PROFINET IO 设备

概述

Darra PLC 通过 P-Net 协议栈 实现 PROFINET IO Device 功能, 支持 RT Class 1 通讯, 可将 Darra PLC 作为 PROFINET IO 设备接入西门子或第三方 PROFINET 控制器。

PROFINET IO 是西门子主导的工业以太网标准 (IEC 61158/61784), 广泛用于汽车、物流、食品饮料等行业。

协议栈架构

┌─────────────────────────────────────────┐
│           Darra PLC Service              │
│  ┌─────────────────────────────────┐    │
│  │  PROFINET IO Device 接口层       │    │
│  │  (IO 数据映射, 诊断, 报警)       │    │
│  └──────────────┬──────────────────┘    │
│                 │                        │
│  ┌──────────────┴──────────────────┐    │
│  │  P-Net 协议栈                     │    │
│  │  ┌───────┬──────┬───────────┐    │    │
│  │  │ RTC   │ RTA  │  DCP/LLDP │    │    │
│  │  └───────┴──────┴───────────┘    │    │
│  └──────────────┬──────────────────┘    │
│                 │                        │
│  ┌──────────────┴──────────────────┐    │
│  │  NDIS / 以太网驱动               │    │
│  └─────────────────────────────────┘    │
└─────────────────────────────────────────┘

P-Net 是开源 PROFINET 协议栈, Darra 在 P-Net 基础上封装了 IO 数据映射层, 使其与 PLC 变量空间无缝集成。

支持的 PROFINET 功能

功能	支持	说明
RT Class 1	✅	周期实时通讯, 1~10 ms
IO Device	✅	作为从设备接入控制器
多槽/子槽	✅	模块化设备描述
多模块	✅	多个 IO 模块组合
共享设备	—	单一设备被多个控制器共享
I-Device	—	IO Device 同时提供 IO Controller 功能
IRT	—	等时实时, 需专用 ASIC
MRP	—	介质冗余协议
系统冗余 (S2)	—	双控制器冗余

设备配置

设备名称与 IP

PROFINET 通过 设备名称 (Station Name) 识别设备, 而非 IP 地址。IP 地址由 DCP 协议自动分配。

var profinet = new ProfinetIoDevice();
profinet.Configure(new ProfinetConfig {
    StationName = "darra-plc-line1",     // 设备名称 (PROFINET 唯一标识)
    VendorId = 0x1234,                   // 厂商 ID (从 PI 申请)
    DeviceId = 0x0001,                   // 设备 ID (厂商自定义)
    IpAddress = "192.168.1.100",         // 推荐固定 IP (DCP 也可动态分配)
    SubnetMask = "255.255.255.0",
    DefaultGateway = "192.168.1.1",
    MinDeviceInterval = 1,               // 最小周期 (ms)
    NumberOfSlots = 4                    // 槽位数量
});

使用 DCP 设置设备名称

通过 DCP (Discovery and Configuration Protocol) 设置设备名称:

// 扫描网络上的 PROFINET 设备
var devices = profinet.DcpProbe();
foreach (var d in devices)
{
    Console.WriteLine($"MAC: {d.Mac}, Name: {d.StationName}, IP: {d.IpAddress}");
}

// 设置设备名称
profinet.DcpSetName("darra-plc-line1", macAddress: "00:11:22:33:44:55");

GSDML 文件

GSDML (Generic Station Description Markup Language) 是 PROFINET 设备的描述文件, 由控制器侧导入, 用于识别设备功能和 IO 配置。

Darra PLC 会生成对应的 GSDML 文件, 供 PROFINET 控制器 (如西门子 S7-1500) 导入:

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<ISO15745Profile xmlns="http://www.profibus.com/GSDML/2003">
  <ProfileHeader>
    <ProfileIdentification>GSDML</ProfileIdentification>
    <ProfileRevision>2.35</ProfileRevision>
  </ProfileHeader>
  <ProfileBody>
    <DeviceIdentity VendorID="1234" DeviceID="0001" />
    <DeviceFunction>
      <ApplicationProcess>
        <ModuleList>
          <!-- 数字输入模块, 16 通道 -->
          <Module ModuleIdentNumber="0x00000001">
            <Name>16 DI</Name>
            <ModuleInfo>
              <Name TextId="IDT_DI_16" />
            </ModuleInfo>
            <VirtualSubmoduleList>
              <VirtualSubmodule SubmoduleIdentNumber="0x00000001">
                <IOData>
                  <Input>
                    <DataItem DataType="BIT" />
                    <!-- 16 位, 对应 16 个 DI -->
                  </Input>
                </IOData>
              </VirtualSubmodule>
            </VirtualSubmoduleList>
          </Module>
          <!-- 数字输出模块, 16 通道 -->
          <Module ModuleIdentNumber="0x00000002">
            <Name>16 DO</Name>
            <VirtualSubmoduleList>
              <VirtualSubmodule SubmoduleIdentNumber="0x00000001">
                <IOData>
                  <Output>
                    <DataItem DataType="BIT" />
                    <!-- 16 位, 对应 16 个 DO -->
                  </Output>
                </IOData>
              </VirtualSubmodule>
            </VirtualSubmoduleList>
          </Module>
        </ModuleList>
      </ApplicationProcess>
    </DeviceFunction>
  </ProfileBody>
</ISO15745Profile>

GSDML 文件在 IDE 中通过 "PROFINET → 导出 GSDML" 生成, 然后拷贝到控制器工程。

IO 数据映射

槽/子槽映射

PROFINET IO 使用 槽 (Slot) / 子槽 (Subslot) 结构组织 IO 数据。Darra PLC 将槽映射到 PLC 地址空间:

PROFINET 设备 Darra PLC (IO Device):
  Slot 0: 设备接入点 (DAP)
    Subslot 0x8000: 设备接口诊断
  Slot 1: 16 DI 模块
    Subslot 0x0001: 输入数据 → %IX100.0~%IX101.7
  Slot 2: 16 DO 模块
    Subslot 0x0001: 输出数据 → %QX100.0~%QX101.7
  Slot 3: 4 AI 模块
    Subslot 0x0001: 输入数据 → %IW200, %IW202, %IW204, %IW206
  Slot 4: 4 AO 模块
    Subslot 0x0001: 输出数据 → %QW200, %QW202, %QW204, %QW206

映射配置

在 IDE 中通过 "PROFINET → IO 映射" 配置:

{
  "profinetMapping": {
    "stationName": "darra-plc-line1",
    "slots": [
      {
        "slotNumber": 1,
        "moduleIdentNumber": "0x00000001",
        "direction": "input",
        "plcAddress": "%IX100",
        "bitLength": 16
      },
      {
        "slotNumber": 2,
        "moduleIdentNumber": "0x00000002",
        "direction": "output",
        "plcAddress": "%QX100",
        "bitLength": 16
      }
    ]
  }
}

数据模型

PROFINET IO 数据在 PLC 中表现为标准 IEC 61131-3 变量:

(* SCL — 读取 PROFINET 控制器发来的数据 *)
IF %IX100.0 THEN        (* Slot 1, DI 0 *)
    Valve_Status := TRUE;
END_IF;

(* SCL — 写数据给 PROFINET 控制器 *)
%QX100.0 := Sensor_Ready;  (* Slot 2, DO 0 *)

(* 模拟量 *)
Temperature := %IW200 / 10.0;  (* Slot 3, AI 0, 0~27648 → 0~100°C *)

RT Class 1 通讯

通讯周期

RT Class 1 是标准实时通讯, 基于以太网优先级 (VLAN 优先级 6) 实现确定性:

设置周期	实际周期	适用场景
1 ms	1 ms ± 0.5 ms	快速 IO, 小数据量 (≤ 256 字节)
2 ms	2 ms ± 1 ms	混合 IO, 中等数据量
4 ms	4 ms ± 1 ms	慢速 IO, 大数据量
8~10 ms	8~10 ms ± 2 ms	监控、诊断

数据交换流程

IO Controller (PLC)                  IO Device (Darra PLC)
       │                                      │
       │ 1. CR 建立 (连接建立)                   │
       │  Connect Request ──────────────────►  │
       │  Connect Response ◄────────────────── │
       │                                      │
       │ 2. 参数分配 (参数化)                    │
       │  Write Request (参数) ──────────────►  │
       │  Write Response ◄───────────────────  │
       │                                      │
       │ 3. 应用就绪                              │
       │  Write Request (应用就绪) ───────────►  │
       │  Write Response ◄───────────────────  │
       │                                      │
       │ 4. 数据交换 (周期运行)                    │
       │  ┌─────────────────────────────┐      │
       │  │ 周期: 1 ms                   │      │
       │  │ 输出数据 ──────────────────► │      │
       │  │ 输入数据 ◄────────────────── │      │
       │  └─────────────────────────────┘      │
       │                                      │
       │ 5. 断开 (停止)                         │
       │  Disconnect Request ───────────────►  │
       │  Disconnect Response ◄─────────────── │
       │                                      │

