PROFINET是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信協(xié)議，由PROFIBUS國(guó)際組織開發(fā)，基于以太網(wǎng)技術(shù)，支持工業(yè)控制系統(tǒng)和設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器和其他控制器）之間的通信。本文將對(duì)PROFINET通訊協(xié)議的報(bào)文進(jìn)行詳細(xì)解析，涵蓋其體系結(jié)構(gòu)、工作原理、報(bào)文類型、通信過程等方面，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供高質(zhì)量的參考。

一、PROFINET協(xié)議概述

PROFINET協(xié)議自推出以來，發(fā)展迅猛，已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的主流通信協(xié)議之一。截至2019年，全球已有超過25萬個(gè)PROFINET IO節(jié)點(diǎn)和超過500萬個(gè)PROFINET IO設(shè)備在使用。PROFINET在制造業(yè)、汽車工業(yè)、食品和飲料工業(yè)、能源和水處理工業(yè)等多個(gè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

PROFINET采用分層體系結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜和連接器，支持多種傳輸速率和距離。數(shù)據(jù)鏈路層采用PROFINET IO協(xié)議，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)層采用TCP/IP協(xié)議，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由策略。應(yīng)用層則采用PROFINET協(xié)議，支持多種設(shè)備和控制器之間的通信和協(xié)作。

二、PROFINET報(bào)文類型及結(jié)構(gòu)

PROFINET通訊協(xié)議下的報(bào)文類型多樣，根據(jù)通信需求的不同，報(bào)文的結(jié)構(gòu)和功能也有所差異。以下是對(duì)幾種主要報(bào)文類型的解析：

設(shè)備名稱分配報(bào)文（DCP）

PROFINET通訊過程大致包含分配設(shè)備名稱、啟動(dòng)前尋址、建立連接、周期性通訊四個(gè)方面。在分配設(shè)備名稱時(shí)，使用“DCP”報(bào)文。該協(xié)議默認(rèn)集成在每個(gè)PROFINET設(shè)備中。

DCP Set請(qǐng)求報(bào)文：主站向從站發(fā)出分配設(shè)備名稱的請(qǐng)求，報(bào)文中包含設(shè)備名稱等信息。

DCP Set響應(yīng)報(bào)文：從站向主站回復(fù)設(shè)備名稱分配成功的響應(yīng)。

尋址及連接建立報(bào)文

在系統(tǒng)啟動(dòng)前，控制器會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有PROFINET設(shè)備進(jìn)行尋址，并進(jìn)行主從站的配置寫入。尋址及連接建立過程涉及以下報(bào)文：

DCP Identify請(qǐng)求報(bào)文：主站發(fā)出檢查所組態(tài)名稱是否存在的請(qǐng)求。

DCP Identify響應(yīng)報(bào)文：從站回復(fù)確認(rèn)設(shè)備名稱存在的響應(yīng)。

DCP Set IP請(qǐng)求報(bào)文：主站向從站發(fā)出設(shè)置IP地址的請(qǐng)求。

DCP Set IP響應(yīng)報(bào)文：從站回復(fù)確認(rèn)IP地址設(shè)置成功的響應(yīng)。

ARP請(qǐng)求報(bào)文：主站發(fā)送ARP請(qǐng)求報(bào)文確認(rèn)設(shè)備IP地址是否修改成功。

ARP響應(yīng)報(bào)文：從站回復(fù)ARP報(bào)文確認(rèn)IP地址修改成功。

Connect.req報(bào)文：主站發(fā)出建立連接的請(qǐng)求。

Connect.res OK報(bào)文：從站回復(fù)連接建立成功的響應(yīng)。

Write.req報(bào)文：主站使用Write幀報(bào)文參數(shù)化已組態(tài)的子模塊。

Write.res OK報(bào)文：從站回復(fù)子模塊參數(shù)配置下載成功的響應(yīng)。

DControl.req報(bào)文：主站使用DControl幀報(bào)文標(biāo)記參數(shù)化配置結(jié)束。

DControl.res OK報(bào)文：從站確認(rèn)控制器參數(shù)化配置已下載完成。

CControl.req報(bào)文：從站通知控制器已準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

CControl.res OK報(bào)文：控制器回復(fù)確認(rèn)通信準(zhǔn)備完成。

周期性通訊報(bào)文

周期性通訊主要處理I/O過程數(shù)據(jù)，使用包括PZD或者PKW+PZD的報(bào)文。這種通訊方式在每個(gè)通信周期都會(huì)在PLC（主站）和驅(qū)動(dòng)器（從站）之間進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的交互，實(shí)時(shí)性較高。

PZD報(bào)文：僅包含過程數(shù)據(jù)，如控制字、主設(shè)定值、狀態(tài)字、反饋?zhàn)值取?/p>

PKW+PZD報(bào)文：包含參數(shù)數(shù)據(jù)（PKW）和過程數(shù)據(jù)（PZD）。

非周期性通訊報(bào)文

非周期性通訊主要處理實(shí)時(shí)性要求低于PZD過程數(shù)據(jù)的記錄數(shù)據(jù)，可以在需要讀寫該類數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)通信。

