Profinet以太网适配器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有至少一个第一以太网接口和第二以太网接口(511、512)的PROFINET适配器，这些接口用于将用户联接到PROFINET网络上。PROFINET适配器(50)包括一个第三以太网接口(55)、至少一个应用接口(53、54)以及一个转接设备(56)。第三以太网接口(55)至少用于交换基于以太网的数据包。转接设备(56)和交换机(51)、PROFINET协议栈(52)、应用接口(53、54)和第三以太网接口(55)相连并且根据特定的配置分配实时数据包和非实时数据包并且在交换机和应用接口和/或第三以太网接口之间传递这些数据包。
【专利说明】PROFINET以太网适配器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有至少一个第一以太网接口和一个第二以太网接口的PROFINET适配器，这些接口用于将用户连接到PROFINET网络上。
【背景技术】
[0002]PROFINET是一种在实时以太网系统(英语:Realtime-EthernetSystem, RTE)中的领先工业标准。PROFINET标准原则上区分为实时通信的两个可能性，即实时方案(PROFINETRT)和同步实时方案(PROFINET IRT)。两种方案的共同点在于，除了以大的带宽传输实时数据(RT或IRT)以外也能够通过PROFINET网络传输非实时数据(NRT数据)、例如基于TCP/IP的数据包。PROFINET网络通常基于通过以太网交换机的100MBit/S全双工通信传输。
[0003]在PROFINET RT方案中，在以太网标准的IS0/0SI第2层(MAC层)上周期性地传输实时数据包。相对于非实时数据包，实时数据包以较高的优先级在交换机中进行处理并且传输。由此确保相对于NRT通信从发送器到接收器优先处理RT通信。因为在PROFINETRT方案中数据传输没有和时间关联，所以在从发送器到接收器的路径上出现抖动，该抖动主要取决于有多少交换机在该数据传输的路径上输送数据包。通过标准以太网接口能够转换相应的PROFINET RT设备以及用户。这同样适用于交换机，该交换机除了优先级以外不需要满足特殊要求。
[0004]同步实时(IRT)方案是PROFINET RT的扩展方案。对于PR0FINETIRT需要在时间上规划实时数据的传输，其中IRT数据在规定的时间范围中进行传输。在该规定的时间范围以外就如同PROFINET RT 一样采用NRT数据传输。对于PROFINET IRT,实时数据在从发送器到接收器的路径上的抖动小于在PROFINET RT的情况下的抖动并且还不取决于有多少交换机在该数据传输的路径上输送数据包。
[0005]PROFINET IRT在交换机和设备以及用户中需要特殊以太网硬件。由此仅能够有限地使用现有的以太网接口。
[0006]在两个方案RT和IRT中PROFINET用户通过象征性的名称标识，该象征性的名称也称为PROFINET设备名。该名称可以在调试过程中例如由软件工具进行分配。除了该名称以外还需要IP地址，因为PROFINET协议的一些部分加载在以太网标准的IP层上。该IP地址用于设定NRT数据包的地址，通常通过MAC地址设定RT数据包和IRT数据包的地址。
[0007]一个PROFINET网络中的用户优选在线路结构中相互交错。用于RT或IRT通信的交换机通常集成在各个用户中。每个用户为此都具有包括至少一个第一以太网接口和第二以太网接口以及一体化的RT/IRT交换机的PROFINET适配器，该交换机具有相应的存储器和CPU资源。通过这两个以太网接口每个用户在线形网络中都和其前一个用户以及后一个用户相连。每个PROFINET适配器除了配置有其固定的MAC地址以外还配置有IP地址以及象征性的PROFINET名称。为象征性名称和MAC地址指定IP地址能够通过DHCP服务器(Dynamic Host Configurat1n Protocol动态主机配置协议)或者通过PROFINET标准的DCP (Discovery and Basic Configurat1n Protocol 发现和基本配置协议)进行。
