A Profinet (Process Field Network) gyakorlatilag a Profibus továbbfejlesztett ipari kommunikációs szabványa, mely TCP/IP- és IT-megoldásokon alapul. Valós idejű Ethernet-átvitelt alkalmaz, lehetővé teszi a terepi buszok integrálását. A nyitott szabvány a PROFIBUS Felhasználói Szervezet tulajdonában áll.
A Profinet moduláris felépítésű, a felhasználónak nagy szabadsága nyílik a rendszer optimalizációjára.
Változatai Két változata van, a Profinet IO és a Profinet CBA:
Az IO gyakorlatilag a terepi buszok funkcióit valósítja meg, míg a CBA (Component Based Automation) a TCP/IP-n alapuló valós idejű kommunikációra fekteti a hangsúlyt. Mindkét megoldás ugyanazon a vezetéken alkalmazható – akár egyidejűleg is.
Profinet IO A Profinet IO gyakorlatilag a meglehetősen népszerű és elterjedt Profibus DP utódjának tekinthető. Főleg az elosztott IO és a vezérlők közötti ciklikus adatcserét valósítja meg, de efölött biztosítja a diagnosztikát, a riasztások kezelését, és lehetővé teszi a paraméterezést. A Profinet IO ethernetes bázisú protokollokat alkalmaz az átvitelhez, a ciklusideje 31,25 μs és néhány ms között változhat az alkalmazott megfelelőségi osztálytól függően. A Profinet IO további, alárendelt terepi buszokkal is bővíthető, így megvalósítható, hogy például a korábban már kiépített Interbus rendszert ezzel a rendszerrel bővítsük ki.
Profinet IO megfelelőségi osztályok A Profinet IO tevékenységi köreit három megfelelőségi osztállyal lehet lefedni:
CC-A osztály: Gyakorlatilag a gyártók tanúsítványai elegendők ehhez az osztályhoz, már kiépített infrastruktúrát és/vagy helyi vezeték nélküli hálózatokat is lehet alkalmazni az átvitelhez. Jellemzően infrastruktúrák (pl. autópályák vagy vasúti alagutak) felügyeletére vagy például épületautomatizálásra ajánlott.
CC-B osztály: A hálózat a Profinet irányelvei szerint kerül kiépítésre és hitelesített tanúsítványokat tételez fel a felhasznált alkatrészekről. A felhasznált rézvezetékeknek hitelesítettnek és árnyékoltnak kell lenniük. Talán a legszélesebb „klasszikus” körben alkalmazott osztály: Gyártósorokhoz és folyamatirányítási rendszerekhez ajánlott megoldás.
CC-C osztály: A hajtásrendszerekhez ajánlott osztály sávszélesség tartalékokat és alkalmazás-szinkronizálást igényel.
Követelmények A osztály (CC-A) B osztály (CC-B) C osztály (CC-C) Alapfunkciók Valós idejű (RT) kommunikáció Ciklikus io kezelés Parameterezés Riasztások Valós idejű (RT) kommunikáció Ciklikus io kezelés Parameterezés Riasztások Hálózati diagnózis Topológiai információk Rendszer-redundancia Valós idejű (RT) kommunikáció Ciklikus io kezelés Parameterezés Riasztások Hálózati diagnózis Topológiai információk Tartalék sávszélesség (IRT) Szinkronizáció Hitelesítés Kontroller Egység (device) Hálózati komponensek gyártói hitelesítéssel Kontroller Egység (device) Hálózati komponensek Kontroller Egység (device) Hálózati komponensek VezetékezésAz IEC 61784-5-3 és IEC 24702 szerint Réz Optikai Vezeték nélküliAz IEC 61784-5-3 szerint Réz OptikaiAz IEC 61784-5-3 szerint Réz Optikai Jellemző felhasználása Infrastruktúra Épületautomatizálás Gyártástechnológia Folyamatirányítás Hajtásvezérlés
Profinet IO egység típusok
Az IO-Controller olyan vezérlő, ami felügyeli az automatizálási folyamatot. Az IO-Device egy olyan terepi eszköz, melyet egy IO-Controller vezérel. Ezek az egységek sok esetben moduláris felépítésűek, szabadon konfigurálhatók. Az IO-Supervisor egy – leggyakrabban PC-n futó – fejlesztési eszköz, az egyes IO-Device eszközök paraméterezését és diagnosztizálását teszi lehetővé.
Profinet IO hálózati felépítése
A minimális Profinet IO rendszer egy IO-Controller-ből és legalább egy IO-Device-ból áll. Ezen kívül időlegesen egy IO-Supervisor is a hálózathoz kapcsolható.
Két – vagy több – Profinet IO is használhatja ugyanazt az IP hálózatot egyidejűleg, és a beolvasott jelek is akár mindkét rendszer számára is olvashatóvá tehetők, csakúgy, mint az alrendszerek felől érkező adatok.
Minden ethernet-csatlakozós automatizálástechnikai egység alkalmas IO-Device vagy IO-Controller-ként is működni. Arra is lehetőség nyílik, hogy egy vezérlő egyfelől a saját moduljai felé IO-Controller-ként működjön, de más vezérlők felől IO-Device-ként legyen elérhető.
A Profinet IO a vezérlő – vezérlő (Controller to Controller: C2C) kapcsolatot is lehetővé teszi.
