PROFINET Grundlagen

Nach den ersten Überlegungen im Jahr 2000 durch die Mitglieder der PROFIBUS-Nutzerorganisation bzgl. eines PROFIBUS Nachfolgers, wurde im Jahr 2003  die erste Spezifikation für PROcess-FIeld-NETwork (IO) veröffentlicht, die aktuell vielfach zum Einsatz kommt. Die Idee bestand besteht darin, die Vorteile des bewährten PROFIBUS mit den Vorzügen von Industrial Ethernet zu vereinen. Die Flexibilität in den Varianten und die Modularität bietet für die meisten Anwendungen eine optimale Lösung. Standardisiert ist PROFINET in den Normen IEC61158 und IEC61784.

Physik

Als Übertragungstechnik wird das 100 Mbit/s Ethernet (IEEE802) als Kupfer 100 BaseTX oder 100 BaseFX im Voll-Duplex-Betrieb vorgegeben. Die Kabellänge bei 100 BaseTX darf maximal 100 m zwischen den Teilnehmern betragen, bei Verwendung von Glasfaser, abhängig von der verwendeten Technologie, mehrere Kilometer.

Verbindungen über WLAN und Bluetooth sind mit Einschränkungen im Echtzeit-Verhalten möglich.
Als Verbindungstechnik wird meist RJ45-Technik verwendet, aber auch Schraubverbinder M8 oder M12.

 

Topologie

Es kommen die von Ethernet vorgegebenen Topologien zum Einsatz. Im einfachsten Fall eine Stern-Topologie mit einem Switch als zentralen Knotenpunkt. Stern-Netzwerke lassen sich miteinander verbinden.

Durchaus üblich bei vielen Anbietern von PROFINET-Feldgeräten, ist ein integrierter Switch mit zwei Ethernet-Ports. Der Vorteil liegt darin, dass sich hier eine klassische Linien-Topologie aufbauen lässt, um den Verkabelungsaufwand zu reduzieren.

Mit diesen Technologien sind auch Baum-Strukturen möglich.
Um die Topologie einfach verwalten und schnell anpassen zu können, bietet PROFINET das Link-Layer-Discovery-Protocol (LLDP), um zu erkennen, welches Gerät sich an welchem Switch-Port befindet. Dies ist auch die Basis für einen einfachen Gerätetausch über das PROFINET Engineering Tool.

Das Medien-Redundanz-Protokoll (MRP) erlaubt den Aufbau einer Ring-Topologie zur Erhöhung der Ausfallsicherheit.

Bei PROFINET handelt es sich um ein Provider-Consumer-System mit drei unterschiedlichen Gerätetypen:

  • Der PROFINET Controller ist in den meisten Fällen eine Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS), die das Automatisierungsprogramm abarbeitet (vergleichbar PROFIBUS Master Klasse 1).
  • Der PROFINET Supervisor kann das Programmiergerät (PC) oder ein Bediengerät (HMI) sein (vergleichbar PROFIBUS Master Klasse 2).
  • Das PROFINET Device ist ein dezentrales Feldgerät, das von einem IO-Controller kontrolliert und gesteuert wird. Ein IO-Device kann aus mehreren Modulen und Submodulen für Ein- und Ausgänge bestehen.

Die unterstütze Anzahl an Teilnehmern in einem Netzwerk liegt theoretisch bei 65 Millionen. Da PROFINET (auch bedingt durch die Ethernet-Physik) Multi-Controller fähig ist, ist die Anzahl der PROFINET Devices an einem Controller abhängig von der Leistungsfähigkeit des Controllers. So sind es zum Beispiel bei einer Siemens S7 1200 bis zu 8 Verbindungen, bei der S7 1500 Serie 96 bis 384 Verbindungen.

PROFINET IO-Realtime (Profinet IO-RT) ermöglicht eine Übertragung von Prozessdaten im Bereich von ein bis zehn Millisekunden und ist damit für die meisten Anwendungen geeignet. RT-Daten werden gegenüber anderem Datenverkehr priorisiert übertragen.

Die Aktualisierungsrate kann nach Bedarf für jeden PROFINET-Teilnehmer individuell konfiguriert werden. Dabei beträgt die Abweichung bei der Übertragung maximal einer Mikrosekunde (Jitter). Da diese hohe Leistungsfähig entsprechende Hardware-Unterstützung erfordert, müssen alle Teilnehmer entsprechend für Profinet-IO-IRT geeignet sein.

Pro IO-Device können bis zu 1440 Byte an Prozessdaten übertragen werden.