[0008]通过适配器中的PROFINET协议栈能够设定用于连接各个用户的各个接口。PROFINET 适配器能够例如提供 I/O 接口、串联的 UART (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter通用异步收发传输器)和/或例如用于微型控制器的并联接口。I/O接口通常将I/O实时数据直接转换为数字的输入/输出信号，对此和PROFINET交换作为RT数据包或者IRT数据包的I/O数据。微型控制器用于和PROFINET交换实时数据和非实时数据。
[0009]PROFINET适配器例如也可以是插拔卡的组成部分，工业PC能够借助该插拔卡通过适配器的两个以太网接口连接到PROFINET网络上。为插拔卡、即适配器通过其象征性的PROFINET名称指定IP地址，其中PC上的应用程序通常还具有本身的IP地址。通过基于TCP/IP的数据包交换NRT数据，该数据包将地址注册在对应相应用户的适配器的IP地址上。
[0010]微型控制器以及工业PC通常具有一体化的以太网接口，该以太网接口配置有PROFINET协议栈并且能够和PROFINET网络进行基于TCP/IP的直接通信。对此，微型控制器以及工业PC的一体化以太网接口需要和第三以太网接口连接，该第三以太网接口由分别对应的PROFINET适配器的交换机提供。
[0011]直接采用TCP/IP服务的缺点在于，分别包括PROFINET交换机或适配器和微型控制器或工业PC的PROFINET用户通过两个不同的IP地址来表示，即通过交换机或适配器的IP地址以及微型控制器或工业PC的IP地址来表示。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于，能够通过TCP/IP与连接在PROFINET交换机或适配器上的用户进行直接的NRT通信，这种通信避免了为设备和用户提供两个IP地址的问题并且简化了组件通过以太网接口到RT网络或IRT网络上的连接。
[0013]通过根据独立权利要求1所述的PROFINET适配器实现了本发明的目的。有利的设计方案是从属权利要求的主体。
[0014]PROFINET适配器包括具有至少一个第一以太网接口和第二以太网接口的交换机，该第一以太网接口和第二以太网接口用于和PROFINET实时网络连接。交换机至少适合接收和传输基于TCP/IP的PROFINET数据包、TCP/IP数据包和基于PROFINET RT或PROFINETIRT的数据包。
[0015]PROFINET适配器还包括PROFINET协议栈和至少一个应用接口。
[0016]根据本发明，PROFINET适配器还具有第三以太网接口以及一个转接设备。第三以太网接口至少用于交换基于以太网的数据包。
[0017]转接设备和交换机、PROFINET协议栈、应用接口和第三以太网接口相连并且根据特定的配置分配实时数据包和非实时数据包并且在交换机和应用接口和/或第三以太网接口之间传递这些数据包。至少一个应用接口中的第一应用接口可以是I/o接口。
[0018]1/0接口可以用于处理可靠和非可靠的输入/输出信号。在可靠的信号输入端上例如提供急停信号，在PROFINET网络中可以并行于第三以太网接口的基于以太网的数据包传输该急停信号。
[0019]转接设备优选这样配置，即在交换机和1/0接口之间传输实时数据包或实时数据包的I/o数据，该实时数据包在PROFINET适配器上设定地址。
[0020]也可以这样配置转接设备，使其将在PROFINET适配器上设定地址的非实时数据包传输到第三以太网接口。
[0021]非实时数据包可以是基于以太网的数据包。
[0022]基于以太网的数据包例如可以是TCP/IP数据包、PROFINET数据包和PROFINETRT/IRT数据包。
[0023]此外，还可以这样形成PROFINET适配器，即为具有以太网通信功能的设备指定IP地址，其中该设备能够连接在第三以太网接口上并且该IP地址符合PROFINET适配器的IP地址和/或为能够连接在第三以太网接口上的具有以太网通信功能的设备分配象征性名称或PROFINET设备名称，该设备名称和本身的PROFINET设备名称相一致。
[0024]因此可以这样形成转接设备，使其将第三以太网接口的非实时数据包传输给交换机。
[0025]根据本发明的实现方案还包括用于在前述PROFINET适配器的交换机和至少一个应用接口和/或第三以太网接口之间传输实时数据包和非实时数据包的方法。
[0026]根据本发明通过转接设备分配实时数据包和非实时数据包。
[0027]通过转接设备可以将实时数据包传输给应用接口。或者也可以将实时数据包传输给第三以太网接口。
