第5章 PROFINET基础及安装技术

第5章PROFINET基础及安装技术5.1以太网和IEEE802.35.2因特网与TCP/IP5.3工业以太网和实时以太网5.4
PROFINET基础5.5PROFINET安装技术5.6组态一个简单的PROFINET网络5.1以太网和IEEE802.3
5.1.1以太网的产生5.1.2以太网的物理层1.10Mbit/s和100Mbit/s以太网图5-1IEEE802.3局
域网命名举例5.1以太网和IEEE802.3表5-1IEEE802.3u快速以太网规范概要5.1以太网和IEEE802
.3表5-1IEEE802.3u快速以太网规范概要2.4B/5B、NRZI和MLT-3编码(1)相关编码技术5.1以太网和
IEEE802.3(2)4B/5B编码1)每个5比特码组中不含多于3个“0”；2)或者每个5比特码组中包含不少于2个“1”。表5
-24B/5B编码映射表5.1以太网和IEEE802.3(3)NRZI编码(Non-Return-to-Zero图5-2N
RZI、MLT-3等编码举例(4)MLT-3编码(Multi-Level-31)如果下一个输入为“0”，则电平保持不变；2)如果下
一个输入为“1”，则电平产生跳变，此时又分两种情况：①如果前一输出为“+1”或“-1”，则下一个输出为“0”；5.1以太网和I
EEE802.3②如果前一输出为“0”，则下一个输出的信号极性和最近的一个非“0”相反。5.1.3以太网的数据链路层1.全双
工以太网介质访问控制方式2.以太网帧格式1)1980年DIX制定了EthernetI的标准。2)1982年DIX又制定了Eh
ternetII的标准(即ARPA标准)，取代了EthernetI的标准。3)1982年IEEE开始制定Ethernet的国
际标准IEEE802.3。4)1985年IEEE公布了Ethernet802.3的SAP版本以太网帧格式。5)1985年随
后，IEEE又公布了Ethernet802.3的SNAP(SubNetworkAccessProtocol)版本以太网帧格
式。5.1以太网和IEEE802.3图5-3以太网MAC帧格式1)前导码7字节，表示数据流的开始，每个字节都是“1”和“0
”的交替代码10101010。5.1以太网和IEEE802.32)帧前定界符(StartFrameDelimiter，SF
D)1个字节，用来指示数据帧的开始，该字节编码形式为10101011。3)目标地址和源地址接收方和发送方的MAC地址，分别为6
个字节。4)类型/长度2个字节。5)数据域长度为0~1500个字节，但为了检测碰撞的需要，如果数据区的长度小于46个字节，则自
动在后面增加填充段(padding)(使用字符0)补齐。6)CRC码4字节。3.数据优先权和服务质量(1)虚拟局域网(2)几个标
准5.1以太网和IEEE802.3(3)VLAN帧图5-?4带有IEEE802.1Q头的IEEE802.3帧格式1)TP
ITagProtocolIdentifier，标签协议标识符。2)PPriority，表示报文的802.1P优先级，长度为
3bit，用以设定以太网帧的优先权级别。3)CFICanonicalFormatIndicator，标准格式指示位。4)VI
VLANID，标识该报文所属VLAN的编号，用以惟一标示该帧属于哪一个VLAN。5.1以太网和IEEE802.34.MA
C地址图5-5以太网地址1)00-0E-8C，SIEMENS；2)00-30-DE，WAGO；3)00-0A-45，Phoeni
xContact；4)00-0E-CF，PI；5)00-00-0C，Cisco。特殊MAC地址：1)FF-FF-FF-FF-FF
-FF，广播地址；2)01-EF-CF-00-00-00，PI设备的多播地址；5.1以太网和IEEE802.33)01-80-
C2-00-00-0E，LLDP的多播地址。5.1.4用于以太网的几个功能1.自动协商2.MDI/MDIX自动交叉图5-6自
动交叉和1∶1电缆接线5.1.5以太网中使用的主要设备1.集线器2.网桥3.交换机5.1以太网和IEEE802.3图5-7
集线器工作原理图5-8交换机工作原理图5-9“存储转发式”和“直通式”交换机工作原理4.路由器5.2因特网与TCP/IP5.
