PROFINET: Ganzheitliches Denken prägt die industrielle Automatisierung. Ende 1999, als PROFIBUS erstmals für die Ethernet-Konnektivität in Betracht gezogen wurde, plante Profibus International zunächst die Integration eines Feldbusprotokolls in Ethernet. Schnell wurde jedoch deutlich, dass dieser Ansatz hinsichtlich Offenheit und Effektivität nicht zielführend war. Eine grundlegende Neubewertung führte zu PROFINET: Der Fokus lag dabei auf „Automatisierungslösungen“, nicht nur auf „Kommunikation“. Die daraus resultierende Flexibilität veränderte Automatisierungsstrategien grundlegend in Bezug auf Geschwindigkeit und Umfang und ermöglichte es jedem Anwender, eigene Entscheidungen zu treffen. Da plötzliche, weitreichende Sprünge unrealistisch waren, führte Profibus International PROFINET ein, um den aktuellen Anforderungen verteilter E/A gerecht zu werden und zukünftige Trends hin zu mehr Komfort und Vollständigkeit, wie sie beispielsweise für objektorientierte Lösungen in verteilten Automatisierungssystemen erforderlich sind, zu berücksichtigen. Die Konvergenz internationaler Standards macht PROFINET wirklich offen. Insbesondere ist PROFINET vollständig kompatibel mit bestehendem Ethernet TCP/IP und lässt sich somit problemlos in übergeordnete IT-Systeme und -Geräte integrieren. Angesichts des Erweiterungsbedarfs zur Abdeckung der Echtzeitanforderungen von Automatisierungssystemen waren bedeutende Innovationen erforderlich. Dies gilt insbesondere für die strengen Echtzeitanforderungen der Bewegungssteuerung, die nun durch neue Software-/Hardwarelösungen mit einer beispiellosen, für PROFINET einzigartigen Echtzeitleistung erfüllt werden. Zukünftig wird PROFINET auch Lösungen für die Anforderungen der Maschinensicherheit und Prozessautomatisierung entwickeln, obwohl diese Themen derzeit noch in der Diskussion sind. PROFINET erkannte, dass Ethernet-basierte Lösungen nur dann erfolgreich sein können, wenn sie Abwärtskompatibilität mit bestehenden Feldbussystemen gewährleisten und somit die Investitionen der Kunden schützen. PROFINET bietet eine einfache Möglichkeit zur Integration bestehender Netzwerke. Es ist mit jedem Feldbussystem kompatibel, nicht nur mit PROFIbus. Die Arbeitsgruppe zur Integration der Interbus-Feldbusschnittstelle in PROFINET gab kürzlich die Verfügbarkeit der ersten Produkte für die Anbindung an DeviceNet-Systeme bekannt. PROFINET bietet eine Reihe von Automatisierungsfunktionen und -diensten, die alle auf einer Ethernet-Kommunikationsarchitektur basieren und für viele Anwendungsumgebungen geeignet sind. Nicht alle Funktionen und Dienste müssen jederzeit oder in allen Anwendungen verwendet werden; sie lassen sich kombinieren. Diese Flexibilität wird in den kommenden Jahren immer deutlicher, da die Anforderungen der Automatisierungsnutzer (insbesondere im Bereich der Bewegungssteuerung) weiter steigen, der Wettbewerb zunehmend die Produktindividualisierung fördert und sich der Markt in Richtung dezentraler Automatisierungsarchitekturen entwickelt. PROFINET bietet drei Kommunikationsoptionen, die das gesamte Automatisierungsspektrum von der Managementebene bis zur Anlage abdecken: Standard-TCP/IP und UDP ermöglichen eine typische Zykluszeit von 100 ms und die notwendige vertikale Integration. Die erste Phase, optimiert für Echtzeitfähigkeit, bietet Kommunikationssynchronisation mit einer Zykluszeit von 5–10 ms. Die zweite Phase, die isochrone