Zusammenfassung: Um der rasanten Entwicklung der industriellen Kommunikation gerecht zu werden, bietet PROFINET eine Echtzeitlösung für Automatisierungsanwendungen. PROFINET deckt NRT, RT und IRT ab und erfüllt damit vielfältige Kommunikationsanforderungen. PROFINET ermöglicht eine schnelle, einfache, steuerbare und deterministische industrielle Kommunikation. Zusammenfassung: Industrielles Ethernet ist derzeit die am schnellsten wachsende Technologie in der industriellen Kommunikation. PROFINET ist ein echtes Echtzeit-Industrie-Ethernet, das in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann und vielfältige Steuerungsaufgaben erfüllt. Aus Sicht des Übertragungsprotokolls kategorisiert PROFINET Daten in drei verschiedene Typen: NRT, RT und IRT. Aus Anwendungssicht ist PROFINET in CBA und I/O unterteilt und realisiert so ein revolutionäres, durchgängiges industrielles Steuerungsnetzwerk. Schlüsselwörter : PROFIBUS, Industrielles Ethernet, Echtzeit, Industriekommunikation. Der Lebenszyklus elektronischer Produkte verkürzt sich immer weiter, und der Bereich der Automatisierung entwickelt sich rasant. Die Entwicklung der Automatisierungstechnik wird zunehmend von der Informationstechnologie und etablierten Standards (wie TCP/IP und XML) beeinflusst. Vor diesem Hintergrund hat sich auch die Feldbustechnologie in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt und bedeutende Innovationen erfahren. Als Reaktion auf steigende Nutzeranforderungen wie Investitionsschutz, modulare Prozesstechnologie und Kosteneinsparungen bei der Planung und Inbetriebnahme hat die PROFIBUS International Organization mit PROFINET einen neuen Ethernet-basierten Automatisierungsstandard entwickelt. PROFINET ist eine ganzheitliche Lösung, die TCP/IP- und IT-Standards nutzt, Echtzeit-Automatisierungssysteme auf Basis von Industrial Ethernet unterstützt, alle Anforderungen der Automatisierungstechnik abdeckt und die nahtlose Integration mit Feldbussen ermöglicht. Besonders hervorzuheben ist, dass PROFINET die gesamte Kommunikation über ein einziges Kabel realisiert, ohne Einschränkungen bei IT-Diensten und der Offenheit von TCP/IP. So erfüllt es die Anforderungen aller Kunden an einheitliche Kommunikation – von leistungsstarker bis hin zu skalierbarer Echtzeitkommunikation auf Basis isochroner Synchronisation. PROFINET ist nun als Typ 10 in den internationalen Feldbusstandard IEC-61158 aufgenommen worden. Mit PROFINET lassen sich integrierte, konsistente Automatisierungslösungen auf Basis von Industrial Ethernet realisieren. Es unterstützt die Integration einfacher, verteilter Feldgeräte, die über Ethernet kommunizieren, sowie zeitkritischer Anwendungen und die Integration komponentenbasierter, verteilter Automatisierungssysteme. Um den Anforderungen verschiedener Steuerungsobjekte gerecht zu werden, nutzt PROFINET je nach Kommunikationszweck drei unterschiedliche Leistungsstufen: ● Übertragung nicht zeitkritischer Daten über Standardkanäle via TCP/UDP/IP. Beispiele hierfür sind Parameter, Konfigurationsdaten und Verbindungsinformationen. Dies erfüllt die Konnektivitätsanforderungen der Automatisierungsschicht mit anderen Netzwerken (MES, ERP). PROFINET verwendet Ethernet und TCP/UDP/IP als Kommunikationsgrundlage. TCP/UDP/IP ist der De-facto-Standard für Kommunikationsprotokolle im IT-Bereich. TCP/UDP/IP ermöglicht Ethernet-Geräten den Datenaustausch über transparente Kanäle in lokalen und verteilten Netzwerken. ● Für die Übertragung zeitkritischer