2.1概述1.因特网2.TCP/IP图5-10TCP/IP协议族3.TCP/IP与OSI的比较5.2因特网与TCP/IP
图5-11TCP/IP模型和OSI模型层次比较5.2.2TCP/IP各层的功能1.网络层(1)IP协议5.2因特网与TCP/
IP图5-12IPv4数据报格式1)版本号(Vision)4bit。2)报头长度(InternetHeaderLength
，IHL)4bit。3)服务类型(TypeofService，TOS)1个字节。4)数据包长度(TotalLength)
2个字节。5)识别码(Identification，ID)2个字节。5.2因特网与TCP/IP6)标志(Flags)3bi
t。7)分段的偏移(FragmentOffset)13bit。8)生存时间(TimeToLive，TTL)1个字节。9)
协议号(Protocol)1个字节。10)报头检查和(HeaderChecksum)2个字节。11)源IP地址(Source
IPAddress)4个字节，即发送端IP地址。12)目标IP地址(DestinationIPAddress)4个字节
，即接收端IP地址。13)可选项(Options)和填充项(Padding)在PROFINET中未使用。14)数据域(Data)
包括上层报头在内的数据。(2)IP地址1)IP地址组成。5.2因特网与TCP/IP2)IP地址的分类。图5-13IP地址的分
类5.2因特网与TCP/IP表5-3IP网络类型、地址范围和相应的子网掩码3)子网掩码图5-14网络ID、子网ID和主机ID
的划分(3)其他重要协议5.2因特网与TCP/IP1)地址解析协议(AddressResolutionProtocol，AR
P)用于在已知IP地址的情况下确定物理地址。2)反向地址解析协议(ReverseAddressResolutionProt
ocol，RARP)用于在已知物理地址的情况下确定IP地址。3)因特网控制消息协议(InternetControlMessa
geProtocol，ICMP)主要负责因路由问题而引起的差错报告和控制，也可用于网际测试。4)因特网组管理协议(Intern
etGroupManagementProtocol，IGMP)用于多目的传送设备之间的信息交换协议。5)简单网络管理协议(
SimpleNetworkManegmentProtocal，SNMP)为了实现远程网络管理，SNMP定义了一套管理信息存
储、传递的标准，使得各种设备可以被统一管理。5.2因特网与TCP/IP2.传输层(1)端口的概念(2)TCP和UDP图5-15
TCP报头格式1)源端口号(SourcePort)2个字节，即发送端端口号。2)目标端口号(DestinationPort)
2个字节，接收端端口号。3)顺序号(SequenceNumber)4个字节。4)确认应答号(AcknowlegementN
umber)4个字节。5.2因特网与TCP/IP5)数据偏移(DataOffset)4bit。6)保留段(Reserved
)6bit。7)标志代码位(Codebit)6bit。①URG(Urgentflag)：为1时，表示包中有需要紧急处理的
数据。②ACK(Acknowledgementflag)：为1时，表明确认应答号的字段有效。③PSH(Pushflag)：
为1时，表明应当尽快把数据传输给应用程序；为0时，表明允许数据在缓冲器内存放一段时间。④RST(Resetflag)：为1时，
表示要强制切断连接。⑤SYN(Synchronizeflag)：为1时，表明有确立连接的请求，这时就要把顺序号的初始值作为顺序
号字段的值，以便开始通信。⑥FIN(Finflag)：为1时，表明这是通信的最后分段。5.2因特网与TCP/IP8)窗口大小
(Windows)2个字节。9)检查和(checksum)2个字节。10)紧急指针(UrgentPointer)2个字节。
11)可选项(Options)和填充项(Padding)在PROFINET中未使用。图5-16UDP报头格式1)源端口号(So
urcePort)2个字节，发送端端口号。2)目标端口号(DestinationPort)2个字节，即接收端端口号。3)数
据包长度(Length)2个字节。4)检查和(Checksum)2个字节。(3)套接字(Socket)5.2因特网与TCP/
IP图5-17套接字3.应用层5.3工业以太网和实时以太网5.3.1工业以太网图5-18工业以太网帧结构及数据封装过程5.
3.2实时工业以太网5.4PROFINET基础5.4.1概述图5-19PROFINET功能的模块化结构示意图5.4.2P
ROFINET的市场情况5.4PROFINET基础图5-20PROFINET的市场情况(截止到2010年底)5.4.3PRO
FINET和PROFIBUS的主要区别5.4PROFINET基础表5-?4PROFINET和PROFIBUS的比较5.4.4
PROFINET的组成5.4PROFINET基础图5-21PROFINET的组成5.4.5PROFINET的通信协议模型5.