Die Geräte-Adressierung erfolgt über MAC- bzw. IP-Adresse über eine Adressauflösung über einen symbolischen eindeutigen PROFINET-Gerätenamen, der per Software eingestellt wird.

Die Adressierung von Daten erfolgt über die Angabe von Slot, Sub-Slot und Index. Diese Information ist Bestandteil der jeweiligen Gerätebeschreibungsdatei eines PROFINET-Teilnehmers. Bei modular aufgebauten Geräten sind der Slot und Index in der visuellen Bus-Konfiguration ersichtlich.

PROFINET unterstützt sowohl eine zyklische Datenübertragung (IO-Data) als auch Parameter-/Bedarfsdaten (Record-Data) und entsprechende Diagnosen/Alarme.

Geräte-Konformitätsklassen ermöglichen eine Auswahl von Feldgeräten, die bestimmte Mindesteigenschaften bzgl. Funktionalität und Performance unterstützen.

Conformance Class A
Basisfunktionalität für den Datenaustausch zwischen Device und Controller zyklisch, azyklisch (zumindest Identification und Maintenance) und Gerätediagnose.
 

Conformance Class B
Ergänzung weitere Funktionen wie z.B. der vereinfachte Gerätetausch, Zugriff mehrerer Controller auf unterschiedliche Funktionen eines Device (z.B. Eingänge), Netzwerkdiagnose über SNMP.
Optional: Redundanzfunktionen (MRP), Schneller Anlauf (Fast Start-Up)
 

Conformance Class C
Hardware-gestützte Bandbreitenreservierung (PROFINET IO-IRT),
Optional: Taktsynchronität, Redundanz ohne Verzögerung (MRPD, Media Redundancy for Planned Duplication)
 

Conformance Class D
Unterstützung für Time-Sensitive-Networking (TSN)

​​​​​​​Konfiguration

 

Die PROFINET-Konfiguration erfolgt üblicherweise über eine Software, die vom Anbieter des PROFINET-Controllers, meist SPS, zur Verfügung gestellt wird. Es werden die Gerätebeschreibungsdateien (GSD-Dateien) eingebunden, um anhand der dort beschriebenen Geräteeigenschaften die Konfiguration durchführen zu können. Dabei werden der Gerätename, Module gewählt, sowie Zykluszeiten und Verhalten im Fehlerfall, etc. eingestellt.

Varianten / Versionen

PROFINET Isochronus Realtime (PROFINET IO-IRT) zeichnet sich durch höchsten Determinismus und Taktsynchronität aus, um den Anforderungen der Conformance Class C zu entsprechen. Es können Aktualisierungsraten von 250 Mikrosekunden und schneller erreicht werden. Dabei beträgt die Abweichung bei der Übertragung maximal ein Mikrosekunde (Jitter). Da diese hohe Leistungsfähigkeit entsprechende Hardware-Unterstützung erfordert, müssen alle Teilnehmer für PROFINET IO-IRT ausgelegt sein.
Mit Hilfe von Applikationsprofilen haben sich Anbieter bei verschiedenen Applikationen auf die Eigenschaften ihrer Produkte verständigt, u. a. gibt es Profile für Antriebe (PROFIdrive), Drehgeber, Identifikationssysteme, Bahn-Anwendungen, Energiemanagement, Functional-Safety (PROFIsafe).

Anwendungsgebiete

PROFINET findet Anwendung in Maschinen und Anlagen der Fertigungsindustrie.

Weitere Informationen:

Verband für Verbraucher und Hersteller von PROFINET-fähigen Geräten

https://de.profinet.com/

Unser PROFINET-Portfolio:

Industrial Ethernet Switches

Switches verbinden industrielle Kommunikationskomponenten wie z. B. Steuerungen, Panel-PC, IOs oder Frequenzumrichter an einem dedizierten Punkt und bilden die zentralen Komponenten einer Ethernet-basierten Kommunikation, wie z.B. PROFINET.

 zu den Industrial Ethernet Switches

Wireless Bolt

für eine drahtlose Verbindung für PROFINET, Ethernet/IP, ModbusTCP oder BACnet/IP. Kombiniert Bluetooth und WLAN-Technologie in einem Gerät.

 zum Wireless Bolt

Gateways

Kommunikation zu einem PROFINET-Master möglich
Generieren der XML-Gerätebeschreibungsdatei via Kostenfreier Software
unterschiedlichste Bauformen erhältlich.

 zu den PROFINET-Gateways

 

PROFINET-Drehgeber
der Wachendorff Automation GmbH & Co. KG

Vollwellendrehgeber und Endhohlwellendrehgeber,
Standard, sehr kompakt oder Heavy Duty,
verschiedene Wellendurchmesser und Flanschtypen.

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