Prozessdaten innerhalb von Produktionsanlagen wird ein Echtzeitkanal (RT) verwendet. Dieser ist softwarebasiert und auf Basis verfügbarer Steuerungen implementiert. In der Fabrikautomation erfordern Echtzeitanwendungen Aktualisierungs-/Reaktionszeiten von 5–10 ms. Erfahrungsgemäß ist die Übertragungszeit über schnelle Ethernet-Leitungen (100 Mbit/s oder höher) im Vergleich zur Verarbeitungszeit in der Anlage vernachlässigbar. Die Datenverfügbarkeit in den Anwendungen des Anbieters wird durch die Kommunikation nicht beeinträchtigt. Das bedeutet, dass signifikante Verbesserungen der Aktualisierungszeit und der Echtzeit-Reaktionszeit primär durch die Optimierung des Publisher-User-Kommunikationsstacks erzielt werden können. Der Echtzeit-Kommunikationskanal in PROFINET ist auf die Echtzeitanforderungen der Automatisierung ausgelegt und basiert auf Ethernet (Layer 2). Diese Lösung reduziert die Laufzeit des Kommunikationsstacks erheblich und verbessert so die Performance hinsichtlich der Aktualisierungsrate der Prozessdaten. PROFINET nutzt Fast Ethernet, das die Vollduplex-Switching-Technologie integriert und standardisiert. Die priorisierte Datenübertragung in PROFINET minimiert nicht nur den Kommunikationsstack im Controller, sondern optimiert auch die Datenübertragung im Netzwerk. Um in diesen Situationen optimale Ergebnisse zu erzielen, priorisiert PROFINET die Datenpakete gemäß IEEE 802.1Q. Die Datenflüsse zwischen den Geräten werden dann von den Netzwerkkomponenten basierend auf dieser Priorität verarbeitet. Priorität 6 ist die Standardpriorität für Echtzeitdaten und gewährleistet somit die prioritäre Verarbeitung für andere Anwendungen. Für synchrone Anwendungen nutzt PROFINET die isochrone Echtzeitkommunikation (IRT), die eine Jittergenauigkeit von 1 µs bei einer Taktrate von 1 ms ermöglicht. Echtzeitkanal-Lösungen (RT) sind für Bewegungssteuerungsanwendungen jedoch nicht ausreichend. Diese erfordern Aktualisierungsraten von 1 ms und eine Jittergenauigkeit von 1 µm für kontinuierliche Zyklen von 100 Knoten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat PROFINET ein zeitbegrenztes Übertragungsverfahren (IRT) auf Basis des Layer-2-Protokolls von Fast Ethernet definiert. Durch die Synchronisierung der Zeit der beteiligten Geräte (Netzwerkkomponenten und PROFINET-Geräte) mit der genannten Genauigkeit lassen sich im Netzwerk Zeitschlitze definieren, innerhalb derer kritische Daten für Automatisierungsaufgaben übertragen werden können. Der Kommunikationszyklus ist in zwei Teile gegliedert: einen zeitdeterministischen und einen offenen Teil. Echtzeitnachrichten werden im zeitdeterministischen Kanal, TCP/IP-Nachrichten im offenen Kanal übertragen. Die isochrone synchrone Datenübertragung ist in Hardware implementiert. Hardwarebasierte Implementierungen erfüllen die extrem hohen Anforderungen an die sequentielle Genauigkeit und entlasten gleichzeitig den Prozessor, der für die PROFINET-Gerätekommunikation zuständig ist. Dadurch entfallen aufwendige Berechnungen, was eine Lösung für Automatisierungsaufgaben ermöglicht. Die drei Leistungsstufen der PROFINET-Kommunikation decken das gesamte Spektrum von Automatisierungsanwendungen ab. Zu den Merkmalen des PROFINET-Kommunikationsstandards gehören: ● Gleichzeitige Nutzung von Echtzeitkommunikation und TCP-basierter IT-Kommunikation über eine einzige Kommunikationsleitung. ● Standardisierte Echtzeitprotokolle, die für alle Anwendungen, die Kommunikation zwischen Komponenten in verteilten Systemen