云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院的研究人員和淑芬、沈勇、范雄濤、王鏡程，在2018年第2期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)的用于工業(yè)自動化的創(chuàng)新的、開放的現(xiàn)場總線協(xié)議，支持分散式現(xiàn)場設(shè)備和對時間苛求的系統(tǒng)，以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的集成。

本文詳細(xì)分析了PROFINET協(xié)議構(gòu)架、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)組建和協(xié)議性能。通過搭建PROFINET實(shí)時以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信平臺模擬工廠自動化現(xiàn)場情況，采用了西門子Scalance交換機(jī)的獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)端口鏡像功能，實(shí)現(xiàn)了完整的實(shí)時以太網(wǎng)報(bào)文的抓取、保存和統(tǒng)計(jì)。

結(jié)合Wireshark網(wǎng)絡(luò)報(bào)文統(tǒng)計(jì)和分析工具，對PROFINET網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)分析，對PROFINET網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行研究和評估，深入解析PROFINET IO系統(tǒng)啟動前尋址前所有的實(shí)時報(bào)文，精確分析到每個數(shù)據(jù)的剖析。包含用于名稱解析和分配地址解析的所有服務(wù)。

在系統(tǒng)工程期間，控制器更容易標(biāo)識現(xiàn)場設(shè)備以及在協(xié)議棧中有利于上下文管理。同時也將DCP與LLDP服務(wù)結(jié)合使用，高層控制器就能夠再現(xiàn)系統(tǒng)拓?fù)?，并?shí)現(xiàn)替換設(shè)備無需額外工具。

1 PROFINET IO協(xié)議構(gòu)架

實(shí)時協(xié)議保證了周期數(shù)據(jù)和事件控制消息（警報(bào)）的高性能傳輸。它分為以下三種類型（RTC：Real TimeClass，實(shí)時類型）（見圖1）。

圖1PROFINET 通信協(xié)議

標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊遵循IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)，采用4層的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，如表1所示。在進(jìn)行TCP/IP通訊時，協(xié)議棧需要在模型的第3層和第4層對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行打包和解包。

另外，増加的報(bào)頭信息會加長通信幀的長度，使得數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)臅r間變長，也會加重處理器的負(fù)擔(dān)。PROFINET通過對標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通訊進(jìn)行優(yōu)化，提髙了通信的實(shí)時性。

表1  PROFINET與ISO/OSI模型的對應(yīng)關(guān)系

如圖2所示，PROFINET實(shí)時協(xié)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(huán)節(jié)，同時也使得幀的長度大為減少。由于沒有使用第3層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，PROFINET實(shí)時通信并不具備路由的功能。

圖2 PROFINET對標(biāo)準(zhǔn)TCP（UDP）/IP協(xié)議的優(yōu)化

2 PROFINET IO系統(tǒng)工程

2.1配置系統(tǒng)

用SIMATIC STEP 7進(jìn)行PROFINET IO組態(tài)，創(chuàng)建新項(xiàng)目，利用GSD文件，導(dǎo)入新PROFINET IO設(shè)備，IO控制器的組態(tài)，PROFINET IO系統(tǒng)的組態(tài)，IO設(shè)備的插入和組態(tài)，PROFINET IO設(shè)備名字的分配/檢查，生成用戶程序，加載組態(tài)和用戶程序，對項(xiàng)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(tǒng)核心，創(chuàng)建ProfiNet實(shí)時以太網(wǎng)， ET200SP 從站模塊，采集現(xiàn)場數(shù)字量和模擬量信號。通過采用Scalance交換機(jī)，ProfiNet主站與Profinet IO從站進(jìn)行通信，監(jiān)聽計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)接入該網(wǎng)絡(luò)，具體網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)組成

圖4 Profinet網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽結(jié)構(gòu)

如圖4所示：Scalance交換機(jī)端口P1接PLC S7-1500，端口P2接SIMATIC-PC，端口P3接 Sniffer，端口P4接ET200SP。

本文通過以上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接方式，深入分析啟動前網(wǎng)絡(luò)配置報(bào)文、循環(huán)周期數(shù)據(jù)報(bào)文以及網(wǎng)絡(luò)故障報(bào)文等信息[2]。實(shí)時以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的復(fù)雜性，因此，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)聽的重要任務(wù)就是捕獲以太網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)包[3]。

