Der endgültige Leitfaden für PROFINET mit IIoT!

In einem früheren Artikel haben wir über EtherNet/IP und seine Vorteile gesprochen. Heute sprechen wir über PROFINET und wie Sie es in Ihrer Anlage implementieren können. Mit all diesen Informationen können Sie selbst entscheiden, ob EtherNet/IP oder PROFINET für Ihre Anwendung besser geeignet ist.

Industrielle Netzwerke und Protokolle

Auch wenn wir weltweit immer noch 4-20mA/HART sehen, gewinnen digitale Netzwerke in der Industrie an Bedeutung, da sie besser mit der Digitalisierung harmonieren.

Es wird häufig darüber diskutiert, warum Analogtechnik immer noch relevant ist, denn sie ist robust und einfach, was das Leben im Feld einfacher macht, oder? Aber wie sieht es mit der transparenten Konnektivität zwischen Feld und Steuerung aus?

Bei Steuerungen oder Geräten, die große Datenmengen liefern, finden wir Protokolle wie Modbus RS485, OPC und PROFIBUS DP. Sie können auch mit FOUNDATION FIELDBUS H1, PROFIBUS PA, PROFINET und vielen anderen arbeiten.

Diese industriellen Netzwerke verbinden Feldgeräte mit Steuerungen, senden Diagnosen, unterstützen Konfigurationen und vieles mehr, was rein analog möglich ist.

Ja, 4-20mA ist immer noch der König im Feld, vor allem wegen der Kluft zwischen den Konzepten der Hersteller und den realen Gegebenheiten der Anwender. Natürlich verzögert die Komplexität digitaler Netzwerke auch den Ruhestand von Analog.

Aber jetzt haben wir IIoT und Industrie 4.0, die die Digitalisierung weiter vorantreiben, damit die Lösungen richtig funktionieren. Heute sind Ethernet-basierte Protokolle und drahtlose Kommunikation in neuen Projekten immer häufiger anzutreffen, und es werden noch mehr kommen, also müssen wir darauf vorbereitet sein.

Allgemeines Konzept von Ethernet

Wenn Sie jemals einen Router oder ein Gerät installiert haben, das mit dem Internet verbunden ist, haben Sie wahrscheinlich ein Ethernet-Kabel verwendet oder gesehen, richtig? Viele Leute denken, dass mit "Ethernet" nur die Art des verwendeten Kabels gemeint ist. In Wirklichkeit stellt das Kabel nur den physischen Teil des Ethernet-Netzwerks dar.

An diesen Kabeln können viele Arten von Protokollen angeschlossen sein. Wahrscheinlich haben Sie schon von mindestens zwei davon gehört - Internet Protocol (IP) und Transmission Control Protocol (TCP). Diese beiden sind im Privatleben am praktischsten, aber für den industriellen Einsatz brauchen wir mehr.

Industrielle Anlagen

In einer Fabrik müssen Steuerungen auf Daten in Antrieben, E/A und Workstations zugreifen, und schnelle Reaktionen sind unerlässlich. Außerdem muss die Lösung unter anderem Abrieb, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen standhalten.

Also entwickelten Automatisierungsexperten Industrial Ethernet. Daraus entwickelte sich PROFINET als Ethernet-basiertes Protokoll.

Was ist PROFINET?

Dieses Protokoll verbindet Prozessgeräte - Sensoren, Aktoren und dergleichen - mit Steuerungssystemen. Der Verband PROFIBUS und PROFINET International (PI) hat es mit Hilfe mehrerer Anbieter entwickelt.

Es entspricht dem IEEE-802-Ethernet-Standard in IEC 61158 und IEC 61784, was bedeutet, dass Sie einen Drucker und einen Durchflussmesser im selben Netzwerk betreiben können! Cool, nicht wahr? Und PROFINET ist viel schneller als Ihr Heimnetzwerk, mit Zyklusraten im Sub-Millisekundenbereich.

Um zu erklären, wie das funktioniert, nehmen wir die ISO/OSI als Referenzmodell. Um zwei Punkte in einem Netzwerk zu verbinden, hat das OSI-Modell (Open Systems Interconnection) sieben Schichten.

Wissen Sie, wie das funktioniert?

• Der Ethernet-Standard hat vier einfache Schichten:
• Ethernet für physikalische und Datenverbindungen
• IP für das Netzwerk
• TCP oder User Datagram Protocol (UDP) für den Transport
• Weitere Protokolle für die Anwendung

PROFINET verwendet in der Regel diese vier Schichten, obwohl Beispiele wie Real-Time PROFINET die Netzwerk- und Transportschicht ignorieren können, um die Reaktionszeiten zu beschleunigen.

