PROFINET通讯协议报文解析

PROFINET是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，由PROFIBUS国际组织开发，基于以太网技术，支持工业控制系统和设备（如传感器、执行器和其他控制器）之间的通信。本文将对PROFINET通讯协议的报文进行详细解析，涵盖其体系结构、工作原理、报文类型、通信过程等方面，以期为相关技术人员提供高质量的参考。

一、PROFINET协议概述

PROFINET协议自推出以来，发展迅猛，已成为工业自动化领域的主流通信协议之一。截至2019年，全球已有超过25万个PROFINET IO节点和超过500万个PROFINET IO设备在使用。PROFINET在制造业、汽车工业、食品和饮料工业、能源和水处理工业等多个行业中得到了广泛应用。

PROFINET采用分层体系结构，包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。物理层采用标准以太网电缆和连接器，支持多种传输速率和距离。数据链路层采用PROFINET IO协议，支持实时数据传输和网络管理。网络层采用TCP/IP协议，支持多种网络拓扑结构和路由策略。应用层则采用PROFINET协议，支持多种设备和控制器之间的通信和协作。

二、PROFINET报文类型及结构

PROFINET通讯协议下的报文类型多样，根据通信需求的不同，报文的结构和功能也有所差异。以下是对几种主要报文类型的解析：

设备名称分配报文（DCP）

PROFINET通讯过程大致包含分配设备名称、启动前寻址、建立连接、周期性通讯四个方面。在分配设备名称时，使用“DCP”报文。该协议默认集成在每个PROFINET设备中。

DCP Set请求报文：主站向从站发出分配设备名称的请求，报文中包含设备名称等信息。

DCP Set响应报文：从站向主站回复设备名称分配成功的响应。

寻址及连接建立报文

在系统启动前，控制器会对网络中的所有PROFINET设备进行寻址，并进行主从站的配置写入。寻址及连接建立过程涉及以下报文：

DCP Identify请求报文：主站发出检查所组态名称是否存在的请求。

DCP Identify响应报文：从站回复确认设备名称存在的响应。

DCP Set IP请求报文：主站向从站发出设置IP地址的请求。

DCP Set IP响应报文：从站回复确认IP地址设置成功的响应。

ARP请求报文：主站发送ARP请求报文确认设备IP地址是否修改成功。

ARP响应报文：从站回复ARP报文确认IP地址修改成功。

Connect.req报文：主站发出建立连接的请求。

Connect.res OK报文：从站回复连接建立成功的响应。

Write.req报文：主站使用Write帧报文参数化已组态的子模块。

Write.res OK报文：从站回复子模块参数配置下载成功的响应。

DControl.req报文：主站使用DControl帧报文标记参数化配置结束。

DControl.res OK报文：从站确认控制器参数化配置已下载完成。

CControl.req报文：从站通知控制器已准备好进行数据通信。

CControl.res OK报文：控制器回复确认通信准备完成。

周期性通讯报文

周期性通讯主要处理I/O过程数据，使用包括PZD或者PKW+PZD的报文。这种通讯方式在每个通信周期都会在PLC（主站）和驱动器（从站）之间进行过程数据的交互，实时性较高。

PZD报文：仅包含过程数据，如控制字、主设定值、状态字、反馈字等。

PKW+PZD报文：包含参数数据（PKW）和过程数据（PZD）。

非周期性通讯报文

非周期性通讯主要处理实时性要求低于PZD过程数据的记录数据，可以在需要读写该类数据时触发通信。

WRREC报文：用于写多个参数。

RDREC报文：用于读多个参数。

SINAPARA报文：用于写单个参数。

SINAPARAS报文：用于读单个参数。

三、PROFINET报文解析实例

以下以西门子1200系列PLC与北京骥远开发的PN从站网关进行通讯连接为例，使用Wireshark软件抓取并分析PROFINET通讯报文。

设备名称分配

在分配设备名称时，主站向从站发出DCP Set请求报文，报文中包含设备名称“entalk-300”，并执行永久性分配。从站回复DCP Set响应报文，确认设备名称分配成功。

寻址及连接建立

在系统启动前的寻址过程中，主站发出DCP Identify请求报文，检查所组态的名称是否存在。从站回复DCP Identify响应报文，确认设备名称存在。随后，主站发出DCP Set IP请求报文，设置从站设备的IP地址。从站回复DCP Set IP响应报文，确认IP地址设置成功。主站通过ARP请求报文确认设备IP地址是否修改成功，从站回复ARP响应报文确认IP地址修改成功。

连接建立阶段，主站发出Connect.req报文建立连接，从站回复Connect.res OK报文确认连接建立成功。主站使用Write.req报文参数化已组态的子模块，从站回复Write.res OK报文确认参数配置下载成功。主站使用DControl.req报文标记参数化配置结束，从站回复DControl.res OK报文确认配置完成。从站使用CControl.req报文通知控制器已准备好进行数据通信，控制器回复CControl.res OK报文确认通信准备完成。

周期性通讯

在PLC和驱动器之间的周期性通讯中，主站和从站通过PZD或PKW+PZD报文进行过程数据的交互。每个通信周期，主站和从站都会发送和接收相应的报文，确保数据的实时性和准确性。

非周期性通讯

当需要读写非周期性数据时，主站通过触发方式发送WRREC、RDREC、SINAPARA或SINAPARAS报文，从站根据请求进行参数的读写操作，并回复相应的响应报文。

四、PROFINET协议优缺点及未来发展方向

PROFINET协议具有高效性、灵活性、可扩展性和易于集成等优点。它支持高速、可靠、精确的实时数据传输和网络通信，可以满足工业自动化领域的实时和非实时通信需求。同时，PROFINET支持多种网络拓扑结构和冗余机制，提高了网络的可靠性和稳定性。此外，PROFINET还支持多种设备和应用，易于集成和配置，降低了设备的安装和调试难度。

然而，PROFINET协议也存在一些缺点。作为一种高级通信协议，其学习和实现成本较高，需要专业的工程师和技术人员进行支持和管理。同时，PROFINET网络的配置和维护也需要较高的技能和经验。此外，PROFINET网络需要较高的硬件和软件成本，包括PROFINET控制器、PROFINET IO设备、网络交换机等。安全性方面，PROFINET网络通信需要进行专门的配置和管理，包括防火墙、数据加密、身份验证等。

未来，PROFINET协议的发展方向将主要适应工业4.0的需求，加强安全保障，提高实时性和性能，加强智能化和可视化功能，并扩展应用范围。随着工业4.0的快速发展，PROFINET将越来越注重设备之间的互联和数据的共享，提供更加灵活、高效和智能化的解决方案。同时，随着网络安全威胁和攻击的日益普遍，PROFINET将更加注重网络通信的安全性，提供更加完善的安全保障措施。此外，PROFINET还将继续提高实时性和性能，以满足工业自动化设备和系统对实时性和性能的要求。

五、结论

PROFINET通讯协议作为一种先进的工业自动化通信协议，具有高效性、灵活性、可扩展性和易于集成等优点，在工业自动化领域得到了广泛应用。通过对PROFINET报文的详细解析，我们可以更好地理解其工作原理和通信过程，为相关技术人员提供高质量的参考。未来，随着工业4.0的发展和安全需求的提升，PROFINET协议将继续发挥其重要作用，推动工业自动化领域的不断创新和发展。