PROFINET基础知识介绍，实例讲解西门子PLC通讯控制机器人！

工业以太网一般使用IEEE 802.3中定义的以太网标准。针对自动化系统的网络节点辅助采用了服务质量（ QOS）机制。PROFINET作为工业以太网之一，它采用了三种不同的方法来实现。这样既满足了普通以太网的需求，又满足了工业系统对不同应用的实时性的要求。如下图1所示。

图1、PROFINET使用到的三种协议栈

① 使用了IEEE 802.3以太网标准和TCP/IP，报文结构如图2所示。大多数的PROFINET通信是通过没有被修改的以太网和TCP/IP包来完成。这使得可以无限制地把办公网络的应用集成到PROFINET网络中。

图2、TCP/IP报文结构

② RT的通信不仅使用了带有优先级的以太网报文帧（如下图3所示），而且优化掉了OSI协议栈的3层和4层。这样大大缩短了实时报文在协议栈的处理时间，进一步提高了实时性能。由于没有TCP/IP的协议栈，所以RT的报文不能路由。

图3、PROFINET RT报文结构

③ IRT通信是满足最高的实时要求，特别是针对于等时同步的应用。IRT是基于以太网的扩展协议栈，能够同步所有的通信伙伴并使用调度机制。IRT通信需要在IRT应用的网络区域内使用IRT交换机。在IRT域内也可以并行传输TCP/IP协议包，如图4所示。

图4、PN控制器和PN设备的分片处理机制

以PROFINET RT为例来理解在整个通信的过程中实时性能是如何来保证的。

从通信的终端设备（PN控制器和PN设备）来看，首先采用了优化的协议栈，这一点可以在图1的 ②看到。这样一来在终端的设备上数据报文被处理的时间大大的缩短，这是实时性能保证的一个方面。其次是终端设备上采用的分时间段处理机制，这一点可以在图5看到。这样保证了在每个通信的循环的周期内终端设备即可以处理RT的实时数据又可以处理TCP或UDP的数据。且在每个循环内优先处理RT的实时数据。这里需要强调的是每个PN终端设备只对自己的负责，需要发送的数据会按发送循环发送、对于由其他设备发到自己的数据会进行立即接收，且发送和接收是并行处理。

图5、RT的时间调度机制

从通信的传输设备（SCALANCE X交换机）来看，首先采用百兆全双工的交换网络，这样一来每个终端设备的每个端口都是独享带宽，且可以双向不间断的收发数据。其次是交换机支持802.1P或802.1Q的标准，使得发到交换机网络的PN的数据帧被优先处理和转发，如图6所示。这一点保证了PN在网络上的快速转发，也是实时性能保证的另一个方面。

图6、交换机802.1Q的工作机制

上面介绍的是PN RT的实时性能从机理上如何保证的。而从量化的角度去分析的话，PN RT完全是靠计算来精确保证每个发送循环所能发送的报文及对RT数据的时间的预留。

对于RT来说，在物理层上传输的最小报文帧来为88个字节，最大报文帧来为1488个字节。其中包括了12个字节的帧间隔，如下图7所示。

图7、RT的报文的长度

百以太网的传输速率 ：

每个字节传输需要的时间：

最小的RT报文帧需要的传输时间 0.08

一个PN控制下带3个最小报文帧（40个字节的C_SDU）的PN设备，PN 控制器的发送循环为250 ，通信建立后在PN接口上抓报分析PN的通信可以分析出PN数据帧对时间调度的情况，如下图8所示。

图8、PN RT的时间调度机制

除了对PROFINET RT和IRT的通信调度的分析外，还对PROFINET的抗干扰性作了大量的研究。在对PROFINET推广的时候，很多用户很关心PROFINET是不是和PRROFIBUS一样，存在抗干扰的性能差的特点。我从理论和实际实验上验证了PROFINET的抗干扰性能优于PROFIBUS的抗干扰性能。PROFINET是基于IEEE 802.3的以太网标准。所以对PROFINET的抗干扰分析实质上是对工业以太网的抗干扰分析。

好吧！理论说完了，我们实例讲解一下吧！

今天带来的案例是博途PLC通过PROFINET连接库卡机器人！

网线连接至控制柜门上的KLI端口，另一端连接到交换机，PLC也连接到交换机（交换机无型号要求），交换机再连接到电脑。

首先将编程电脑、PLC、KUKA设置成统一网段，因KUKA的底层设置原因，最好不更改机器人IP地址

1：添加新设备 2:导入GSD文件

安装GSD，并把KUKA设备进行组态

在视图里面进行连接

删除安全模块、设置地址、设备名称

设置好以上后（包括PLC地址），接下来就可以编译下载到PLC。下载完成后PLC会报红灯，是因为下一级组件存在故障，即还没有设置机器人端，连接不到下一级组件，所以报错。也可以使用此方法判断是否连接成功。

WorkVisual对KUKA进行设置

激活、添加Profinet、DTM选择Profinet

双击Profinet进行设置

进行信号映射

首先生成代码，再下载到控制器，注意在控制器上做好确认工作

机器人侧的信号确认：

机器人侧即为映射时的IN(..),PLC侧则是在博图里对KUKA设备设置时的IO地址

PLC教学3——块操作指令及栈操作指令

块操作指令

1） 串联电路块的并联（块或操作指令）----OLD

两个或两个以上触点串联形成的支路叫串联电路块

OLD功能：用于串联电路块的并联连接

例 块或操作指令应用

使用说明：

（1）除在网络块逻辑运算的开始使用LD或LDN指令外，在块电路的开始也要使用LD或LDN指令。

（2）每完成一次块电路的并联时要写上OLD指令。

（3）OLD指令无操作数

2）并联电路块的串联连接指令（块与操作）----ALD

用于将以LD或LDN起始的并联电路块和另外的LD或LDN起始的并联电路块串联连接

例 块与(ALD) 指令的应用

使用说明：

在块电路开始时要使用LD或LDN指令。

在每完成一次块电路的串联连接后要写上ALD指令。

ALD指令无操作数

栈操作指令

S7-200系列PLC使用9层堆栈来处理所有逻辑操作，和计算机中的堆栈结构相同。堆栈是一组能够存储和取出数据的暂存单元，其特点是"后进先出"。每一次进行入栈操作，新值放入栈顶，栈底值丢失；每次进行出栈操作，栈顶值弹出，栈底值补进随机数。

（1）逻辑入栈指令（LPS）

逻辑入栈指令又称为分支电路开始指令。在梯形图的中的分支结构中，可以形象地看出，它生成一条新的母线，其左侧为原来的主逻辑块，右侧为新的从逻辑块，因此可以直接编程

从堆栈使用来上来讲，LPS指令的作用是把新的分支母线的状态压入堆栈栈顶。

2．逻辑读栈（LRD）逻辑读栈指令在梯形图分支结构中，当新母线左侧为主逻辑块时，LPS开始右侧的第一从逻辑块编程，LRD开始第二个以后的从逻辑块编程。

3．逻辑出栈指令（LPP）逻辑出栈指令又称为分支结束指令。在梯形图分支结构中，LPP用于LPS产生的新母线右侧的最后一个从逻辑块编程。弹出分支母线的状态出堆栈。

例 LPS、LRD、LPP应用举例

例 LPS、LRD、LPP应用举例

使用说明：

由于受堆栈空间的限制（9层堆栈），LPS、LPP指令连续使用时应少于9次

LPS、LPP指令必须成对使用，它们之间可使用LRD指令。

LPS、LPP、LRD指令无操作数。

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