4PROFINET基础图5-22PROFINET通信系统模型和OSI模型的比较5.4.6GSD文件1.XML1)它是关于数
据描述的开发标准；2)在IT领域被广泛接受；3)不依赖于制造商，免费获得编译器；5.4PROFINET基础4)通过XML纲要(s
chema)，可使用随标准工具一起提供的范例数据；5)借助于标准工具，XML文件可转换为其他格式；6)可以获得处理XML文件的数字
工具。2.设备标识图5-23PROFINET的设备标识3.命名规则5.4.7PROFINETIO设备类型1)IO控制器(IO
Controller)一般由PLC来担任该角色，系统运行时，自动循环执行写在PLC中的用户控制程序。5.4PROFINET基
础2)IO监视器(IOSupervisor)用户可以使用IO监视器进行组态、编程，然后把它们下载到IO控制器中；它也可以用来对
系统进行诊断和分析。3)IO设备(IODevices)它们是分散于控制现场的各种装置、设备或子系统，它相当于PROFIBUS
DP中的从站。4)IO参数服务器(IOparameterserver)是一个服务器站，它用来存储和装载IO设备的应用组态数据
(记录数据元素)，它很少使用。5.4.8PROFINET的一致性分类1)CC-A提供PROFINETIO最基本的RT通信、基
于以太网的通信、简单的报警和诊断等功能，PROFINET无线功能只能在CC-A中实现。5.4PROFINET基础2)CC-B在
CC-A的基础上，增加了基于IT机制的网络诊断功能(SNMP)、网络拓扑信息功能(LLDP)等，特别为过程控制使用的系统冗余功能包
含在CC-B中，定义为CC-B(PA)。3)CC-C在CC-B基础上，增加了基于硬件支持的宽范围的等级功能，增加了等时同步控制的
IRT功能。图5-24PROFINET设备的一致性分类5.4PROFINET基础5.4.9从系统组态到运行的工作过程图5-2
5PROFINETIO系统从组态到运行的整个过程5.4PROFINET基础图5-26PORFINET系统的组态到运行过程示
意图5.5PROFINET安装技术5.5.1网络结构1.星形网络图5-27星形网络拓扑5.5PROFINET安装技术2.树
形网络图5-28树形网络拓扑3.环形网络4.线形网络5.5PROFINET安装技术图5-29PROFINET线形网络拓扑5.
5.2电气网络传输介质和连接1.铜缆(1)电缆的电气传输标准5.5PROFINET安装技术表5-5PROFINET电气传输标
准(2)IE1)IEFC标准电缆GP2×2(A型)标准的总线电缆，采用实心导体，适合于快速装配的特殊设计，如图5-30所示。5
.5PROFINET安装技术图5-30PROFINET标准A型电缆及截面2)IEFC标准电缆GP4×2和IEFC软电缆GP
4×2用来设计8芯布线系统，具有吉比特承载能力。3)IEFC软电缆GP2×2(B型)软总线电缆，用于需要偶尔移动的特殊应用。
4)IEFC拖缆GP2×2(C型)很柔软的总线电缆，用于需要偶尔移动的特殊应用。5.5PROFINET安装技术5)IEFC
扭转电缆GP2×2(C型)很柔软的总线电缆，用于需要经常移动的特殊应用(如机械手)。6)IEFC船用电缆2×2特别用于船上的
总线电缆。7)IEFC混合电缆柔性总线电缆，为站点提供通信线路(2×2)和电源线路(2×2)，可以把数据和电源同时供给现场设备
。(3)IE2.连接器(1)IE图5-31RJ45连接器5.5PROFINET安装技术表5-??6RJ45和M12连接器的端
子分配和导线分配(2)M12连接器图5-32M12连接器(3)混合连接器5.5PROFINET安装技术图5-33混合连接器(
4)IE5.5PROFINET安装技术3.电缆安装及装配注意事项(1)安装注意事项1)线缆间距：参考线缆分类，相同类型的线缆(包
括带屏蔽层的电源线)可以放在一起铺设，不同类型的线缆要保持最小的规定距离。2)不同种类线缆的铺设：受条件限制，不同类型的线缆在一起
铺设时，必须使用相互隔离且接地良好的金属管道(或桥架)。3)交叉：不同种类的线缆交叉时要使用直角交叉的规则。4)电缆进入控制柜接地
要求：在开关柜的入口处，进入开关柜的所有电缆的屏蔽层都要连接到等电势焊接导体上，也就是务必让屏蔽层通过大小适当的区域连接到功能地上