sowie die Kommunikation zwischen Steuerungen und verteilten Feldgeräten anwendbar sind. ● Skalierbare Echtzeitkommunikation von allgemeiner bis hin zu hoher Leistung und Zeitsynchronisation. Um diese drei verschiedenen Kommunikationsmethoden zu realisieren und die technischen Anforderungen der industriellen Steuerung zu erfüllen, nutzt PROFINET zwei wichtige Anwendungsansätze: ● Komponentenbasierte Automatisierung (CBA) in der verteilten Prozessimplementierung. Das PROFINET-Komponentenmodell ist ideal für intelligente Feldgeräte und Automatisierungsanlagen mit programmierbaren Funktionen. Das Komponentenmodell beschreibt autonome Module von Maschinen oder Anlagen als Prozesstechnologiemodule. Verteilte Automatisierungssysteme, die auf Prozesstechnologiemodulen basieren, vereinfachen den modularen Aufbau von Anlagen und Maschinen und reduzieren die Wiederverwendung von Anlagen- und Maschinenteilen erheblich. Dies senkt die Konstruktionskosten deutlich. PROFINET basiert auf dem Komponentenmodell und wird durch PCD (PROFINET Component Description) beschrieben. Es handelt sich dabei um eine XML-Datei, die mit dem Komponentengenerator herstellerspezifischer Konfigurationstools oder dem PROFINET-Komponenteneditor erstellt werden kann. Die Konstruktion verteilter Automatisierungsanlagen gliedert sich in die Programmierung der Steuerungslogik jedes Prozesstechnologiemoduls (mithilfe herstellerspezifischer Konfigurationstools) und die Prozesstechnologiekonfiguration der gesamten Anlage. Letztere legt die Kommunikationsbeziehungen zwischen den Prozesstechnologiemodulen fest. ● Verteilte Feldgeräte (PROFINET IO): Verteilte Feldgeräte werden über PROFINET IO integriert. Hierbei kommt der Standard PROFIBUS DP IO zum Einsatz, der die IO-Daten der Feldgeräte zyklisch an das Prozessabbild der SPS überträgt. Im Gerätemodell von PROFINET IO werden die Eigenschaften der Feldgeräte durch XML-basierte GSD-Dateien (General Station Description) beschrieben. Weitere Aspekte umfassen: ● Webfunktionsintegration: Die Webintegration ermöglicht den Zugriff auf PROFINET-Geräte über Ethernet. PROFINET setzt dabei auf bewährte Standardtechnologien wie HTTP, HTML und XML. Geräteinformationen, Diagnose- und Berichtsfunktionen werden über einheitliche Websites bereitgestellt, was eine einfache Abfrage und Fehleridentifizierung ohne zusätzliche Engineering-Tools ermöglicht. Der Gerätezugriff ist über einen Standardbrowser wie Microsoft Internet Explorer möglich. ● IT-Integration: Das Netzwerkmanagement umfasst alle Funktionen der PROFINET-Geräteverwaltung in einem Ethernet-Netzwerk. Dazu gehören Geräte- und Netzwerkkonfiguration sowie Netzwerkdiagnose. Für die Webintegration nutzt PROFINET Ethernet-basierte Technologie, und PROFINET-Komponenten sind über Standard-Internet-Technologien erreichbar. Um offene Verbindungen mit anderen systemweiten Systemen herzustellen, verwendet PROFINET OPC DA und DX. ● Netzwerktopologie: Diese hängt von den Anforderungen der zu vernetzenden Einheiten ab. PROFINET-Netzwerktopologien umfassen Stern-, Linien-, Baum- und Ringstrukturen. In der Praxis bestehen Systeme häufig aus Hybridstrukturen, die mit Kupfer- oder Glasfaserkabeln realisiert werden. ● Netzwerkinstallation: Die PROFINET-Netzwerkinstallation bietet Geräteherstellern klare Spezifikationen für Geräteschnittstellen und Verkabelungsanforderungen, die auf den spezifischen Anforderungen von Ethernet-Netzwerken in industriellen Umgebungen basieren. Die „PROFINET-Installationsrichtlinien“ bieten Geräteherstellern und -betreibern einfache Regeln für die Ethernet-Netzwerkinstallation. Als Feldbus der nächsten Generation muss PROFINET mit vielen etablierten, aktuell eingesetzten Feldbussen kompatibel sein. Aufgrund des Einsatzes von IT-Technologie ist der Investitionsschutz bei PROFINET-Lösungen ebenfalls entscheidend. PROFINET kann bestehende Feldbussysteme (wie INTERBUS, PROFIBUS) ohne Modifikation der vorhandenen Geräte integrieren. Dies schützt die bestehenden Investitionen aller Anleger. PROFINET ermöglicht einen nahtlosen Übergang von bestehenden Feldbuslösungen (z. B. INTERBUS, PROFIBUS DP) zu Ethernet-basiertem PROFINET. PROFINET bietet zwei Methoden zur Integration von Feldbussystemen: ● Feldbusgeräteintegration über einen Proxy-Server: In diesem Fall repräsentiert der Proxy-Server die Feldgeräte der unteren Ebene im Ethernet. Mit diesem Ansatz ermöglicht PROFINET einen vollständig transparenten Übergang von bestehenden zu neu installierten Geräten. ● Integration der gesamten Feldbusanwendung: Ein Feldbussegment stellt eine eigenständige PROFINET-Komponente dar, die ein PROFINET-Gerät repräsentiert, das auf einem Feldbus niedrigerer Ebene (z. B. INTERBUS, PROFIBUS DP) arbeitet. Die gesamte Funktionalität des Feldbusses niedrigerer Ebene ist somit als Komponente im Proxy-Server gespeichert und steht anschließend über Ethernet zur Verfügung. Um alle Automatisierungsanforderungen zu erfüllen, vereint PROFINET jahrelange Erfahrung mit Feldbus- und Industrial-Ethernet-Technologien und definiert seinen Ansatz von Anfang an als offenen Standard, einfache Integration bestehender Geräte und einen definierten Integrationsmechanismus. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von PROFINET bietet Anwendern langfristige Zukunftsperspektiven. Für Anwender reduziert die Einführung von PROFINET die Kosten für Installation, Engineering und Inbetriebnahme. Für Betreiber vereinfacht PROFINET die Anlagenerweiterung und verbessert die Anlagenverfügbarkeit durch adaptive Submodule. System- und Maschinenhersteller profitieren mit PROFINET von: erhöhter Verfügbarkeit dank adaptiver Module; kürzeren Inbetriebnahmezeiten durch parallelen Einsatz; und optimierter Diagnose durch übersichtliche gerätespezifische Details, wodurch der Übergang von der Planung zum Betrieb beschleunigt wird. Als Systemintegratoren profitieren sie von: freier Lieferantenwahl dank offener, standardisierter Kommunikation von der Feldebene bis zur Unternehmensleitung; und einfacher Erweiterung offener Engineering-Systeme durch Modularität. Hohe Systemverfügbarkeit wird durch adaptive Subsysteme erreicht; Investitionen werden durch die Integration bestehender Systeme und Geräte geschützt; und hohe Qualitätsstandards werden durch den Einsatz zertifizierter Geräte gewährleistet. PROFINET – weit mehr als nur Ethernet, es ist eine offene Lösung für die Automatisierung. ● PROFINET definiert leistungsstarke Funktionen und ermöglicht die Implementierung kompletter Automatisierungslösungen von der Netzwerkinstallation bis zur webbasierten Diagnose. ● Die modulare Struktur von PROFINET ermöglicht die einfache Erweiterung und Integration zusätzlicher Funktionen. ● PROFINET bietet standardisierte, herstellerunabhängige Engineering-Schnittstellen. Es erleichtert die Integration von Geräten und Komponenten verschiedener Hersteller in ein einziges System. Kommunikationsverbindungen zwischen Geräten werden grafisch konfiguriert und erfordern keine Programmierung.