2.3 PROFINET報(bào)文監(jiān)聽

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文，在數(shù)據(jù)傳遞過程中最常遇到的是交換機(jī)。交換機(jī)接收來自各個端口的數(shù)據(jù)，以最優(yōu)的傳輸路徑、最快的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的端口。這樣就避免了數(shù)據(jù)碰撞，使得每個端口都擁有最大得傳輸速率。因此，本文引入了高級Scalance X208交換機(jī)，利用其特有的端口映射功能，改變網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)走向。

Scalance X208是一款多端口的高級交換機(jī)，具備多種網(wǎng)絡(luò)管理功能，并提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)路由功能[4]。該交換機(jī)具有8個10/100Mbit/s RJ45端口，設(shè)計(jì)適合新型拓?fù)洌邆浼傻?/span>SNMP訪問、Web診斷以及PROFINET診斷。端口映射功能，就可以通過默認(rèn)的 Web 網(wǎng)頁方式進(jìn)行管理[5]。

西門子工業(yè)交換機(jī)的配置軟件，主要用來配置西門子Sacanlace交換機(jī)，Primary SetupTool (PST) 軟件用于為SIMATIC NET網(wǎng)絡(luò)組件、以太網(wǎng)CP及網(wǎng)關(guān)分配地址(比如 IP地址)[6]。使用PST軟件，進(jìn)入交換機(jī)管理，里面設(shè)置交換機(jī)IP地址。在這里把交換機(jī)的地址設(shè)置為192.168.0.203。固有的MAC地址：00-1B-1B-4E-E5-92，如圖5所示。

圖5 PST 配置

用這個軟件給交換機(jī)設(shè)置IP地址，之后可以用IE瀏覽器訪問交換機(jī)內(nèi)部的WEB管理頁面對交換機(jī)進(jìn)行配置。在Switch設(shè)置中SwitchConfiguration中設(shè)置映射端口。

把實(shí)時以太網(wǎng)Profinet實(shí)時報(bào)文，通過西門子Profinet主站PLCS7-1500將由物理接口傳送到Scalance Switch交換機(jī)的第4號端口，發(fā)送到第1號端口，傳送到ET200SP從站，同時交換機(jī)將數(shù)據(jù)實(shí)時報(bào)文復(fù)制后發(fā)送到第 3 號端口，從而完成Wireshark對報(bào)文數(shù)據(jù)的抓取整理過程。

使得所有流入、流出端口4的所有數(shù)據(jù)，都全部傳輸?shù)蕉丝?/span> 3，交給Sniffer監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)流可以進(jìn)行Profinet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析[7]。

圖6 PN-DCP的報(bào)文

圖7 啟動前尋址的報(bào)文

如圖6和圖7所示：用Wireshark抓取的“連接過程數(shù)據(jù)幀”中：

數(shù)據(jù)幀5224：PROFINET  DCP，Set Req（IO控制器向IO設(shè)備發(fā)送請求），將參數(shù)寫入設(shè)備[8]。

數(shù)據(jù)幀5225：對確認(rèn)請求的響應(yīng)（PROFINET DCP，Set Ok，Response Ok），已經(jīng)搜索到需要的設(shè)備。

數(shù)據(jù)幀5226：PLCS7-1500向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個廣播呼叫（目的地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF），僅具有指定IP地址的節(jié)點(diǎn)做出應(yīng)答。之后的數(shù)據(jù)幀，給ARP請求提供響應(yīng)，找到對應(yīng)的子網(wǎng)中具有該IP地址的的ET200 SP。設(shè)置請求，向IO設(shè)備寫入一個參數(shù)（此時是IP地址），設(shè)置響應(yīng)（請求確認(rèn)）。

3  PROFINET I/O 系統(tǒng)啟動前的尋址

基于下載的組態(tài)數(shù)據(jù)，控制器在分配IP地址時首先檢查所組態(tài)的名稱是否存在。如果具有有所請求名稱的相應(yīng)IO現(xiàn)場設(shè)備作出回答，則控制器檢查IP地址是否已經(jīng)存于該設(shè)備中[9]。在分配IP地址前另一個順序是使用標(biāo)準(zhǔn)IP服務(wù)ARP（地址解析協(xié)議）進(jìn)行地址解析[10]。