周期抖动

RT Class 1 的周期抖动取决于网络负载和交换机处理能力:

抖动来源:
  - 控制器侧周期精度 (软件定时器误差)
  - 交换机帧排队 (避免与非实时帧竞争)
  - 设备侧处理时间 (IO 读写的微抖动)

典型抖动:
  - 直连 (无交换机): < 100 μs
  - 1 层交换机: < 200 μs
  - 2 层交换机: < 500 μs
  - 3+ 层交换机: 1~2 ms (不建议)

诊断与调试

诊断信息

PROFINET IO 设备定期上报诊断信息, IDE 诊断面板显示:

诊断项	来源	说明
设备状态	DAP	正常运行 / 故障 / 不可用
模块状态	子槽	每个模块/子槽的独立状态
通道诊断	通道	逐通道的故障状态
通讯状态	CR	连接资源状态
IOPS 评价	数据交换	提供者/消费者状态

诊断 API

// 获取设备诊断
var diag = profinet.GetDiagnosis();
Console.WriteLine($"Device State: {diag.State}");          // Normal / Fault / NotAvailable
Console.WriteLine($"IOPS Provider: {diag.IopsProvider}");  // Good / Bad / Uncertain
Console.WriteLine($"IOPS Consumer: {diag.IopsConsumer}");

// 通道级诊断
foreach (var channel in diag.Channels)
{
    Console.WriteLine($"Slot {channel.Slot}, Subslot {channel.Subslot}: {channel.ErrorType}");
}

诊断报警

PROFINET 支持三种报警类型:

报警类型	触发	处理
诊断报警 (Diagnosis Alarm)	模块故障、通道故障	控制器读取诊断信息
过程报警 (Process Alarm)	工艺事件 (如限位到达)	触发 PLC 中断 OB
拔出报警 (Pull Alarm)	模块被拔出	控制器停止数据交换

诊断状态码

状态码	含义	处理
0x0000	正常	—
0x0001	模块故障	检查模块, 重新上电
0x0002	子模块故障	检查子槽配置
0x0003	通道故障	检查具体通道
0x0004	通讯故障	检查网络连接
0x0005	参数错误	控制器侧参数配置错误

排错指南

症状	处理
控制器找不到设备	设备名称未设置或错配, 用 DCP 重新设置名称
连接建立失败	检查 GSDML 文件版本, 确认模块配置一致
数据交换不启动	参数分配未完成, 检查控制器侧的参数配置
数据交换抖动 > 1 ms	交换机 QOS 配置不当, 确认 VLAN 优先级 6 启用
周期性 IOPS Bad	设备负载过高, 延长周期或减少 IO 数据量
诊断报警频繁	检查通道级故障, 排除传感器/执行器硬件问题
设备重启后不可用	确认 DCP 设备名称持久化 (非仅内存)
无法分配 IP	DCP 被防火墙阻挡, 确认网络允许 DCP 广播帧

调试工具

IDE 内置 PROFINET 调试工具:

1. DCP 浏览器: 扫描网络上的 PROFINET 设备, 查看/修改设备名称
2. IO 数据监视: 实时显示每个槽/子槽的 IO 数据值
3. 诊断日志: 记录所有诊断报警, 按时间线展示
4. 通讯统计: 周期计数、错误计数、IOPS 统计
5. 抓包分析: 导出 PCAP 格式的 PROFINET 帧, 可用 Wireshark 分析

限制

• IRT 需要专用 ASIC (如 ERTEC 200), Darra PLC 基于软件 P-Net 栈, 不支持 IRT
• 不支持 I-Device 和共享设备, 每个 Darra PLC 只能作为一个 IO Device 接入一个控制器
• 最大 IO 数据 = 每个 AR 约 1024 字节输入 + 1024 字节输出 (受 P-Net 栈限制)
• 周期抖动在网桥/交换机多跳场景下会累积, 建议直连或 1 层交换机
• 目前仅支持 RT Class 1, 不支持 RT Class 2/3 (AR 数据)