[0028]优选将非实时数据包从交换机传输给第三以太网接口。非实时数据包优选形成为基于以太网的数据包。
[0029]第三以太网接口的非实时数据包传输到交换机上。
[0030]可以使用PROFINET适配器的IP地址作为非实时数据包的源地址。
[0031]本发明的核心是转接设备，通过该转接设备传输所有TCP/IP数据包、PROFINET数据包和PROFINET RT/IRT数据包，这些数据包来自PROFINET适配器或者从该适配器发送。PROFINET适配器和转接设备连接并且通过适配器的IP地址和/或适配器的MAC地址进行设定。
[0032]PROFINET RT数据包能够通过根据本发明的转接设备可自由配置地从交换机传输至Ij应用接口、例如1/0接口或者微型处理器接口和/或传输到以太网接口，在以太网接口中通过转接设备单个地接通或断开这些数据接收装置。
[0033]PROFINET RT数据包也可以反向地从1/0接口、微型处理器接口和第三以太网接口传输到交换机，其中能够这样配置转接设备，即能够单个地接通或断开所有数据源。此外能够配置这些单个数据源的优先权。实时数据包具有PROFINET适配器的MAC地址。
[0034]TCP/IP数据包优选通过转接设备直接传输给第三以太网接口。或者可以将来自基于以太网的数据包的数据也传输给微型处理器接口。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]下面结合附图根据示例性的实施方式详细阐述本发明。在附图中:
[0036]图1示出了根据现有技术工业PC在PROFINET网络上的连接，
[0037]图2示出了根据现有技术工业PC和PROFINET 10设备在PROFINET网络上的第一个共同连接，
[0038]图3示出了根据现有技术工业PC和PROFINET 10设备在PROFINET网络上的第二个共同连接，
[0039]图4示出了根据现有技术PROFINET设备在PROFINET网络上的连接，
[0040]图5示出了根据本发明的RPR0FINET适配器，
[0041]图6示出了工业PC和PROFINET 1设备借助根据本发明的RPR0FINET适配器在PROFINET网络上的共同连接，
[0042]图7示出了根据本发明具有RPR0FINET适配器的PROFINET用户。
【具体实施方式】
[0043]图1在工业PC上示例性地示出了设备在PROFINET网络上的连接方案，其中，连接原理也同样适用于其他设备类型。
[0044]在自动化技术中通常根据各个设备进行安装，因此PROFINET网络优选具有总线型拓扑结构。通过使PROFINET所需的RT交换机或IRT交换机集成到用户中确保了总线型网络结构以及总线型网络布线。
[0045]所示的工业PClO和插入插槽中的PROFINET板卡11共同构成PROFINET用户。PROFINET板卡11包括PROFINET RT/IRT交换机，第一以太网接口 111和第二以太网接口112由该交换机操控。此外，PROFINET板卡11例如包括PCI接口并且因此构成PROFINET适配器，在工业PC上运行的自动化应用、例如非实时数据(NRT数据)能够借助TCP/IP数据包通过该适配器和PROFINET网络进行交换。
[0046]PROFINET板卡11具有固定的MAC地址以及所对应的象征性的PROFINET名称114。在PROFINET网络的初始化阶段例如由DHCP服务器分配给板卡一个IP地址113。
[0047]PROFINET板卡的第一以太网接口和第二以太网接口 111和112是用于提供所希望的总线型PROFINET网络结构的主要组成部分，在该网络中例如借助第一以太网接口 111建立到前一个网络用户的连接并且借助第二以太网接口 112建立到下一个网络用户的连接。
[0048]如图1所示，工业PC上的应用程序具有各自的IP地址115。
[0049]图2示出了具有PROFINET板卡21的工业PC20，该工业PC和包括操作面板22和所对应的PR0RINET适配器23的PROFINET 10设备一起连接在PROFINET网络上。为PROFINET板卡21和PROFINET适配器23分别配置一个象征性的PROFINET名称211和231以及IP地址212和232。PC和10设备集成在共同的壳体中，尽管从网络视图来看PC和10设备相当于两个相互连接的P0RFINET用户，但是对于使用者来说对外表示整体的设备或整体的用户单元2。