Synchronisation nutzt, ermöglicht Kommunikation mit einer Reaktionszeit von 1 ms und harte Echtzeitanwendungen mit einem Jitter von 1 µs. Diese drei Optionen werden über zwei Kanäle innerhalb einer Standard-Ethernet-Architektur implementiert, teilen sich die Bandbreite und können unabhängig oder gleichzeitig betrieben werden. Das obige Diagramm veranschaulicht den PROFINET-„offenen Kanal“ für die Übertragung von Standard- und Echtzeitdaten. Der grüne Bereich stellt die Ethernet-Bitübertragungsschicht mit einem TCP/IP-Stack dar. Dies ist eine konventionelle Ethernet-Implementierung, die Standarddaten auf die gleiche Weise wie Büronetzwerke überträgt (1). PROFINET ermöglicht externen Systemen den Zugriff und die Datenübertragung in vertikal integrierten Unternehmensarchitekturen sowie über das Internet. Dieser Stack unterstützt IT-Funktionen wie HTTP und SNMP und wird in Kombination mit UDP auch für die Controller-zu-Controller-Kommunikation (bzw. HMI-Kommunikation) und nicht-zyklische Kommunikation (für Geräteparametrierung, Konfiguration, Diagnose und Netzwerkmanagement) eingesetzt. Bei Fast Ethernet (100 Mbit/s) reicht die Datenübertragungsgeschwindigkeit des TCP/UDP-Stacks nicht für die typische Zykluszeit der Produktionsautomatisierung von 5–10 ms aus. In der ersten Stufe umgeht die Synchronisierung (2) den Stack und verkürzt so die Prozesszeit für verteilte Automatisierung und Steuerung (einschließlich Anlagen und Feldgeräte). Dies bietet die gleiche Leistung wie aktuelle Feldbustechnologien und umfasst Datenzyklus und Hochleistungsübertragung durch Ereignissteuerungsfunktionen. Durch den Wegfall der TCP/IP-Schicht wird eine schnelle Erfassung des Steuerungsdatenvolumens ermöglicht, vergleichbar mit einem dedizierten Buspfad auf einem schnellen Kanal. Standardisierte QoS-Parameter (Quality of Service) dienen der Priorisierung von Daten. In anspruchsvolleren Automatisierungsumgebungen, insbesondere in High-End-Bewegungssteuerungsanwendungen, ist harte Echtzeit erforderlich. Hier werden Zykluszeiten von 1 ms und Jitterzeiten von 1 µs benötigt, was zusätzliche Kommunikationsunterstützung erfordert. PROFINET führt das Konzept der isochronen Echtzeit (IRT) (3) ein, die neben dem offenen Kanal als optionaler zweiter Kommunikationskanal existiert. Isochrone Synchronisation bedeutet, dass die Funktionen jedes Ethernet-Frames in jedem Zyklus exakt gleichzeitig ausgeführt werden müssen. Dies erfordert eine präzise Synchronisation; verarbeitet das System mehrere Teilnehmer, muss es mehrere synchronisierte Datenströme sehr genau steuern. IRT und offene Kanäle teilen Ethernet-Frames in zwei Segmente auf, die sich die Bandbreite teilen. Zeitsegmentierte Systeme unterteilen IRT-Kanäle in feste Zeitschlitze, die jeweils ein Endgerät repräsentieren. Das obige Diagramm veranschaulicht dies, während die folgende Tabelle zeigt, wie die Kapazität eines IRT-Kanals von der Zykluszeit abhängt. Ein PROFINET-System mit einer IRT-Zykluszeit von 1 ms verwendet eine 50/50-Bandbreitenaufteilung, um 150 Geräte (z. B. Bewegungssteuerungsachsen) zu verarbeiten. Herkömmliche Ethernet-Switching-Technologien unterstützen keine IRT-Zeitsegmentierung und erfordern daher dedizierte Hardware. Zwei neue Embedded-Ethernet-Chip-Switches befinden sich derzeit in der Entwicklung. Der Markt für High-End-IRT-Switches für die Bewegungssteuerung lässt sich in zwei Segmente unterteilen: leistungsstarke