，如图5-34a所示。5.5PROFINET安装技术5)电缆进入控制柜要求：不允许其他电缆和屏蔽层裸露处的PROFINET电缆平
行铺设。图5-34电缆进入控制柜布线要求6)避免电缆过分弯曲：对于单一弯曲，弯曲半径的典型值不应小于电缆直径的10倍。7)避免电
缆过分挤压和扭曲。8)避免锋利的线槽或控制柜边沿划伤线缆。9)在可能的情况下，留出一定的余量。(2)装配注意事项5.5PROFI
NET安装技术1)使用快速连接系统。2)正确选择连接器。3)成对使用电缆线的发送对和接收对。4)屏蔽层接地。5)连接器的装配。6)
M12连接器的使用。①确保剥好的电缆及屏蔽层规格和使用的连接器相符。②务必将芯线颜色和连接卡编号正确配置。③在M12连接器上
连接屏蔽层时，通常将金属织网向后压到金属套管上，要在套管上套上一个垫圈，以便密封连接器。确保屏蔽线不和垫圈接触，以及屏蔽层和数据线
之间没有短路。④要确保连接器内的芯线在安装螺纹外壳时不被扭曲。5.5PROFINET安装技术⑤如果连接器不能顺利的插接，请检
查连接器是否有问题，比如插针是否变形。这种情况下，要更换掉这个有问题的连接器。7)等电势连接。图5-35等电势连接5.5PRO
FINET安装技术5.5.3光缆及其连接1.光缆1)塑料光纤(POF)；2)塑料包层石英光纤(PCF)；3)全二氧化硅多模光纤；
4)全石英单模光纤。1)B型光缆：适用于固定或活动性的场合。2)C型光缆：适用于特殊应用，如永久性运动或振动或扭转场合。表5-7
光纤纤芯、线径及传输距离的典型值5.5PROFINET安装技术图5-36FO标准光缆及截面2.FO接头和连接(1)SC-RJ
连接器(2)ST插塞接头图5-37光缆的SC和接头ST3.光缆安装和装配注意事项5.5PROFINET安装技术1)保持端面清洁
：连接器的光学端面被污染后，会降低信号传输的可靠性和质量。2)连接器有SC-RJ、SC-RJ推合式等，要根据待连接的设备、防尘防水
(IP防护等级)的环境要求，以及所用的光缆，选择适合的连接器。3)对于多模光纤，通常使用50/125μm型和62.5/125μm型
。4)装配玻璃光纤电缆时必须使用专门的工具，而且必须要接受过专门的操作培训。5)塑料光缆可以按照说明自己装配。5.5.4网络部件
1)支持符合ISO/IEC2)支持符合IEEE5.5PROFINET安装技术3)符合存储器容量规定；4)支持冗余；5)支持标准化
的诊断路径；6)支持全双工模式7)支持自协商功能8)支持自动交叉功能。5.6组态一个简单的PROFINET网络5.6.1系统组
成及架构1.系统组成2.系统架构图5-38系统架构5.6.2组态过程1.组态IO控制器1)双击桌面上的图标，打开SIMATI
CManager软件。2)新建一个工程，按照方便查找的路径存放，并给工程命名，例如PROFINET_config。5.6组态一
个简单的PROFINET网络3)在SIMATICManager主界面中，选中PROFINET_config，然后在工具栏中使用I
nsert/Station选择插入新站点SIMATIC300Station。4)SIMATIC300Station插入后，
在工程PROFINET_config中选中SIMATIC300(1)，然后双击进入硬件组态界面。图5-39打开硬件组态软件H
ardware5)在组态过程中，添加的GSD要与其硬件的订货号相一致，IO控制器的组态画面如图5-?40所示。5.6组态一个简单
的PROFINET网络①首先添加机架UR(在RACK-300里面双击Rail)。②在槽1中添加PS电源。③在槽2中添加具体型
号的CPU单元。④注意槽3要预留，用于扩展机架模块。⑤从槽4开始按实际硬件顺序添加扩展模块，例如SM、CP模块。图5-?40
CPU315-2PN/DP的组态画面5.6组态一个简单的PROFINET网络6)用鼠标双击机架中CPU的PN-IO槽，在弹出的属
性对话框中可以修改设备名字，并单击Properties按钮，在弹出的新对话框中可以设置IO控制器的IP地址和子网掩码。图5-?41
IO控制器的参数设置5.6组态一个简单的PROFINET网络7)插入一个PROFINET-IO-System：先单击机架中CP
U的PN-IO槽，然后单击菜单Insert插入一个PROFINET-IO-System，如图5-?42所示。图5-?42插入PR
