內蒙古西門子觸摸屏代理商

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支持分散式現場設備和對時間苛求的系統，以及基于組件的分布式自動化系統的集成。

本文詳細分析了PROFINET協議構架、網絡拓撲、網絡組建和協議性能。通過搭建PROFINET實時以太網網絡通信平臺模擬工廠自動化現場情況，采用了西門子Scalance交換機的*的網絡端*像功能，實現了完整的實時以太網報文的抓取、保存和統計。

結合Wireshark網絡報文統計和分析工具，對PROFINET網絡協議進行了詳細分析，對PROFINET網絡性能進行研究和評估，深入解析PROFINET IO系統啟動前尋址前所有的實時報文，精確分析到每個數據的剖析。包含用于名稱解析和分配地址解析的所有服務。

在系統工程期間，控制器更容易標識現場設備以及在協議棧中有利于上下文管理。同時也將DCP與LLDP服務結合使用，高層控制器就能夠再現系統拓撲，并實現替換設備無需額外工具。

1 PROFINET IO協議構架

實時協議保證了周期數據和事件控制消息（警報）的高性能傳輸。它分為以下三種類型（RTC：Real TimeClass，實時類型）（見圖1）。

圖1PROFINET 通信協議

標準的TCP/IP通訊遵循IEEE802.1標準，采用4層的網絡模型結構，包括物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層，如表1所示。在進行TCP/IP通訊時，協議棧需要在模型的第3層和第4層對數據幀進行打包和解包。

另外，増加的報頭信息會加長通信幀的長度，使得數據處理和傳輸的時間變長，也會加重處理器的負擔。PROFINET通過對標準TCP/IP通訊進行優化，提髙了通信的實時性。

表1 PROFINET與ISO/OSI模型的對應關系

如圖2所示，PROFINET實時協議去掉了TCP/IP通信的第3層和第4層，也就省去了打包和解包的環節，同時也使得幀的長度大為減少。由于沒有使用第3層的網絡協議，PROFINET實時通信并不具備路由的功能。

圖2 PROFINET對標準TCP（UDP）/IP協議的優化

2 PROFINET IO系統工程

2.1配置系統

用SIMATIC STEP 7進行PROFINET IO組態，創建新項目，利用GSD文件，導入新PROFINET IO設備，IO控制器的組態，PROFINET IO系統的組態，IO設備的插入和組態，PROFINET IO設備名字的分配/檢查，生成用戶程序，加載組態和用戶程序，對項目形成文檔并存檔[1]，如圖1 所示：

采用CPU 1516-3 PN/DP和ET200SP為系統核心，創建ProfiNet實時以太網， ET200SP 從站模塊，采集現場數字量和模擬量信號。通過采用Scalance交換機，ProfiNet主站與Profinet IO從站進行通信，監聽計算機通過交換機接入該網絡，具體網絡配置如圖3所示：

圖3 PROFINET的測試硬件工程配置

其軟件配置如下：

PLC S7-1500：

IP地址：192.168.0.100

MAC地址：28-63-36-88-07-E1

SIMATIC-PC：

IP地址：192.168.0.201

MAC地址：D4-3D-7E-40-9B-3B

Sniffer ：

IP地址：192.168.0.103

MAC地址：04-7D-7B-91-DE-08

ET200SP：

IP地址：192.168.0.101

MAC地址：28-63-36-2B-94-0C

2.2網絡組成

圖4 Profinet網絡監聽結構

如圖4所示：Scalance交換

用這個軟件給交換機設置IP地址，之后可以用IE瀏覽器訪問交換機內部的WEB管理頁面對交換機進行配置。在Switch設置中SwitchCon

圖7 啟動前尋址的報文

如圖6和圖7所示：用Wireshark抓取的“000000000000000000連接過程數據幀”中：

數據幀5224：PROF認請求的響應（PROFINET DCP，Set Ok，Response Ok），已經搜索到需要的設備。

數據幀5226：PLCS7-1500向所有節點發送一個廣播呼叫（目的地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF），僅具有IP地址的節點做出應答。之后的數據幀，給ARP請求提供響應，找到對應的子網中具有該IP地址的的ET200 SP。設置請求，向IO設備寫入一個參數（此時是IP地址），設置響應（請求確認）。

3 PROFINET I/O 系統啟動前的尋址

基于下載的組態數據，控制器在分配IP地址時首先檢查所組態的名稱是否存在。如果具有有所請求名稱的相應IO現場設備作出回答，則控制器檢查IP地址是否已經存于該設備中[9]。在分配IP地址前另一個順序是使用標準IP服務ARP（地址解析協議）進行地址解析[10]。

IP地址設置好后，I/O控制器利用設置的IP地址發送AR-Setup數據進行應用關系組態，PROFINET現場設備在可以開始通信之前，必須在系統啟動前基于“NameOfStation”被分配IP地址。在真正建立連接之前，IO設備就已經分配了名字，IO設備的名字為ioxadevicexb1652a。這個順序如圖8所示：

圖8 用DCP給IO設備分配IP地址的序列

3.1 名稱解析

設備名稱（“Name Of Station”）必須分配給每個PROFINET設備，且必須記憶性地保存在現場設備中。該名稱可以由工程工具使用DCP協議（默認集成PROFINET現場設備中）在系統調試前分配。

發現和基本配置協議如表2所示：

表2 給IO設備分配名字的服務

1）標識（Identify）請求（系統啟動前的名稱解析）

在為設備分配IP地址的順序中，“DCP.Identify.req”務與“Search for a name（尋找一個名稱）”的順序一樣。然而，在這個階段，控制器直接請求所組態的名稱（“NameOfStation”度大于零）。僅具有名稱的設備才做出應答。如表3所示，Identify服務是DCP協議的一部分，用于地址分配并默認集成在PROFINET中。“DCP.Identify.req”幀是實時幀，其Ethertype為0x8892。

幀中相關數據的解釋如下：

Identify Request：是一個多播幀因為其目的地址不確定。當Dest.Addr（目的地址）使用01-0E-FC-00-00-00時標識PNO組播地址。僅PROFINET設備響應這個地址。

DCP Data：IO設備的名字為ioxadevicexb1652a；

Identify 服務是DCP協議的一部分，用于地址分配并默認集成在PROFINET中。PLC通過PNO多播地址（01-0E-CF-00-00-00）發送的，控制器直接請求所組態的名稱（ioxadevicexb1652a），僅具有名稱的設備才做出應答。

DCP Header頭部：包含服務標識符、事務編號、參數化長度，以及應答某個搜索條件的超時值。

DCP Data數據：該字段更詳細地規定了通信的數據，但不包含用于標識的狀態信息。

2）標識（Identify）響應

“DCP.Identify.res”幀是實時幀，其Ethertype為0x8892。控制器通過它來接收滿足搜索條件的相應站點的應答。必須包含以下數據如表4所示：IP參數、“NameOfStation”、設備ID、設備角色和設備選項；尋求一個特定的名稱（已經搜索到需要尋找的設備名字）。

表3“DCP.Identify”的幀結構

表4 “DCP.Identify.res”數據幀結構

3.2地址解析

1）地址解析協議（ARP）