Bewegungssteuerungen und komplexe Antriebe oder Feldgeräte. Daher sind zwei Arten von IRT-Switches denkbar: ein 4-Port-Switch für Bewegungssteuerungen und ein 2-Port-Switch für Feldgeräte. Das folgende Diagramm veranschaulicht deren Verwendung. Beide Typen werden auf Chipbasis implementiert. Wenn Steuerungen oder andere Geräte (z. B. HMIs) horizontal oder vertikal kommunizieren, ist ein 4-Port-Switch erforderlich. Da der Preis dieses Ports keine große Rolle spielt, wird er üblicherweise als Submodul auf der Steuerung installiert. Für kostengünstigere Feldgeräte kann ein 2-Port-Chip direkt im Gerät integriert werden. Diese beiden Chips tragen die Bezeichnungen ERTEC 400 (4-Port-Switch, Muster aus dem 3. Quartal 2004) und ERTEC 200 (2-Port-Switch, voraussichtlich ab Mai verfügbar). Sie nutzen Zeitmultiplexverfahren (TDM) in IRT-Kanälen, um die präzise Verbindung des Systems für die Nachrichtenübertragung zwischen den vorgesehenen Geräten sicherzustellen. Daten können mit einem einfachen Schalter an einen anderen Empfänger im System übertragen werden. Beide Typen unterstützen die Standard-Ethernet-Switching-Funktionalität, ersetzen externe Ethernet-Switches und ermöglichen die Erstellung komplexer Automatisierungsstrukturen. Die Ringverbindung rechts im Diagramm veranschaulicht die Erstellung redundanter Subnetze. Der ERTEC 200 verfügt über eine Ethernet-Bitübertragungsschicht und ist relativ kostengünstig genug, um in einen Treiber integriert zu werden. Der ERTEC 400 besitzt keine Ethernet-Bitübertragungsschicht und kann als PCI-Subsystem-Verbindung in Bewegungssteuerungen eingesetzt werden. Siemens und NEC Electronics haben diese beiden Produkte angekündigt. Aufgrund von Kostensenkungen werden diese ERTEC-Switcher auch in anderen Produkten zum Einsatz kommen. Marktsegmente: PROFINET zielt auf zwei Hauptmärkte ab: verteilte Steuerung und verteilte Automatisierung. Erstere wird von gängigen Automatisierungskonzepten bestimmt und kann eine traditionelle Lösung ähnlich PROFIBUS DP nutzen. Letzteres wird ein erhebliches Wachstum erfahren, da einzelne Komponenten eines Automatisierungssystems zu einer einzigen Produktionseinheit kaskadiert werden (z. B. könnte eine Lackieranlage eine Waschstation, eine Lackierstation, eine Trocknungs-, Kühl- und eine Trockenstation umfassen, jeweils mit eigener Remote-I/O und einem oder mehreren Controllern). Aktuell nutzen nur wenige Unternehmen diese Art der Automatisierung (z. B. Werkzeugmaschinenhersteller), doch immer mehr Endanwender (insbesondere in der Automobilindustrie) werden diesen Weg einschlagen. PROFINET unterstützt beide Szenarien, und verteilte Steuerungslösungen werden für einige Zeit dominieren. Die verteilte Steuerungslösung ist PROFINET I/O, das eine verteilte I/O-Lösung ähnlich PROFIBUS DP bietet und zudem die Vorteile von Industrial Ethernet nutzt. Im Wesentlichen bietet es dieselbe I/O-Funktionalität wie herkömmliche Remote-I/O-Blöcke und sichert so die langfristige Rentabilität der Investitionen des Herstellers. Allerdings bringt dies auch Herausforderungen mit sich, wie z. B. unterschiedliche Kommunikationsarchitekturen, neue Konfigurations- und Wartungswerkzeuge und erfordert daher Schulungen für die Endanwender sowie ein Bestandsmanagement. Wie bei PROFIBUS erhält jedes PROFINET-E/A-Gerät eine ID-Nummer und eine Konfigurationsdatei (ähnlich GSD). Diese Datei heißt GSDML und ist im XML-Format. Sie