PROFINET

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PROFINET ist der offene Industrial Ethernet Standard von PROFIBUS & PROFINET International (PI) für die Automatisierung. Profinet nutzt TCP/IP und IT-Standards, ist Echtzeit-Ethernet fähig und ermöglicht die Integration von Feldbus-Systemen.

Das Profinet-Konzept ist modular aufgebaut, so dass der Anwender die Funktionalität selbst wählen kann. Diese unterscheidet sich im Wesentlichen durch die Art des Datenaustauschs, um den Anforderungen an Geschwindigkeit gerecht zu werden.

Bei Profinet gibt es die beiden Sichtweisen Profinet-CBA und Profinet-IO:

• Profinet-CBA (Component Based Automation) eignet sich für die komponentenbasierte Kommunikation über TCP/IP und die Real-Time-Kommunikation für Echtzeitanforderungen im modularen Anlagenbau. Beide Kommunikationswege können parallel genutzt werden.
• Profinet-IO ist für die Real-Time- (RT) und die taktsynchrone Kommunikation IRT (IRT= Isochronous Real-Time) mit der dezentralen Peripherie geschaffen worden. Die Bezeichnungen RT und IRT beschreiben lediglich die Echtzeit-Eigenschaften bei der Kommunikation innerhalb von Profinet-IO.

Profinet-CBA und Profinet-IO können zur gleichen Zeit am selben Bussystem kommunizieren. Sie können sowohl separat betrieben als auch kombiniert werden, so dass eine Profinet-IO-Teilanlage in der Anlagensicht als eine Profinet-CBA-Anlage erscheint.

[Bearbeiten] Technologie

Um diese Funktionen zu erreichen sind drei verschiedene Protokollstufen definiert:

• TCP/IP für Profinet-CBA und die Inbetriebnahme einer Anlage mit Reaktionszeiten im Bereich von 100ms
• RT (Real-Time) Protokoll für Profinet-CBA und Profinet-IO, Anwendung bis 10 ms Zykluszeiten
• IRT (Isochronous Real-Time) für Profinet-IO, Anwendungen bei der Antriebstechnik mit Zykluszeiten unter 1ms

Das Profinet Protokoll kann mit jedem Ethernet-Analysewerkzeug aufgezeichnet und dargestellt werden. Wireshark/Ethereal decodiert in der aktuellen Version auch die Profinet-Telegramme.

[Bearbeiten] Profinet Komponenten-Modell (Profinet-CBA)

Ein Profinet-CBA System besteht aus verschiedenen Automatisierungskomponenten. Eine Komponente umfasst alle mechanischen, elektrischen und informationstechnischen Größen. Die Komponente kann mit den üblichen Programmierwerkzeugen erstellt worden sein.

Zur Beschreibung einer Komponente wird eine Profinet Component Description (PCD)-Datei in XML erstellt. Ein Planungswerkzeug lädt diese Beschreibungen und erlaubt Erstellung der logischen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten zur Realisierung einer Anlage.

Dieses Modell ist stark von der Norm IEC 61499 inspiriert worden.

Der Grundgedanke von Profinet-CBA ist, dass man in vielen Fällen eine gesamte Automatisierungsanlage in autonom arbeitende – und damit überschaubare – Teilanlagen gliedern kann. Der Aufbau und die Funktionalität können sich durchaus in mehreren Anlagen in identischer oder leicht modifizierter Form wiederfinden. Solche sogenannten Profinet-Komponenten sind normalerweise durch eine überschaubare Anzahl von Eingangssignalen gesteuert. Innerhalb der Komponente führt ein vom Anwender geschriebenes Steuerprogramm die erforderliche Funktionalität innerhalb der Komponente aus und gibt die entsprechenden Ausgangssignale an eine andere Steuerung. Der damit verbundene Entwicklungsvorgang ist herstellerunabhängig. Die Kommunikation eines komponenten-basierten Systems wird projektiert statt programmiert. Die Kommunikation mit Profinet-CBA (ohne Real-Time) ist für Buszykluszeiten von ca. 50..100 ms geeignet. Im parallel angeordneten RT-Kanal sind Datenzyklen wie bei Profinet-IO möglich (ein paar ms).

[Bearbeiten] Dezentrale Peripherie (Profinet-IO)

Die Anbindung der dezentralen Peripherie ist durch Profinet-IO, manchmal auch PNIO abgekürzt, realisiert. Es definiert die Kommunikation mit den dezentral angeschlossenen Peripheriegeräten. Die Basis hierfür ist ein kaskadierbares Real-Time-Konzept. Profinet-IO beschreibt den gesamten Datenaustausch zwischen Controllern (Geräte mit sog. „Master-Funktionalität“) und den Devices (Geräte mit sog. „Slave-Funktionalität“), sowie die Parametrierung und Diagnose. Profinet-IO ist für den schnellen Datenaustausch zwischen Ethernet-basierten Feldgeräten ausgelegt und folgt dem Provider-/Consumer-Modell. Feldgeräte in einem unterlagerten Profibus-Strang können über einen IO-Proxy (Stellvertreter für ein unterlagertes Bussystem) in das Profinet-IO-System eingebunden werden. Ein Geräteentwickler kann Profinet-IO mit jedem handelsüblichen Ethernet-Controller realisieren. Es eignet sich gut für den Datenaustausch mit Buszyklus-Zeiten von ein paar ms. Das Projektieren eines IO-Systems ist vom „look and feel“ nahezu identisch wie bei Profibus gehalten. In Profinet-IO ist das Real-Time-Konzept immer enthalten.