IP地址設(shè)置好后，I/O控制器利用設(shè)置的IP地址發(fā)送AR-Setup數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用關(guān)系組態(tài)，PROFINET現(xiàn)場設(shè)備在可以開始通信之前，必須在系統(tǒng)啟動前基于“NameOfStation”被分配IP地址。在真正建立連接之前，IO設(shè)備就已經(jīng)分配了名字，IO設(shè)備的名字為ioxadevicexb1652a。這個順序如圖8所示：

圖8 用DCP給IO設(shè)備分配IP地址的序列

3.1 名稱解析

設(shè)備名稱（“Name Of Station”）必須分配給每個PROFINET設(shè)備，且必須記憶性地保存在現(xiàn)場設(shè)備中。該名稱可以由工程工具使用DCP協(xié)議（默認(rèn)集成PROFINET現(xiàn)場設(shè)備中）在系統(tǒng)調(diào)試前分配。

發(fā)現(xiàn)和基本配置協(xié)議如表2所示：

表2 給IO設(shè)備分配名字的服務(wù)

1）標(biāo)識（Identify）請求（系統(tǒng)啟動前的名稱解析）

在為設(shè)備分配IP地址的順序中，“DCP.Identify.req”務(wù)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(tài)的名稱（“NameOfStation”度大于零）。僅具有指定名稱的設(shè)備才做出應(yīng)答。如表3所示，Identify服務(wù)是DCP協(xié)議的一部分，用于地址分配并默認(rèn)集成在PROFINET中。“DCP.Identify.req”幀是實(shí)時幀，其Ethertype為0x8892。

幀中相關(guān)數(shù)據(jù)的解釋如下：

Identify Request：是一個多播幀因?yàn)槠淠康牡刂凡淮_定。當(dāng)Dest.Addr（目的地址）使用01-0E-FC-00-00-00時標(biāo)識PNO組播地址。僅PROFINET設(shè)備響應(yīng)這個地址。

DCP Data：IO設(shè)備的名字為ioxadevicexb1652a；

Identify 服務(wù)是DCP協(xié)議的一部分，用于地址分配并默認(rèn)集成在PROFINET中。PLC通過PNO多播地址（01-0E-CF-00-00-00）發(fā)送的，控制器直接請求所組態(tài)的名稱（ioxadevicexb1652a），僅具有指定名稱的設(shè)備才做出應(yīng)答。

DCP  Header頭部：包含服務(wù)標(biāo)識符、事務(wù)編號、參數(shù)化長度，以及應(yīng)答某個搜索條件的超時值。

DCP  Data數(shù)據(jù)：該字段更詳細(xì)地規(guī)定了通信的數(shù)據(jù)，但不包含用于標(biāo)識的狀態(tài)信息。

2）標(biāo)識（Identify）響應(yīng)

“DCP.Identify.res”幀是實(shí)時幀，其Ethertype為0x8892?？刂破魍ㄟ^它來接收滿足搜索條件的相應(yīng)站點(diǎn)的應(yīng)答。必須包含以下數(shù)據(jù)如表4所示：IP參數(shù)、“NameOfStation”、設(shè)備ID、設(shè)備角色和設(shè)備選項(xiàng)；尋求一個特定的名稱（已經(jīng)搜索到需要尋找的設(shè)備名字）。

表3“DCP.Identify”的幀結(jié)構(gòu)

表4 “DCP.Identify.res”數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.2地址解析

1）地址解析協(xié)議（ARP）

ARP請求：通過ARP，控制器發(fā)出Identify服務(wù)詢問IP地址是否已經(jīng)存在于系統(tǒng)中?？刂破飨蛩泄?jié)點(diǎn)發(fā)送一個廣播呼叫（目的地址= FF-FF-FF-FF-FF-FF），僅具有指定IP地址的節(jié)點(diǎn)做出應(yīng)答。該呼叫通過“ARP”超時進(jìn)行時間監(jiān)視。“ARP”是標(biāo)準(zhǔn)的IT服務(wù)。如表5所示。