definiert die Anwendungsbeziehung zwischen Steuerung und Feldgeräten und ermöglicht so die Einrichtung von Kommunikationsbeziehungen gemäß den PROFINET-Standards und Echtzeit-Kommunikationsoptionen. Während der Installation wird UDP verwendet. Nach Abschluss der Installation werden die Daten mithilfe eines Synchronisationsverfahrens in der ersten Phase zyklisch zwischen Steuerung und Feldgeräten übertragen. Verteilte Automatisierungssysteme sind eine der Haupttriebkräfte hinter PROFINET. Basierend auf der seit vielen Jahren in der Computerindustrie eingesetzten objektorientierten Technologie betrachtet PROFINET Automatisierungsmodule als „Objekte“ oder „Komponenten“ innerhalb eines größeren Systems. Indem jedoch jede Komponente als Funktionsblock mit einer Reihe von Ein- und Ausgängen beschrieben wird, vereinfacht PROFINET das Konzept von Objekten aus der Computerwelt. Dies entspricht optimal der Funktionalität in realen Automatisierungssystemanwendungen. In einer Lackieranlage beispielsweise reinigt das System zunächst das Produkt, befördert es dann mechanisch zum Lackierbehälter und gibt während des Lackiervorgangs ein Sprühsignal aus. Die Kombination von Mechanik, Elektrik und Steuerung vereinfacht die Prozesse für OEMs und Anwender gleichermaßen. Für OEMs bedeutet dies, dass verschiedene Maschinen und Systeme dieselben Basiskomponenten nutzen können und sich lediglich in der Art ihrer Verbindung unterscheiden. PROFINET standardisiert die Schnittstellen zwischen verschiedenen Automatisierungsmodulen und ermöglicht so die einfache Verbindung mit gängigen Engineering-Tools. Mithilfe von XML und standardisierten Programmiermethoden lassen sich Funktionsbausteine ​​aus der Bibliothek kopieren und in einem PC-basierten Verbindungseditor wie Leiterplattenverbindungen konfigurieren. CAD-Software unterstützt effizientes Design, Konfiguration und Inbetriebnahme, insbesondere wenn Wiederverwendbarkeit wichtig ist. Da die Komplexität des Netzwerks verborgen bleibt und die Kommunikation automatisiert erfolgt, sind keine Kommunikationskenntnisse erforderlich. Um dieses Konzept zu unterstützen, wird jedem Automatisierungsfunktionsbaustein ein XML-basiertes PCD-Dokument (PROFINET Part Description) beigefügt, das Beschreibungen der verwendeten Hardware und Software enthält. Nach der Konfiguration wird das PROFINET-Programm über das Netzwerk auf die Hardware heruntergeladen und startet. Die Bildschirmdiagnose lokalisiert Fehler schnell und präzise. Dank der Unterstützung von DCOM und RPC (Remote Procedure Call) lässt sich die offene Kanalkommunikation von PROFINET in typischen komponentenorientierten Systemen nutzen. Die Integration in Unternehmensnetzwerke über Ethernet TCP/IP ermöglicht die vollständige Anbindung des PROFINET-Systems an die IT-Domäne und – noch wichtiger – an das Internet sowie an netzwerkbasierte Dienste und Tools. So kann es beispielsweise Slaves im Netzwerk automatisch per DHCP (Distributed Host Configuration Protocol) Adressen zuweisen. SNMP dient der Netzwerkverwaltung und ermöglicht die Fernkonfiguration jedes angeschlossenen Geräts sowie die Fernabfrage von Status und Diagnoseinformationen. Die Netzwerkintegration ist in PROFINET definiert und ermöglicht Inbetriebnahme, Diagnose und Wartung über einen gängigen Browser. Die Verwendung von OPC als universelle Schnittstelle zur Datenextraktion erleichtert die IT-Integration zusätzlich. PROFINET