Ein Profinet-IO System wird aus den folgenden Geräten zusammengesetzt:

• 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.
• IO-Supervisor ist ein Entwicklungs-Werkzeug typischerweise basierend auf einem PC um die einzelnen IO-Devices zu parametrieren und diagnostizieren.

Zwischen einem IO-Controller und einem IO-Device wird eine Application-Relation (AR) aufgebaut. Über diese AR werden Communication-Relations (CR) mit unterschiedlichen Eigenschaften für den Parametertransfer, zyklischen Datenaustausch und Alarm Behandlung festgelegt.

Die Eigenschaften eines IO-Devices werden vom Gerätehersteller in einer GSD-Datei (Generic Station Description) beschrieben. Als Sprache hierfür wird die GSDML (GSD Markup Language) – eine XML basierte Sprache – verwendet. Die GSD-Datei dient einer Entwicklungsumgebung als Grundlage für die Planung der Konfiguration eines Profinet-IO-Systems.

[Bearbeiten] Echtzeitfähigkeit

Innerhalb von Profinet-IO werden Prozessdaten und Alarme immer in Real-Time (RT) übertragen. Real-Time in Profinet basiert auf der Definition von IEEE und IEC, die nur eine begrenzte Zeit für die Ausführung von Real-Time-Diensten innerhalb eines Buszyklusses erlauben. Die RT-Kommunikation stellt die Basis für den Datenaustausch bei Profinet-IO dar. Real-Time-Daten werden höherprioritär behandelt als TCP(UDP)/IP-Daten. Wie eng dieses Fenster zu wählen ist hängt von den Echtzeit-Ausprägungen ab. RT liefert die Basis für die Echtzeit-Kommunikation im Bereich der dezentralen Peripherie sowie beim Profinet-Komponenten-Modell (Profinet-CBA). Mit dieser Art des Datenaustauschs sind Buszykluszeiten im Bereich von ein paar Hundert Mikrosekunden erreichbar.

[Bearbeiten] Taktsynchronität

Der taktsynchrone Datenaustausch mit Profinet ist beim Isochronous-Real-Time (IRT) Konzept definiert. Profinet-IO-Feldgeräte mit IRT-Funktionalität haben die Switchports im Feldgerät integriert. Sie basieren z.B. auf den Ethernet-Controllern ERTEC 400/200. Die Datenaustausch-Zyklen liegen normalerweise im Bereich von ein paar Hundert Mikrosekunden- bis hin zu wenigen Millisekunden. Der Unterschied zur Real-Time-Kommunikation liegt im Wesentlichen im Determinismus, so dass der Beginn eines Buszyklusses mit höchster Präzision eingehalten wird. Der Beginn eines Buszyklusses kann maximal um 1 µs abweichen (Jitter). IRT benötigt man beispielsweise bei Motion Control-Anwendungen (Positioniervorgänge).

[Bearbeiten] Weitere Funktionen des Profinet-Konzepts

• 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.
• Alle Profinet-Feldgeräte ermitteln ihre Nachbarn. Somit können Feldgeräte ohne zusätzliche Hilfsmittel und Vorkenntnisse im Fehlerfall getauscht werden. Durch Auslesen dieser Informationen kann die Anlagen-Topologie zur besseren Übersichtlichkeit grafisch dargestellt werden.
• Individuell eingestellte Daten können herstellerübergreifend geladen (bspw. über TCI) und in einem Parameter-Server automatisch archiviert werden. Das Nachladen erfolgt beim Gerätetausch ebenfalls automatisch.
• Das bei Profinet definierte Redundanzkonzept erhöht die Anlagenverfügbarkeit.

[Bearbeiten] Organisation

Profinet wird durch Profibus&Profinet International (PI) definiert und vom INTERBUS Club unterstützt und ist seit 2003 Teil der Normen IEC 61158 und IEC 61784.

Durch einen Zertifizierungsprozesses wird ein hoher Qualitätsstandard von Profinet-Produkten gewährleistet.

[Bearbeiten] Literatur

• Manfred Popp: Industrielle Kommunikation mit PROFINET, PROFIBUS Nutzerorganisation e.V., Best.-Nr. 4.181
• Manfred Popp: Das PROFINET IO-Buch. Praxis Grundlagen und Tipps für Anwender, Hüthig, ISBN 3-7785-2966-8
• Mark Metter, Raimond Pigan: PROFINET - Industrielle Kommunikation auf Basis von Industrial Ethernet Grundlagen, 2. Auflage, 2007, ISBN 3-89578-293-9

[Bearbeiten] Weblinks

• Industrial IT

Technische Informationen:

• Informationen zu PROFINET
• SIEMENS PROFINET Datei für SINAMICS G120

Organisation:

• PROFIBUS&PROFINET International (Dachorganisation)
• PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (Regionale Organisation für Deutschland)
• PROFIBUS Schweiz (Regionale Organisation für die Schweiz)