Drei Kanäle tauschen Daten mit einer Steuerung im PROFINET aus:

• TCP/IP: Handhabung von Konfigurationen, Einstellungen und zyklischen Lese-/Schreibvorgängen
• Echtzeit (RT): Umgehung der TCP/IP-Schichten zur Beschleunigung der Automatisierung zwischen 1 und 10 Millisekunden
• Isochrone Echtzeit (IRT): Umschalten von Zeitplänen und Sortiersignalen für präzise Synchronisierung

Das PROFINET-E/A-System

PROFINET arbeitet nach dem Provider-Consumer-Modell des Datenaustausches und nicht nach dem Master-Slave-Modell von PROFIBUS. Diese Geräte lassen sich in drei Kategorien einteilen:

Steuerung

Normalerweise führt eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder ein verteiltes Steuerungssystem (DCS) das Automatisierungsprogramm aus. Die Steuerung sendet Ausgaben an einige IO-Geräte und empfängt Eingaben von anderen. Sie ist vergleichbar mit einem Klasse-1-Master bei PROFIBUS.

Geräte

Sensoren oder Aktoren, die über Ethernet-Kabel mit der Steuerung verbunden sind, tauschen Daten mit der Steuerung aus, ähnlich wie Slaves bei PROFIBUS.

Übergeordnete Steuerung

PCs, Human-Machine-Interfaces (HMI) und andere Überwachungs-, Inbetriebnahme- oder Diagnosegeräte verhalten sich ähnlich wie PROFIBUS-Master der Klasse 2.

Um ein PROFINET IO-System zu konfigurieren, benötigen Sie mindestens einen Controller und ein Gerät. Es gibt jedoch viele Möglichkeiten, ein System zu konfigurieren: mehrere Controller für ein einziges Gerät, ein einzelner Controller für verschiedene Geräte oder verschiedene Controller für mehrere Geräte.

Typischerweise werden Supervisors vorübergehend zur Fehlersuche und Inbetriebnahme eingesetzt.

Zu einem PROFINET-System gehören auch Netzwerkkomponenten, wie z. B. Switches und Wireless Access Points. Einige Komponenten können als IO-Devices für eine erweiterte Diagnose fungieren.

Konfigurieren von PROFINET-Geräten

Um ein PROFINET IO-Gerät zu konfigurieren, benötigen Sie zwei Dinge: ein Tool, das als Supervisor fungiert, und eine GSD-Datei (General Station Description). Diese GSD-Datei wird von Ihrem Hersteller geliefert und ähnelt den bei PROFIBUS verwendeten Dateien. Allerdings basiert sie auf XML, hier GSDML genannt.

Nach der Konfiguration wird die GSDML-Datei auf den Controller heruntergeladen und mit den Geräten verbunden. Eingänge und Ausgänge fließen als zyklische Daten zwischen den Geräten und dem Controller. Andere Informationen, wie z. B. Diagnosedaten, werden als azyklische Daten übertragen.

Der Unterschied zwischen PROFIBUS und PROFINET

Welches System sollten Sie also verwenden, PROFIBUS oder PROFINET? Wenn Sie meine anderen Artikel gelesen haben, kennen Sie meine Antwort bereits, aber für die neuen Leute - die beste Option hängt von mehreren Faktoren in Ihrer Anwendung ab.

Grundsätzlich ist PROFIBUS ein traditionelles digitales Protokoll, das auf serieller Kommunikation basiert. PROFINET ist ein neues Protokoll, das auf industrieller Ethernet-Kommunikation basiert. PROFINET unterstützt eine schnellere Kommunikation mit größerer Bandbreite und erlaubt größere Datenpakete als PROFIBUS.

Hier ist eine Tabelle, die Ihnen einen Überblick über die Unterschiede zwischen PROFIBUS und PROFINET gibt:

Ein weiterer Vorteil von PROFINET ist, dass Sie es mit proprietärer drahtloser Kommunikation verwenden können. PROFINET ist ein Ethernet-Standard, so dass Sie WIFI und Bluetooth verwenden können - natürlich nur, wenn dies für Ihre Anwendung sinnvoll ist!

PROFINET und IIoT

Konnektivität und Offenheit sind der Schlüssel zu effizienten IIoT-Systemen. Es ist wichtig, Felddaten zu sammeln, um relevante Erkenntnisse zu gewinnen, und PROFINET bietet eine unkomplizierte und transparente Verbindung zwischen Feldgeräten und IIoT-Cloud-basierten Diensten.

Die Koexistenz von PROFINET mit anderen Protokollen ermöglicht Betreibern den Einstieg in das digitale Zeitalter über ein vertrautes physikalisches Medium. Außerdem können Sie Daten aus dem Feld in übergeordnete Systeme mit einer Cloud-Datenbank exportieren, indem Sie einen anderen offenen Standard zusammen mit PROFINET verwenden, z. B. OPC UA.

Wir werden im nächsten Artikel auf weitere Details eingehen, aber jetzt wissen Sie, dass PROFINET bereits ein Teil des IIoT-Zeitalters ist. Vergessen Sie nicht, auch einen Blick in die Ethernet APL zu werfen; wir werden sie bald besprechen.

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Bleiben Sie gesund, und bis zum nächsten Mal!