definiert, wie Daten in verschiedenen aktiven Gerätetypen dargestellt werden. OPC DX (OPC Data Exchange), das von OPC über Feldbussegmente hinweg erzeugt wird, kommt ebenfalls in PROFINET zum Einsatz. Was die Auswirkungen auf traditionelle Systeme betrifft, so ist es – abgesehen von einigen Überschneidungen – für PROFINET auf absehbare Zeit unmöglich, PROFIBUS zu ersetzen. Marktanalysen prognostizieren einen Wendepunkt im Jahr 2010. Die Gründe dafür sind praktischer Natur. Selbst angesichts der Attraktivität von Ethernet werden Anwender ihre bestehenden PROFIBUS-Systeme voraussichtlich nicht aufgeben. Darüber hinaus wird der Feldbus auch in den kommenden Jahren die Marktanforderungen erfüllen, insbesondere in Spezialgebieten wie Maschinensicherheit und Prozesssteuerung. Marktforschungen deuten darauf hin, dass sich die Anzahl der PROFIBUS-Installationen in den nächsten vier Jahren von 10 Millionen auf 20 Millionen verdoppeln wird. Letztendlich wird es einige Zeit dauern, bis PROFINET günstiger als PROFIBUS ist. Der Trend zu Ethernet-basierten Automatisierungslösungen ist jedoch unaufhaltsam, weshalb es entscheidend ist, dass sich bestehende Systeme und Technologien problemlos in die PROFINET-Architektur integrieren lassen. Zwei Lösungsansätze wurden identifiziert: die Verwendung eines Proxy-Servers oder komponentenbasierte Lösungen. Komponentenbasierte Lösungen wurden bereits beschrieben. Die Proxy-Server-Lösung ist jedoch einzigartig und bemerkenswert für PROFINET: Sie unterstützt jedes Feldbusprotokoll. Im Wesentlichen fungiert ein Proxy-Server als Gateway zwischen dem Feldbussystem und PROFINET. Die eine Hälfte der Geräte ist mit PROFIBUS (z. B. PROFIBUS-Master) verbunden, die andere Hälfte mit PROFINET. Die transparente Kommunikation zwischen diesen beiden Systemen ermöglicht es dem Proxy-Server, Slave-Geräte über Ethernet zu ersetzen. Da für das Protokoll kein Tunneling erforderlich ist, ist die Kommunikation genauso effizient wie in einem reinen PROFINET-System. Die Proxy-Server-Technologie ist sowohl mit direkt verbundenen Systemen als auch mit komponentenbasierten Subnetzen kompatibel. Die Proxy-Server-Lösung ist flexibel genug, um sich an jedes Feldbussystem anzupassen. Das bedeutet: Wenn Endanwender Geräte auf Ethernet migrieren möchten, können sie PROFINET für diese Automatisierungslösung wählen, unabhängig vom bestehenden Industrienetzwerk. Führende europäische Automobilhersteller fordern seit Längerem eine einheitliche Ethernet-Lösung für ihre Werke, und PROFINET scheint ihre Anforderungen optimal zu erfüllen. PROFINET bietet darüber hinaus weitere entscheidende Vorteile. Die dreiteilige Kommunikationslösung eröffnet optimale Möglichkeiten für die Entwicklung und Implementierung innovativer Systeme. Die Echtzeitfunktionen von IRT sind wegweisend in der Automatisierungstechnik, insbesondere die neuartige Switching-Technologie. XML-basierte Engineering-Funktionen gewährleisten universelle Unterstützung. Die Lösung für verteilte Automatisierungskomponenten sichert eine zukunftssichere Entwicklung. TCP/IP-Kompatibilität ermöglicht eine offenere Integration, ein einfacheres Fabrikmanagement und geringere Kosten durch standardisierte Werkzeuge und eine gemeinsame Plattform. Darüber hinaus hat sich das Proxy-Server-Konzept bewährt; die Fähigkeit von PROFINET, andere Feldbusprotokolle zu integrieren statt sie zu ersetzen, ist ein entscheidender Faktor.