[0050]图3示出了图2所示用户单元的替代性结构。工业PC30具有集成的以太网接口311。PROFINET协议的协议栈312安装在工业PC的操作系统上，因此通常用于基于TCP/IP的LAN的以太网接口 311作为PROFINET接口工作。为工业PC的PROFINET协议栈312配置一个象征性的PROFINET名称313，通过该名称将IP地址314分配给工业PC及其PROFINET协议栈。
[0051]而PROFINET 10设备包括操作面板32和PR0RINET适配器33，为该适配器配置一个象征性的PROFINET名称333和一个IP地址334。为所示的用户单元3配置一个PROFINET交换机34，该交换机具有三个以太网接口 341、342和343以及一个象征性的PROFINET名称344和一个分配的IP地址345。
[0052]工业PC30通过PROFINET交换机34和PROFINET网络相连，其中交换机34和操作面板32的PROFINET适配器33从网络视图上来看是两个相互连接的PROFINET用户。
[0053]根据图2和3所示的PROFINET网络中工业PC的各个连接的不利之处在于，网络端必须管理两个象征性的PROFINET名称和三个IP地址。
[0054]图4示出了一个PROFINET设备4，该设备具有微型控制器40和PROFINET适配器41，该微型控制器和适配器例如能够作为一体化的组件设置在电路板上。微型控制器40提供PROFINET设备4本身的设备应用程序，例如驱动器的控制。PROFINET适配器41和微型控制器40通过接口 400相互连接。PROFINET适配器41包括用于连接在PROFINET网络上的第一以太网接口和第二以太网接口 411和412。PROFINET适配器41还包括PROFINET协议栈，通过该协议栈能够在PROFINET网络和接口 400之间转换数据。PROFINET适配器41除了具有MAC地址以外，还具有象征性的PROFINET名称414，通过该名称可以指定一个IP地址415。
[0055]例如用于控制驱动器的1/0数据通常作为实时数据在PROFINET网络和PROFINET设备4之间传输，其中RT数据包或IRT数据包通过PROFINET适配器41的MAC地址设定。
[0056]用于配置微型控制器的参数数据通常作为NRT数据包借助基于TCP/IP的传输通过PROFINET网络进行传输。TCP/IP数据包例如能够设定在PROFINET适配器41的IP地址上，由此能够通过接口 400将所获得的参数数据传输给微型控制器40。
[0057]许多的微型控制器已经具有一体化的以太网接口 401，因此这些微型控制器能够直接借助基于TCP/IP的通信和PROFINET网络交换数据。图4所示的PROFINET设备4的PROFINET芯片41对此具有第三以太网接口 413，通过该以太网接口使以太网直接连接到微型控制器40。微型控制器40具有用于基于TCP/IP进行数据通信的IP地址402。
[0058]如同工业PC连接到PROFINET网络中一样，在PROFINET设备4中的问题在于，为了和微型控制器40进行基于TCP/IP的直接通信必须在PROFINET网络中管理额外的IP地址并且通过合适的机制进行分配。
[0059]图5示出了根据本发明的PROFINET适配器50，该适配器具有包括第一以太网接口和第二以太网接口 511和522的具有PR0FINETRT/IRT功能的交换机51，通过这些接口能够在PROFINET网络中分别建立到前一个用户的网络连接以及到后一个用户的网络连接。
[0060]在根据本发明的PROFINET适配器50中实施PROFINET协议的协议栈52。此外，根据本发明的PROFINET适配器50例如具有1/0接口 53、微型处理器接口 54和第三以太网接Π 55。
[0061]根据本发明的PROFINET适配器50的核心是一个转接设备56，通过该转接设备传输由PROFINET适配器50接收或发送的所有数据包。这些数据包可以包含RT数据或IRT数据以及NRT数据。PROFINET适配器50能够通过其象征性的PROFINET名称、通过其IP地址或通过其MAC地址设定。PROFINET协议栈52和转接设备56直接连接。
[0062]转接设备56用于在交换机51和相应的接口 53、54和55以及PROFINET协议栈52之间分配RT数据包、IRT数据包和NRT数据包和/或相应的数据。
