增加主站连接的从站数，且采用改进的PROFINET通信协议，提高了有效载荷数据，减少了数据循环周期数，提高数据传输速率。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将通信时段划分为多个数据时段；
步骤2：将标准数据帧划分为多个数据域，并将数据域分配给现场从站设备；
步骤3：结合划分的数据时段和数据域，实现不同需求的现场从站设备或数据的高速传输。
所述步骤1中，根据数据传输的不同速率需求，在数据帧传输周期内将通信时段划分为1ms等时同步通信时段、5ms高实时通信时段、10ms实时通信时段和非实时通信时段。
5ms高实时通信时段和10ms实时通信时段的时长可以预先设置，然后在数据帧传输周期内均按照预先设置的时长分别进行数据传输。
5ms高实时通信时段内，实时数据均在PROFINET协议的实时数据通道中传输；通信循环周期不大于预设的5ms；5ms高实时通信时段的数据划分为一个组，现场主站设备通过周期性的访问各个现场从站设备，实现现场从站设备数据的刷新。
非实时通信时段内，非实时数据采用用于非苛求时间数据的TCP/UDP和IP进行数据传输。
所述步骤2中，根据划分的数据时段，基于PROFINET协议将标准数据帧划分为多个数据域的单个帧，然后将数据域分配给某个现场从站设备，或将数据域分配给不同的现场从站设备，以提高数据域利用率。
所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1：根据PROFINET协议生成单个帧，已知的数据帧根据N个现场从站设备划分为N个数据域；
步骤2-2：N个数据域实时需求分配给现场主站设备控制的N个现场从站设备；
步骤2-3：N个数据域被写入标准数据帧的每一个数据域；
步骤2-4：标准数据帧传输至N个现场从站设备，完成现场主站设备向现场从站设备的数据传输；
步骤2-5：每个现场从站设备从预先分配好的数据域中读取数据。
所述步骤3中，结合划分的数据时段和数据域，同一数据时段可以在一个数据帧中实现，单个通信循环周期即可完成多个现场从站设备的数据传输，从而可以在满足通信循环周期的前提下，单个现场主站设备与多个现场从站设备连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、根据数据传输需求，将现场设备的数据进行分类，实现不同需求的数据的时段划分并采用聚和机制进行数据重组；
2、采用改进的PROFINET通信协议，提高了有效载荷数据，减少了数据循环周期数，提高数据传输速率；
3、将划分的数据时段在改进的通信协议中实现，在提高数据传输速率的同时，可以增加主站连接的从站数。
附图说明
图1是本发明实施例中5ms高实时通信时段主站和多个现场从站设备之间的数据传输过程示意图；
图2是本发明实施例中5ms高实时通信时段的数据聚合过程示意图；
图3是本发明实施例中PROFINET协议的通信循环周期顺序图；
图4是本发明实施例中数据时段和数据帧结合示意图；
图5是本发明实施例中PROFIET协议循环周期顺序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将通信时段划分为多个数据时段；
步骤2：将标准数据帧划分为多个数据域，并将数据域分配给现场从站设备；
步骤3：结合划分的数据时段和数据域，实现不同需求的现场从站设备或数据的高速传输。
所述步骤1中，根据数据传输的不同速率需求，在数据帧传输周期内将通信时段划分为1ms等时同步通信时段、5ms高实时通信时段、10ms实时通信时段和非实时通信时段。
5ms高实时通信时段和10ms实时通信时段的时长可以预先设置，然后在数据帧传输周期内均按照预先设置的时长分别进行数据传输。
对于小于1ms的等时同步通信，采用PROFINET专用的硬件实现，具备此功能的ASIC具有用于实时数据的循环同步和数据间隔控制功能，能够获得极高的顺序精度控制要求。
1ms-10ms之间的数据循环均按照图2所示的方法划分数据时段；在实时通信时段采用多数据聚合机制，图2为多数据聚合机制聚合过程。聚合帧中可能包含不同类型的帧，例如数据帧和控制帧等，可以减少每个传输帧中的附加信息，同时减少了所需的应答帧的信息，降低了信道负荷，以此提高数据传输速率。
5ms高实时通信时段内，实时数据均在PROFINET协议的实时数据通道中传输；通信循环周期不大于预设的5ms；5ms高实时通信时段的数据划分为一个组，现场主站设备通过周期性的访问各个现场从站设备，实现现场从站设备数据的刷新，在图2中，主站设备和各个现场从站设备需建立单独的通信通道。
非实时通信时段内，非实时数据采用用于非苛求时间数据的TCP/UDP和IP进行数据传输。
所述步骤2中，根据划分的数据时段，基于PROFINET协议将标准数据帧划分为多个数据域的单个帧，然后将数据域分配给某个现场从站设备，或将数据域分配给不同的现场从站设备，以提高数据域利用率。
如图3，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1：根据PROFINET协议生成单个帧，已知的数据帧根据N个现场从站设备划分为N个数据域；
步骤2-2：N个数据域实时需求分配给现场主站设备控制的N个现场从站设备；
步骤2-3：N个数据域被写入标准数据帧的每一个数据域；
步骤2-4：标准数据帧传输至N个现场从站设备，完成现场主站设备向现场从站设备的数据传输；
