alternativtext=PROFINET Logo, seit 2020 verwendet|mini|Profinet-Logo, seit 2020 verwendet mini|Profinet-Logo, bis 2020 verwendet mini|Erste Version des Profinet-Logo, bis 2010 verwendet
Profinet (Process Field Network) (Eigenschreibweise: PROFINET) ist der offene Industrial-Ethernet-Standard der PROFIBUS-Nutzerorganisation e. V. (PNO) für die Automatisierung. Profinet nutzt TCP/IP und IT-Standards, ist Echtzeit-fähig und ermöglicht die Integration von Feldbus-Systemen.
Das Konzept von Profinet ist modular aufgebaut, so dass der Anwender die Funktionalität selbst wählen kann. Profinet dient zur Anbindung von dezentraler Peripherie an eine Steuerung (Controller). Für unterschiedliche Einsatzgebiete sind die verfügbaren Funktionen und Echtzeit-Eigenschaften in vier Konformitätsklassen CC-A, CC-B, CC-C und CC-D aufgeteilt.
Einsatz von Profinet Überblick mini|Profinetfähige PCIe-Erweiterungskarte
Profinet IO erlaubt die Anbindung von dezentraler Peripherie an einen Controller und kann somit als direkter Nachfolger von Profibus DP gesehen werden. Profinet IO beschreibt den gesamten Datenaustausch zwischen Geräten mit Steuerungs- oder Regelungs-Funktionalität als IO-Controller und den Feldgeräten als IO-Devices für den zyklischen Datenaustausch sowie die Parametrierung und Diagnose. Dazu verwendet Profinet IO Ethernet-basierte Protokolle, folgt dem Producer-/Consumer-Modell und eignet sich je nach Konformitätsklasse für Buszykluszeiten von mehreren ms bis herunter zu 31,25 μs.
Feldgeräte in einem unterlagerten Feldbus-Strang können über einen IO-Proxy (Stellvertreter für ein unterlagertes Bussystem) in das Profinet-IO-System eingebunden werden. Damit können bestehende Profibus- und andere Feldbus-Systeme einfach in ein Profinet-IO-System eingebunden und weiterverwendet werden.
Konformitätsklassen Die Anwendungen mit Profinet IO können in vier Klassen eingeteilt werden: In der Klasse A (CC-A) sind nur die eingesetzten Geräte zertifiziert. Für die Netzwerkinfrastruktur genügt ein Herstellerzertifikat. Darum kann auch eine Strukturierte Verkabelung oder für mobile Teilnehmer ein Wireless Local Area Network eingesetzt werden. Typische Anwendungen findet man in Infrastrukturbauten (z. B. Autobahn- oder Eisenbahntunnel) oder in der Gebäudeautomation. Die Klasse B (CC-B) schreibt vor, dass auch die Netzwerkinfrastruktur zertifizierte Produkte umfasst und nach den Richtlinien von Profinet IO aufgebaut ist. Geschirmte Kabel erhöhen die Robustheit und Switches mit Managementfunktionen erleichtern die Netzwerkdiagnose und erlauben das Erfassen der Netzwerktopologie wie dies für die Kontrolle einer Fertigungslinie oder Maschine erwünscht ist. Die Prozessautomation verlangt eine erhöhte Verfügbarkeit, die durch eine Medien- und Systemredundanz erreicht werden kann. Mit der Klasse C (CC-C) können mit einer zusätzlichen Bandbreitenreservierung und der Synchronisation der Anwendungen z. B. Positioniersysteme realisiert werden. Bei der Klasse D (CC-D) wird Profinet über Time-Sensitive Networking (TSN) genutzt. Dabei können dieselben Funktionen wie bei der CC-C erreicht werden. Anders als bei CC A&B findet bei CC-D die komplette Kommunikation (zyklische und azyklisch) zwischen Controller und Device auf Ethernet Schicht 2 statt. Hierzu wurde das Remote Service Interface (RSI) eingeführt.