[0063]PROFINET RT数据包从交换机51传输到1/0接口 53、微型处理器接口 54、第三以太网接口 55和/或由PROFINET协议栈52进行处理。对此能够这样设置转接设备56，所有接口都能够单独地接通或断开。
[0064]PROFINET RT数据包也可以反向地从PROFINET协议栈52、从I/O接口 53、从微型处理器接口 54或者从第三以太网接口 55传输到交换机51。这些接口可以通过设置转接设备56单独地接通或断开以及区分为不同的优先级。
[0065]NRT数据包同样可以从交换机51传输到微型处理器接口 54、到第三以太网接口 55和/或由PROFINET协议栈52进行处理。NRT数据包可以反向地从微型处理器接口 54、第三以太网接口 55以及从PROFINET协议栈52传输到交换机51。针对NRT数据包的分配也可以这样设置转接设备56，S卩，所有的数据来源都可以单独地接通或断开。还可以确定单个数据来源的优先级。
[0066]来自第三以太网接口 55的RT数据包和/或NRT数据包在转接设备53中分别设有PROFINET适配器50的MAC地址。连接在PROFINET适配器50的第三以太网接口 55上的设备可以(例如通过DHCP)得出适配器的IP地址并且将该设备本身的IP地址调整到该适配器的IP地址。作为补充或者代替，相应地也可以为能够连接在PROFINET适配器50的第三以太网接口 55上的具有以太网通信能力的设备指定PROFINET设备名称，该设备名称和PROFINET适配器50的PROFINET设备名称相一致。
[0067]在交换机51和以太网接口 55之间传输的数据能够由转接设备可自由配置地进行处理。由此例如可以考虑将以太网数据分成碎片并重新组合。
[0068]图6示出了工业PC60和操作面板61，该工业PC和操作面板通过根据本发明的PROFINET适配器50与PROFINET网络连接。操作面板61连接在PROFINET适配器50的1/0接口 53上。和操作面板61的操作元件相连的1/0接口 53的输入端和输出端可以是可靠的和/或非可靠的输入端和输出端。工业PC60具有以太网接口 611，该以太网接口和PROFINET适配器50的第三以太网接口 55相连。
[0069]用于控制1/0接口 53的RT数据包从转接设备56传输到PROFINET协议栈52上。实时数据继续传输到1/0接口 53上。
[0070]通过PROFINET适配器的IP地址能够直接到达工业PC60，其中基于TCP/IP的NRT数据包从转接设备56通过第三以太网接口 55传输到工业PC的以太网接口 611上。需要由工业PC61发送的基于TCP/IP的NRT数据包已经在工业PC的TCP/IP协议栈中设有PROFINET适配器50的IP地址并且通过转接设备56和交换机51发送到PROFINET网络上。不需要在工业PC上单独设置IP地址，因为工业PC已经自动调整为PROFINET适配器50的IP地址。这种IP地址的自动调整例如通过PROFINET适配器50和工业PC60之间的DHCP进行。可以以相应的方式自动地调整工业PC，例如调整为PROFINET适配器50的象征性名称以及PROFINET设备名称。
[0071]工业PC通过根据本发明的PROFINET适配器50连接到PROFINET网络上的优势在于，在更换PC时不会损害PROFINET线路的功能。此外这种连接节省了本身1/0模块的相应成本以及简化了设定地址的复杂性。通过在转接设备中将RT数据包/IRT数据包和NRT数据包分割成碎片降低了线路中的抖动。由此还能够实现PROFINET网络中更短的周期时间，因为1.5kByte大小的以太网数据包在100MBit/s时进行传输需要大约125ys。因此，在没有进行分割碎片的情况下是不可能实现较小的周期时间的。
[0072]图7示出了 PROFINET设备7，该设备具有微型处理器70、例如微型控制器；和根据本发明的PROFINET适配器50。微型处理器70通过微型处理器接口 54和PROFINET适配器50相连，通过该微型处理器接口能够交换PROFINET实时数据和非实时数据。
[0073]如果需要在微型处理器70上额外地执行TCP/IP应用程序(例如驱动器转速的WEB可视化)，那么可以简单地通过现有的基于TCP/IP的以太网接口来进行。
