PROFINET是一種廣泛應用于工業自動化領域的通信協議，由PROFIBUS國際組織開發，基于以太網技術，支持工業控制系統和設備（如傳感器、執行器和其他控制器）之間的通信。本文將對PROFINET通訊協議的報文進行詳細解析，涵蓋其體系結構、工作原理、報文類型、通信過程等方面，以期為相關技術人員提供高質量的參考。

一、PROFINET協議概述

PROFINET協議自推出以來，發展迅猛，已成為工業自動化領域的主流通信協議之一。截至2019年，全球已有超過25萬個PROFINET IO節點和超過500萬個PROFINET IO設備在使用。PROFINET在制造業、汽車工業、食品和飲料工業、能源和水處理工業等多個行業中得到了廣泛應用。

PROFINET采用分層體系結構，包括物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。物理層采用標準以太網電纜和連接器，支持多種傳輸速率和距離。數據鏈路層采用PROFINET IO協議，支持實時數據傳輸和網絡管理。網絡層采用TCP/IP協議，支持多種網絡拓撲結構和路由策略。應用層則采用PROFINET協議，支持多種設備和控制器之間的通信和協作。

二、PROFINET報文類型及結構

PROFINET通訊協議下的報文類型多樣，根據通信需求的不同，報文的結構和功能也有所差異。以下是對幾種主要報文類型的解析：

設備名稱分配報文（DCP）

PROFINET通訊過程大致包含分配設備名稱、啟動前尋址、建立連接、周期性通訊四個方面。在分配設備名稱時，使用“DCP”報文。該協議默認集成在每個PROFINET設備中。

DCP Set請求報文：主站向從站發出分配設備名稱的請求，報文中包含設備名稱等信息。

DCP Set響應報文：從站向主站回復設備名稱分配成功的響應。

尋址及連接建立報文

在系統啟動前，控制器會對網絡中的所有PROFINET設備進行尋址，并進行主從站的配置寫入。尋址及連接建立過程涉及以下報文：

DCP Identify請求報文：主站發出檢查所組態名稱是否存在的請求。

DCP Identify響應報文：從站回復確認設備名稱存在的響應。

DCP Set IP請求報文：主站向從站發出設置IP地址的請求。

DCP Set IP響應報文：從站回復確認IP地址設置成功的響應。

ARP請求報文：主站發送ARP請求報文確認設備IP地址是否修改成功。

ARP響應報文：從站回復ARP報文確認IP地址修改成功。

Connect.req報文：主站發出建立連接的請求。

Connect.res OK報文：從站回復連接建立成功的響應。

Write.req報文：主站使用Write幀報文參數化已組態的子模塊。

Write.res OK報文：從站回復子模塊參數配置下載成功的響應。

DControl.req報文：主站使用DControl幀報文標記參數化配置結束。

DControl.res OK報文：從站確認控制器參數化配置已下載完成。

CControl.req報文：從站通知控制器已準備好進行數據通信。

CControl.res OK報文：控制器回復確認通信準備完成。

周期性通訊報文

周期性通訊主要處理I/O過程數據，使用包括PZD或者PKW+PZD的報文。這種通訊方式在每個通信周期都會在PLC（主站）和驅動器（從站）之間進行過程數據的交互，實時性較高。

PZD報文：僅包含過程數據，如控制字、主設定值、狀態字、反饋字等。

PKW+PZD報文：包含參數數據（PKW）和過程數據（PZD）。

非周期性通訊報文

非周期性通訊主要處理實時性要求低于PZD過程數據的記錄數據，可以在需要讀寫該類數據時觸發通信。

WRREC報文：用于寫多個參數。

RDREC報文：用于讀多個參數。

SINAPARA報文：用于寫單個參數。

SINAPARAS報文：用于讀單個參數。

三、PROFINET報文解析實例

以下以西門子1200系列PLC與北京驥遠開發的PN從站網關進行通訊連接為例，使用Wireshark軟件抓取并分析PROFINET通訊報文。

設備名稱分配

在分配設備名稱時，主站向從站發出DCP Set請求報文，報文中包含設備名稱“entalk-300”，并執行永久性分配。從站回復DCP Set響應報文，確認設備名稱分配成功。

尋址及連接建立

在系統啟動前的尋址過程中，主站發出DCP Identify請求報文，檢查所組態的名稱是否存在。從站回復DCP Identify響應報文，確認設備名稱存在。隨后，主站發出DCP Set IP請求報文，設置從站設備的IP地址。從站回復DCP Set IP響應報文，確認IP地址設置成功。主站通過ARP請求報文確認設備IP地址是否修改成功，從站回復ARP響應報文確認IP地址修改成功。

連接建立階段，主站發出Connect.req報文建立連接，從站回復Connect.res OK報文確認連接建立成功。主站使用Write.req報文參數化已組態的子模塊，從站回復Write.res OK報文確認參數配置下載成功。主站使用DControl.req報文標記參數化配置結束，從站回復DControl.res OK報文確認配置完成。從站使用CControl.req報文通知控制器已準備好進行數據通信，控制器回復CControl.res OK報文確認通信準備完成。

周期性通訊

在PLC和驅動器之間的周期性通訊中，主站和從站通過PZD或PKW+PZD報文進行過程數據的交互。每個通信周期，主站和從站都會發送和接收相應的報文，確保數據的實時性和準確性。

非周期性通訊

當需要讀寫非周期性數據時，主站通過觸發方式發送WRREC、RDREC、SINAPARA或SINAPARAS報文，從站根據請求進行參數的讀寫操作，并回復相應的響應報文。

四、PROFINET協議優缺點及未來發展方向

PROFINET協議具有高效性、靈活性、可擴展性和易于集成等優點。它支持高速、可靠、精確的實時數據傳輸和網絡通信，可以滿足工業自動化領域的實時和非實時通信需求。同時，PROFINET支持多種網絡拓撲結構和冗余機制，提高了網絡的可靠性和穩定性。此外，PROFINET還支持多種設備和應用，易于集成和配置，降低了設備的安裝和調試難度。

然而，PROFINET協議也存在一些缺點。作為一種高級通信協議，其學習和實現成本較高，需要專業的工程師和技術人員進行支持和管理。同時，PROFINET網絡的配置和維護也需要較高的技能和經驗。此外，PROFINET網絡需要較高的硬件和軟件成本，包括PROFINET控制器、PROFINET IO設備、網絡交換機等。安全性方面，PROFINET網絡通信需要進行專門的配置和管理，包括防火墻、數據加密、身份驗證等。

未來，PROFINET協議的發展方向將主要適應工業4.0的需求，加強安全保障，提高實時性和性能，加強智能化和可視化功能，并擴展應用范圍。隨著工業4.0的快速發展，PROFINET將越來越注重設備之間的互聯和數據的共享，提供更加靈活、高效和智能化的解決方案。同時，隨著網絡安全威脅和攻擊的日益普遍，PROFINET將更加注重網絡通信的安全性，提供更加完善的安全保障措施。此外，PROFINET還將繼續提高實時性和性能，以滿足工業自動化設備和系統對實時性和性能的要求。

五、結論

PROFINET通訊協議作為一種先進的工業自動化通信協議，具有高效性、靈活性、可擴展性和易于集成等優點，在工業自動化領域得到了廣泛應用。通過對PROFINET報文的詳細解析，我們可以更好地理解其工作原理和通信過程，為相關技術人員提供高質量的參考。未來，隨著工業4.0的發展和安全需求的提升，PROFINET協議將繼續發揮其重要作用，推動工業自動化領域的不斷創新和發展。