OFINET-IO-System2.组态IO设备5.6组态一个简单的PROFINET网络1)BK9103设备：先在右侧GSD目录
PROFINETIO中的AdditionalFieldDevices/Device中将BK9103的GSD拖拽到PN网络总
线上。2)其他IO设备的组态过程与BK9103的相似，重复1)的组态过程，完成WAGO公司的WAGO750-370、SIEMENS
公司的SCALANCE-X208和ET200M的组态。图5-?43BK9103的组态画面5.6组态一个简单的PROFINET网
络3.分配IP地址图5-?44为BK9103设备分配IP地址4.分配名字1)首先双击网络上的BK9103的GSD图标，在弹出的对
话框中修改设备名字。5.6组态一个简单的PROFINET网络图5-?45在组态中修改bk9103设备的名字2)单击菜单“PLC
\\Ethernet\\AssignDeviceName”，打开在线分配设备名字的对话框，如图5-?46所示。5.6组态一个
简单的PROFINET网络图5-?46分配设备名字的菜单选项①在线分配设备名字时，要设置通信协议为TCP/IP，5.6组态一
个简单的PROFINET网络否则组态软件和设备无法通信。②在进行设备名字分配和下载组态时，计算机的IP地址要与设备的IP在同一个
网段，即IP地址的前三个字节数据必须保持一致，否则会出现操作失败提示。3)选择修改过的名字bk9103-1和相应的设备(通过MAC
地址和设备类型描述区分或者通过点击Flashingon按钮可以看到相应设备上两个指示灯同时闪烁)，单击Assignname即可
完成设备名字的分配。图5-?47在线分配设备名字5.6组态一个简单的PROFINET网络4)确认组态中设备的名字与其在线分配的
名字是否一致，单击菜单“PLC\\Ethernet\\VerifyDeviceName”进行查看，如图5-?48所示。图5-?
48确认组态中设备的名字与在线分配的名字是否一致5.下载组态5.6.3系统运行5.6组态一个简单的PROFINET网络图5-
?49设备地址分配情况5.6组态一个简单的PROFINET网络图5-50DB11中地址分配情况5.6组态一个简单的PROF
INET网络图5-51简单程序设计举例5.6组态一个简单的PROFINET网络图5-52程序块的下载本章小结习题和思考
题1.简述以太网的产生和发展历史。5.6组态一个简单的PROFINET网络2.说出100BASE-TX、100BASE-FX所表
示的意思。3.什么是4B/5B编码？其映射规则是如何确定的？为什么？4.为什么在100BASE-TX中使用MLT-3？其编码规则是
什么？5.一个数据序列为1001101000111011，试绘出其对应的NRZI、MLT-3编码的信号波形(假设起始电平为0)。6
.EthernetⅡ以太网帧由哪些部分组成，其长度分别是多少？7.MAC地址的作用是什么？它是如何组成的？8.PI的PROFINET设备的MAC地址是什么？生产规模大小不同的厂商如何为自己的PROFINET产品分配MAC地址？9.通过哪些改进的技术提高了以太网的实时性和确定性？这些技术对应的国际标准编号是什么？10.试解释以太网中自协商和自动交叉等功能的特点。5.6组态一个简单的PROFINET网络11.试解释集线器、网桥、交换机和路由器的作用和特点。12.共享式网络和交换式网络最大的区别是什么？13.试叙述TCP/IP模型和ISO/OSI模型的主要区别。14.试简述IP、TCP、UDP的作用和特点。15.IP地址由哪些部分组成？IP地址是如何分类的？16.为什么要使用子网掩码？17.端口的作用是什么？18.SOCKET的作用是什么？19.什么是工业以太网？什么是实时工业以太网？20.PROFINET21.在未来的发展过程中，PROFINET和PROFIBUS5.6组态一个简单的PROFINET网络22.PROFINET的GSD文件和PROFIBUS的GSD文件，其最大区别是什么？23.PEOFINET24.按一致性分类，PROFINET设备分哪几类？每种类型的主要功能有哪些？25.PROFINET的拓扑形式有哪些？典型的拓扑结构是什么？26.PROFINET27.PROFINET电缆中有几对线？每对线的作用是什么？是按什么颜色区分的？28.使用FC技术的好处是什么？29.在PROFINET实时控制中，对使用的交换机有什么要求？