Anforderungen Klasse A (CC-A) Klasse B (CC-B) Klasse C (CC-C) Klasse D (CC-D) Basisfunktionen RT-Kommunikation Zyklische E/A Parameter Alarme RT-Kommunikation Zyklische E/A Parameter Alarme Netzwerkdiagnose Topologieinformationen Systemredundanz RT-Kommunikation Zyklische E/A Parameter Alarme Netzwerkdiagnose Topologieinformationen Reservierte Bandbreite (IRT) Synchronisation Stossfreie Medienredundanz RT-Kommunikation Zyklische E/A Parameter Alarme Netzwerkdiagnose Topologieinformationen Reservierte Bandbreite (TSN) Synchronisation Systemredundanz Stossfreie Medienredundanz Zertifizierung Controller Devices Netzwerkkomponenten nur mit Herstellerzertifikat Controller Devices Netzwerkkomponenten Controller Devices Netzwerkkomponenten Controller Devices Netzwerkkomponenten Verkabelungnach IEC 61784-5-3 und IEC 24702 Kupfer Lichtleiter Wirelessnach IEC 61784-5-3 Kupfer Lichtleiternach IEC 61784-5-3 Kupfer Lichtleiternach IEC 61784-5-3 Kupfer Lichtleiter Typischer Einsatz Infrastrukturbauten Gebäudeautomation Fertigungsautomation Prozessautomation Motioncontrol Universell
Gerätetypen Profinet Geräte können die folgenden Rollen einnehmen: IO-Controller ist eine Steuerung, die die Automatisierungsaufgabe kontrolliert. IO-Device ist ein Feldgerät, das von einem IO-Controller kontrolliert und gesteuert wird. Ein IO-Device besteht aus mehreren Modulen und Submodulen. Die Submodule enthalten die einzelnen Eingangs- und Ausgangssignale zum Prozess. IO-Supervisor ist ein Engineering-Werkzeug, typischerweise basierend auf einem PC, um die einzelnen IO-Devices zu parametrieren und diagnostizieren.
Systemaufbau Ein minimales Profinet-IO-System besteht aus mindestens einem IO-Controller, der ein oder mehrere IO-Devices kontrolliert. Zusätzlich können optional ein oder mehrere IO-Supervisoren für das Engineering der IO-Devices bei Bedarf temporär zugeschaltet werden.
Sind zwei IO-Systeme in demselben IP-Netzwerk, können die IO-Controller sich auch ein Eingangssignal als shared-input teilen, in dem sie auf dasselbe Submodul in einem IO-Device lesend zugreifen. Dies vereinfacht die Kombination einer SPS mit einer getrennten Sicherheitssteuerung oder einer Bewegungsregelung. Ebenso kann ein ganzes IO-Device als shared-device geteilt werden, in dem einzelne Submodule eines IO-Device unterschiedlichen IO-Controllern zugeordnet werden.
Jedes Automatisierungsgerät mit einer Ethernetschnittstelle kann gleichzeitig die Funktionalität eines IO-Controllers und eines IO-Devices erfüllen. Wenn nun eine Steuerung für eine Partnersteuerung als IO-Device auftritt und gleichzeitig als IO-Controller seine Peripherie kontrolliert, ist eine Koordination der Aufgaben zwischen Steuerungen ohne zusätzliche Geräte realisierbar.
Beziehungen Zwischen einem IO-Controller und einem IO-Device wird eine Application-Relation (AR) aufgebaut. Über diese AR werden Communication-Relations (CR) mit unterschiedlichen Eigenschaften festgelegt: Record Data CR für den azyklischen Parametertransfer IO Data CR für den zyklischen Prozessdatenaustausch Alarm CR für die Signalisation von Alarmen in Echtzeit
Zyklische Daten (IO Data CR): Der Inhalt des zyklischen Datenverkehrs sind die Daten, die die Zentraleinheit an die Peripheriegeräte schickt, damit sie an den Ausgängen ausgegeben werden können sowie die Daten, die ein Peripheriegerät als an seinen Eingängen einliest und zur Verarbeitung an die Zentraleinheit schickt. In der Regel geht also in jedem Zyklus ein solches „zyklisches“ Datenpaket von der Zentraleinheit als „Provider“ an das Peripheriegerät als „Consumer“ und unabhängig davon ein Datenpaket vom Peripheriegerät als „Provider“ an die Zentraleinheit als „Consumer“.
Die Basis hierfür ist ein kaskadierbares Real-Time-Konzept, d. h. für jede zyklische CR kann eine unterschiedliche Zykluszeit festgelegt werden. Diese Grundfunktion wird als „RT“ (Real Time) bezeichnet. Der zyklische Datenverkehr kann je nach Anforderung zusätzliche Eigenschaften ausweisen. Bei einem taktsynchronen Datenaustausch werden die Anwendungsfunktionen auf den Profinet Datenzyklus synchronisiert um keine Zeit bei der Datenübergabe zu verlieren. Bei einem isochronen Datenzyklus wird der zyklische Datenaustausch von mehreren zyklischen CR in beide Richtungen synchronisiert. Dies wird als „IRT“ (Isochronous Real Time) bezeichnet.