2）設(shè)置（Set）請求

“ARP”服務(wù)超時后，控制器開始為設(shè)備分配IP?？刂破魍ㄟ^“DCPSet.req”將參數(shù)寫入設(shè)備，如表6所示。

3）設(shè)置（Set）響應(yīng)

通過“DCPSet.res”幀，控制器接收對“DCPSet.req”的確認(rèn)，如表7所示。

表5 ARP數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表6 “DCPSet.req”數(shù)據(jù)幀

表7“DCPSet.res”數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4現(xiàn)場設(shè)備的編址

DCP協(xié)議用作名稱/地址解析的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)“設(shè)備更換無需編程設(shè)備”全部概念的一部分。能夠利用LLDP服務(wù)來確定基于端口到端口的鄰居設(shè)備的數(shù)據(jù)，在這種情況下，DCP僅提供允許該功能與LLDP（鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議，即鄰居探測）結(jié)合使用的基本機(jī)制[11]。通過組合這兩種服務(wù)，可以在控制器或工程工具中再現(xiàn)系統(tǒng)拓?fù)?，并?shí)現(xiàn)設(shè)備替換而無需其他工具。

PROFINET采用了符合IEEE802.1AB的LLDP協(xié)議來探測鄰居（如圖9）。因此，系統(tǒng)操作員必須確保所有的現(xiàn)場設(shè)備與交換機(jī)都具有LLDP功能，能夠通過每個交換機(jī)端口與相連的鄰居設(shè)備交換現(xiàn)有的地址信息。因此，相鄰設(shè)備可以被明確標(biāo)識并確定其物理位置。LLDP幀的數(shù)據(jù)單元至少包含以下信息：

發(fā)送端口的Port ID；設(shè)備MAC地址或設(shè)備名稱；向目的端口發(fā)送LLDP幀的周期時間；

OID（組織標(biāo)識符）值為24686標(biāo)識該幀為PROFINET發(fā)出的幀。

圖9 PROFINET采用LLDP交換鄰居信息

結(jié)合使用默認(rèn)集成在PROFINET中的DCP協(xié)議或使用SNMP，控制器可以從現(xiàn)場設(shè)備中讀出LLDP信息。這樣，就可能在高層控制器中再現(xiàn)完整的自動化系統(tǒng)，并方便在工程系統(tǒng)中顯示系統(tǒng)診斷。此外，在出現(xiàn)故障的情況下，具有新MAC地址的替換設(shè)備可以自動啟用，如果新的現(xiàn)場設(shè)備中具有正確的名稱或沒有名稱。

5 小結(jié)

本文建立一個簡單的PROFINET網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，通過搭建實(shí)時以太網(wǎng)PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)來模擬工廠自動化現(xiàn)場的實(shí)際情況，雖然實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場會使用更多的設(shè)備，采用更多復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是在通信通道內(nèi)，數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容和結(jié)構(gòu)是一致的，因此本文將能夠幫助自動化工程師加深對PROFINET IO通信的理解，從而更好選擇PROFINET產(chǎn)品。

采用西門子Scalance交換機(jī)的獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)端口鏡像功能，采用以太網(wǎng)分析軟件Wireshark進(jìn)行分析，對已有大量的數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行各類獨(dú)立的分析和統(tǒng)計(jì)，給出PROFINET實(shí)時以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際啟動前的性能結(jié)果。

為將來的PROFINET對實(shí)時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的偵聽、網(wǎng)絡(luò)診斷和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性分析等奠定基礎(chǔ)，同時，現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)人員和系統(tǒng)操作人員對于標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文以及制造商特定報(bào)文會具有良好的協(xié)調(diào)性。

還分析了PROFINET采用LLDP協(xié)議和DCP協(xié)議結(jié)合使用，通過LLDP探測鄰居，無需組態(tài)工具就可以進(jìn)行設(shè)備替換。方便系統(tǒng)操作員遇現(xiàn)場設(shè)備故障時，進(jìn)行短時間內(nèi)替換。因此，這需要進(jìn)行深入研究PROFINET技術(shù)的方向和課題。