WRREC報(bào)文：用于寫多個(gè)參數(shù)。

RDREC報(bào)文：用于讀多個(gè)參數(shù)。

SINAPARA報(bào)文：用于寫單個(gè)參數(shù)。

SINAPARAS報(bào)文：用于讀單個(gè)參數(shù)。

三、PROFINET報(bào)文解析實(shí)例

以下以西門子1200系列PLC與北京驥遠(yuǎn)開發(fā)的PN從站網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊連接為例，使用Wireshark軟件抓取并分析PROFINET通訊報(bào)文。

設(shè)備名稱分配

在分配設(shè)備名稱時(shí)，主站向從站發(fā)出DCP Set請(qǐng)求報(bào)文，報(bào)文中包含設(shè)備名稱“entalk-300”，并執(zhí)行永久性分配。從站回復(fù)DCP Set響應(yīng)報(bào)文，確認(rèn)設(shè)備名稱分配成功。

尋址及連接建立

在系統(tǒng)啟動(dòng)前的尋址過程中，主站發(fā)出DCP Identify請(qǐng)求報(bào)文，檢查所組態(tài)的名稱是否存在。從站回復(fù)DCP Identify響應(yīng)報(bào)文，確認(rèn)設(shè)備名稱存在。隨后，主站發(fā)出DCP Set IP請(qǐng)求報(bào)文，設(shè)置從站設(shè)備的IP地址。從站回復(fù)DCP Set IP響應(yīng)報(bào)文，確認(rèn)IP地址設(shè)置成功。主站通過ARP請(qǐng)求報(bào)文確認(rèn)設(shè)備IP地址是否修改成功，從站回復(fù)ARP響應(yīng)報(bào)文確認(rèn)IP地址修改成功。

連接建立階段，主站發(fā)出Connect.req報(bào)文建立連接，從站回復(fù)Connect.res OK報(bào)文確認(rèn)連接建立成功。主站使用Write.req報(bào)文參數(shù)化已組態(tài)的子模塊，從站回復(fù)Write.res OK報(bào)文確認(rèn)參數(shù)配置下載成功。主站使用DControl.req報(bào)文標(biāo)記參數(shù)化配置結(jié)束，從站回復(fù)DControl.res OK報(bào)文確認(rèn)配置完成。從站使用CControl.req報(bào)文通知控制器已準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制器回復(fù)CControl.res OK報(bào)文確認(rèn)通信準(zhǔn)備完成。

周期性通訊

在PLC和驅(qū)動(dòng)器之間的周期性通訊中，主站和從站通過PZD或PKW+PZD報(bào)文進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的交互。每個(gè)通信周期，主站和從站都會(huì)發(fā)送和接收相應(yīng)的報(bào)文，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

非周期性通訊

當(dāng)需要讀寫非周期性數(shù)據(jù)時(shí)，主站通過觸發(fā)方式發(fā)送WRREC、RDREC、SINAPARA或SINAPARAS報(bào)文，從站根據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行參數(shù)的讀寫操作，并回復(fù)相應(yīng)的響應(yīng)報(bào)文。

四、PROFINET協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)及未來發(fā)展方向

PROFINET協(xié)議具有高效性、靈活性、可擴(kuò)展性和易于集成等優(yōu)點(diǎn)。它支持高速、可靠、精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通信，可以滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)通信需求。同時(shí)，PROFINET支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和冗余機(jī)制，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，PROFINET還支持多種設(shè)備和應(yīng)用，易于集成和配置，降低了設(shè)備的安裝和調(diào)試難度。

然而，PROFINET協(xié)議也存在一些缺點(diǎn)。作為一種高級(jí)通信協(xié)議，其學(xué)習(xí)和實(shí)現(xiàn)成本較高，需要專業(yè)的工程師和技術(shù)人員進(jìn)行支持和管理。同時(shí)，PROFINET網(wǎng)絡(luò)的配置和維護(hù)也需要較高的技能和經(jīng)驗(yàn)。此外，PROFINET網(wǎng)絡(luò)需要較高的硬件和軟件成本，包括PROFINET控制器、PROFINET IO設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。安全性方面，PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信需要進(jìn)行專門的配置和管理，包括防火墻、數(shù)據(jù)加密、身份驗(yàn)證等。

未來，PROFINET協(xié)議的發(fā)展方向?qū)⒅饕m應(yīng)工業(yè)4.0的需求，加強(qiáng)安全保障，提高實(shí)時(shí)性和性能，加強(qiáng)智能化和可視化功能，并擴(kuò)展應(yīng)用范圍。隨著工業(yè)4.0的快速發(fā)展，PROFINET將越來越注重設(shè)備之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的共享，提供更加靈活、高效和智能化的解決方案。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)安全威脅和攻擊的日益普遍，PROFINET將更加注重網(wǎng)絡(luò)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(xù)提高實(shí)時(shí)性和性能，以滿足工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和性能的要求。

五、結(jié)論

PROFINET通訊協(xié)議作為一種先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議，具有高效性、靈活性、可擴(kuò)展性和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過對(duì)PROFINET報(bào)文的詳細(xì)解析，我們可以更好地理解其工作原理和通信過程，為相關(guān)技術(shù)人員提供高質(zhì)量的參考。未來，隨著工業(yè)4.0的發(fā)展和安全需求的提升，PROFINET協(xié)議將繼續(xù)發(fā)揮其重要作用，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。