Für die zyklischen Daten wird bei Profinet eine möglichst effiziente Übertragung im Hinblick auf die Bandbreite angestrebt. Deshalb setzt der zyklische Verkehr direkt auf der Ebene der MAC-Adressen auf und enthält keine IP-Adressen, um die Headerlänge des Datenpakets (und damit auch die Gesamtlänge und die Verarbeitungszeit im Gerät) kleinzuhalten. Da die Automatisierungsaufgaben für Profinet IO in aller Regel lokal begrenzt sind (eine Maschine/Anlage), kann man den Verlust der Routingfähigkeit, den man durch den Verzicht auf IP-Headerinformationen in Kauf nimmt, verschmerzen.
Azyklische Parameterdaten (Record Data CR): Daneben gibt es im Datenaustausch zwischen Zentraleinheit und Peripheriegerät auch den azyklischen Datenverkehr, der für Ereignisse genutzt wird, die sich nicht ständig wiederholen. Beispiele für azyklischen Datenverkehr sind das Senden von Parametrierungs- und Konfigurationsdaten beim Anlauf eines Peripheriegeräts an das Gerät oder das Senden einer Diagnosemeldung vom Peripheriegerät zur Zentraleinheit im laufenden Betrieb.
Azyklische Daten nutzen das UDP/IP oder das RSI Protokoll.
Azyklische Alarmdaten (Alarm CR): Alarme sind spezielle azyklische Nachrichten die bei Bedarf vom Peripheriegerät an den Controller übertragen werden. Diese sind zeitkritisch und werden somit wie die zyklische Daten direkt über Ethernet übertragen. Im Gegensatz zu den zyklischen Daten müssen diese aber vom Empfänger bestätigt werden.
Engineering Das Projektieren eines IO-Systems ist vom „look and feel“ nahezu identisch wie bei Profibus gehalten: Die Eigenschaften eines IO-Devices werden vom Gerätehersteller in einer GSD-Datei (General Station Description) beschrieben. Als Sprache hierfür wird die GSDML (GSD Markup Language) – eine XML-basierte Sprache – verwendet. Die GSD-Datei dient einer Engineeringsumgebung als Grundlage für die Planung der Konfiguration eines Profinet-IO-Systems. Alle Profinet-Feldgeräte ermitteln ihre Nachbarn. Somit können Feldgeräte ohne zusätzliche Hilfsmittel und Vorkenntnisse im Fehlerfall getauscht werden. Durch Auslesen dieser Informationen kann die Anlagentopologie zur besseren Übersichtlichkeit grafisch dargestellt werden. Durch Unterstützung des Tool Calling Interfaces (TCI) kann sich jeder Feldgeräte-Hersteller in eine beliebige TCI-fähige Entwicklungsumgebung einklinken und „seine“ Feldgeräte parametrieren und diagnostizieren ohne die Entwicklungsumgebung verlassen zu müssen. Individuell eingestellte Daten können herstellerübergreifend geladen (bspw. über TCI) und in einem Parameter-Server automatisch archiviert werden. Das Nachladen erfolgt beim Gerätetausch ebenfalls automatisch.
Verlässlichkeit Vermehrt wird der Profinet auch in kritischen Anwendungen eingesetzt. Es besteht dabei immer ein Risiko, dass die geforderten Funktionen nicht erfüllt werden können. Dieses Risiko kann durch gezielte Maßnahmen reduziert werden und damit die Zuverlässigkeit erhöht werden. Im Vordergrund stehen dabei die folgenden Zielsetzungen:
Safety: Sicherstellung der funktionalen Sicherheit. Das System soll bei einem Fehler in einen sicheren Zustand gehen. Availability: Erhöhung der Verfügbarkeit. Das System soll bei einem Fehler die minimal geforderte Funktion noch erbringen können. Security: Mit der Informationssicherheit soll die Integrität des Systems sichergestellt werden.
Diese Ziele können sich dabei gegenseitig behindern oder auch ergänzen.
Funktionale Sicherheit: Profisafe
Profisafe definiert wie sicherheitsgerichtete Geräte (Not-Aus-Taster, Lichtgitter, Überfüllsicherungen, …) über Profinet mit Sicherheitssteuerungen so sicher kommunizieren, dass sie in sicherheitsgerichteten Automatisierungsaufgaben bis SIL3 (Safety Integrity Level) eingesetzt werden können. Es realisiert die sichere Kommunikation über ein Profil, d. h. über ein besonderes Format der Nutzdaten und ein spezielles Protokoll. Profisafe ist für Profinet und Profibus in der Norm IEC 61784-3-3 festgelegt und bildet die Grundlage für OPC UA Safety.
Erhöhte Verfügbarkeit