步骤2-5：每个现场从站设备从预先分配好的数据域中读取数据。
按照此步骤，从站设备将要传输至主站的数据写入相应的数据域，完成各个现场从站设备向主站的数据传输。
该改进的通信协议可以减少与有效传输数据一起传输的填充字节，提高了数据帧的数据域利用率，实现了可以比标准协议更高的速度进行传输。
所述步骤3中，结合划分的数据时段和数据域，实现两者的结合，如图4所示，同一数据时段可以在一个数据帧中实现，单个通信循环周期即可完成多个现场从站设备的数据传输，相对于标准的PROFIET通信协议循环周期顺序图(图5)，可以提高通信通道的利用率，从而可以在满足通信循环周期的前提下，单个现场主站设备与多个现场从站设备连接。
PROFINET是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，PROFINET采用以太网和TCP/IP协议作为通信基础。在工厂及自动化领域，实时应用通常需要刷新/响应时间在5-10ms范围内，为了确保优先连续处理应用程序，应尽量使设备处理器用于实现实时通信的负载减少到最小；与设备中的处理时间相比，快速(100Mbps)或更高速率的以太网线路上的传输时间是可以忽略不计的，在刷新时间以及实时响应中的改进主要通过主站和从站的通信栈的优化来完成。为了能满足自动化中的实时要求，根据业务的实时性需求，本发明提出将预先设置的数据传输周期划分为多个时段，多个时段中包括不同的数据通信时段，例如1ms等时同步通信(IRT)时段、5ms高实时通信(RT)时段、10ms实时通信时段和非实时通信时段(NRT)等；接入点在数据传输周期中的不同通信时段按照相应的传输机制进行数据传输，在1ms通信时段按照1ms的等时同步传输机制进行数据传输，5ms高实时通信时段按照5ms的实时传输机制进行数据传输，10ms实时通信时段按照10ms的实时传输机制进行数据传输，非实时通信时段按照普通TCP/IP通信机制传输。通过该方法能够在PROFINET通信中满足不同实时性要求的应用并存的需求。同时，本发明基于PROFINET通信协议，提出改进的PROFINET协议，将标准数据帧细分为多个数据域的单个帧，减少了数据帧中的填充数据，提高了数据帧的数据域利用率，实现比标准协议更高的速度进行传输。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：将通信时段划分为多个数据时段；
步骤2：将标准数据帧划分为多个数据域，并将数据域分配给现场从站设备；
步骤3：结合划分的数据时段和数据域，实现不同需求的现场从站设备或数据的高速传输。
2.根据权利要求1所述的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：所述步骤1中，根据数据传输的不同速率需求，在数据帧传输周期内将通信时段划分为1ms等时同步通信时段、5ms高实时通信时段、10ms实时通信时段和非实时通信时段。
3.根据权利要求2所述的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：5ms高实时通信时段和10ms实时通信时段的时长可以预先设置，然后在数据帧传输周期内均按照预先设置的时长分别进行数据传输。
4.根据权利要求2所述的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：5ms高实时通信时段内，实时数据均在PROFINET协议的实时数据通道中传输；通信循环周期不大于预设的5ms；5ms高实时通信时段的数据划分为一个组，现场主站设备通过周期性的访问各个现场从站设备，实现现场从站设备数据的刷新。
5.根据权利要求2所述的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：非实时通信时段内，非实时数据采用用于非苛求时间数据的TCP/UDP和IP进行数据传输。
6.根据权利要求1所述的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：所述步骤2中，根据划分的数据时段，基于PROFINET协议将标准数据帧划分为多个数据域的单个帧，然后将数据域分配给某个现场从站设备，或将数据域分配给不同的现场从站设备，以提高数据域利用率。
7.根据权利要求1或6所述的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1：根据PROFINET协议生成单个帧，已知的数据帧根据N个现场从站设备划分为N个数据域；
步骤2-2：N个数据域实时需求分配给现场主站设备控制的N个现场从站设备；
步骤2-3：N个数据域被写入标准数据帧的每一个数据域；
步骤2-4：标准数据帧传输至N个现场从站设备，完成现场主站设备向现场从站设备的数据传输；
步骤2-5：每个现场从站设备从预先分配好的数据域中读取数据。
8.根据权利要求1所述的提高PROFINET协议中通信报文利用率的方法，其特征在于：所述步骤3中，结合划分的数据时段和数据域，同一数据时段可以在一个数据帧中实现，单个通信循环周期即可完成多个现场从站设备的数据传输，从而可以在满足通信循环周期的前提下，单个现场主站设备与多个现场从站设备连接。
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