[0074]根据本发明的PROFINET适配器能够非常简单并且成本有利地用于连接并且该适配器的特征特别地在于，在微型处理器70中不需要使TCP/IP协议栈匹配PROFINET。此外，通过PROFINET适配器的IP地址能够实现微型处理器70的TCP/IP应用。
【权利要求】
1.一种PROFINET适配器，所述适配器包括一个具有用于和有实时功能的PR0FINET网络连接的至少一个第一以太网接口和第二以太网接口(511、512)的交换机(51)、PR0FINET协议栈(52)和至少一个应用接口(53、54)，此外所述适配器还包括一个第三以太网接口(55)以及一个转接设备(56)，其中所述第三以太网接口至少用于交换基于以太网的数据包，并且所述转接设备和所述交换机(51)、所述PROFINET协议栈(52)、所述应用接口(53、54)和所述第三以太网接口(55)相连并且根据预先规定的配置分配实时数据包和非实时数据包并且在所述交换机(51)和所述应用接口(53、54)和/或所述第三以太网接口(55)之间传递这些数据包。
2.根据前述权利要求所述的PROFINET适配器，其特征在于，所述至少一个应用接口中的第一应用接口是I/O接口(53)。
3.根据前一个权利要求所述的PROFINET适配器，其特征在于，配置所述转接设备(56)用于在所述交换机(51)和所述I/O接口(53)之间传输已在所述PROFINET适配器上设定地址的实时数据包的I/O数据。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的PROFINET适配器，其特征在于，配置所述转接设备(56)用于将在所述PROFINET适配器上设定地址的非实时数据包传输到所述第三以太网接口(55)上。
5.根据前一个权利要求所述的PROFINET适配器，其特征在于，所述非实时数据包是基于以太网的数据包。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的PROFINET适配器，其特征在于，所述PROFINET适配器为能够连接在所述第三以太网接口(55)上、具有以太网通信功能的设备指定和PROFINET适配器本身IP地址相一致的IP地址。
7.根据前述权利要求中任意一项所述的PROFINET适配器，其特征在于，所述PROFINET适配器为能够连接在所述第三以太网接口(55)上、具有以太网通信功能的设备指定和PROFINET设备本身名称相一致的PROFINET设备名称。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的PROFINET适配器，其特征在于，所述转接设备(56)用于将非实时数据包从所述第三以太网接口(55)传输给所述交换机。
9.用于在根据权利要求1至6中任意一项所述PROFINET适配器的交换机(51)和至少一个应用接口(53、54)和/或第三以太网接口(55)之间传输实时数据包和非实时数据包的方法，其中通过转接设备(56)分配所述实时数据包和所述非实时数据包。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述实时数据包传输到所述应用接口(53,54)。
11.根据权利要求9或10中任意一项所述的方法，其特征在于，所述实时数据包从所述交换机(51)传输到所述第三以太网接口(55)。
12.根据权利要求9至11中任意一项所述的方法，其特征在于，所述非实时数据包从所述交换机(51)传输到所述第三以太网接口(55)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述非实时数据包是基于以太网的数据包，所述数据包传输到所述第三以太网接口(55)。
14.根据权利要求9至13中任意一项所述的方法，其特征在于，所述非实时数据包从所述第三以太网接口(55)传输到所述交换机(51)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述PROFINET适配器的IP地址用作所述非实时数据包的源地址。
【文档编号】H04L12/46GK104185969SQ201380010674
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年2月8日 优先权日:2012年2月22日
【发明者】贡纳尔·莱斯曼 申请人:菲尼克斯电气公司