A megbízhatóság növelése érdekében a Profinet alkalmas a rendszer-redundáns megoldások kiépítésére is. Ebben az esetben (legalább) két IO-Controller-t tartalmaz a hálózat, melyeknek ugyanazokhoz az IO-Device-okhoz van hozzáférésük. Az éppen aktív IO-Controller a saját forgalmazását elsődlegesnek (primary) jelöli. A konfigurált IO-Device-ok mindkét vezérlőnek küldik a beolvasott jeleket, de csak a primary-nak jelölt vezérlőtől fogadnak parancsokat. Hiba esetén a másodlagos vezérlő azonnal át tudja venni az elődleges helyét. A két vezérlő közötti adatcserére a Profinet IO nem kínál szabványmegoldást.
Profinet IO adatcsere Az IO-Controller és IO-Device közötti adatkapcsolat során egy alkalmazás-reláció (Application-Relation: AR) jön létre. Az AR határozza meg a különböző egységek közötti kommunikációs kapcsolatokat (Communication-Relations: CR), ezek:
Record Data CR: nem ciklikus paraméter-átvitel IO Data CR ciklikus adatcsere Alarm CR valós idejű riasztás-kezelés
Ciklikus adatcsere (IO Data CR): Ez tartalmazza az adatok ciklikus átvitelét, melyeket egyrészt a vezérlő küld a periféria-egységek felé, csakúgy, mint a perifériákon beolvasott adatokat, melyek a vezérlők felé kerülnek továbbításra. Ennek a bázisa a konfigurálható Real-Time-Concept, e szerint minden CR-ben eltérő ciklusidő állítható be. Az adatátvitel így két csoportra sorolható: Az ütemes átvitelt izo-szinkron átvitelnek (Isochronous Real Time: IRT), míg a nem ütemes átvitelt (Realtime: RT) átvitelnek jelölik.
Az adatátvitelnek ez a formája viszonylag nagy sávszélességet igényel, így a telegramok optimalizációja során kivették onnan az IP címeket. A ciklikus adatcsere adatcsomagjai így IP nélkül, csak a MAC címek alapján azonosítják a kiindulási és célállomásukat.
Nem ciklikus adatcsere (Record Data CR): A ciklikus adatcsere mellett ebben a formában olyan adatok kerülnek átvitelre, melyek nem gyakran változnak. Ide tartoznak a paraméterek, a konfigurációs adatok, diagnosztikai üzenetek. A nem ciklikus adatok átvitele a Profinet IO-ban UDP/IP protokollon zajlik.
Nem ciklikus riasztások (Alarm CR): A riasztásokat a periféria-egységek küldik a vezérlő felé, jellegüknél fogva nem ciklikus adatok. Időkritikus jelzések, melyek közvetlenül az Etherneten keresztül kerülnek továbbításra, és ráadásul nyugtázást is igényelnek a vezérlő felől.
Profinet IO konfiguráció A Profinet IO konfigurációja szinte teljesen megegyezik a Profibus-ban megszokott GSD-vel (General Station Description). Az alap-struktúráján nem változtattak, ellenben az egész konfiuráció-leíró fájlt XML alapokra faragták át. A GSDML így funkcióját tekintve megegyezik a GSD-vel.
Profinet CBA
A Profinet CBA (Component Based Automation) egy komponens-alapú, TCP/IP alapokra helyezett, nem valós idejű kommunikáció.
A CBA erőssége a vezérlők közötti kommunikáció, ami leginkább az FMS-nek felel meg a Profibus felosztások analógiájára. A CBA alapötlete, hogy egy teljes rendszer szinte mindig önjáró (autonóm) vezérlők összességéből áll össze, melyek egymással kommunikálnak. Ezeknél a rendszereknél megfigyelhető, hogy sok egység - párhuzamosan - azonos, vagy majdnem azonos műveleteket végez. Ezek az un. „Profinet komponens”-eket jellemzően belátható számú bemenettel lehet vezényelni. A komponenseken belül futnak a felhasználói programok, melyek a helyi vezényléseket végzik. Jellemzően egy komponens bázisú automatizálás esetén inkább paraméterezésről, mint programozásról beszélhetünk. A Profinet CBA esetén (real-time nélkül) a kommunikációs ciklusidő 50..100 ms között realizálható. Ezzel a (lassú) adateléréssel párhuzamosan természetesen Profinet IO is alkalmazható, a maga miliszekundumos adatelérésével.
Profinet CBA konfiguráció A komponensek leírását az ún. PCD (Profinet Component Description) fájl tartalmazza. Ez egy XML bázisú leírás, ami a viszonyrendszereket, és a hálózati alkotóelemeket írja le. Technológia Profinet OSI A Profinet OSI modell szerinti besorolása:
OSI-Réteg (hu) OSI-Layer (en) Profinet 7a Alkalmazási réteg Application IO-szolgáltatás és protokoll CBA-szolgáltatás és protokoll 7b üres RPC DCOM & RPC üres 6 Megjelenítési réteg Presentation -- -- 5 Viszony réteg Session 4 Szállítási réteg Transport UDP TCP 3 Hálózati réteg Network IP, ARP, SMTP, DHCP 2 Adatkapcsolati réteg Data Link CSMA/CD, VLAN, DCP, MRP, MRRT (MRPD), LLDP 1 Fizikai réteg Physical 100BASE-TX, 100BASE-FX
Profinet funkciók megvalósítása A Profinet IO funkciói az alábbi technológiákkal és protokolokkal kerülnek megvalósításra:
funkció technológia/protokoll CC-A CC-B CC-C ciklikus adatcsere RT szükséges szükséges szükséges Nem ciklikus paraméter-átadás Read/Write Record szükséges szükséges szükséges Egységdiagnózis, riasztások Alarmhandling szükséges szükséges szükséges Egységazonosítás I&M 0 szükséges szükséges szükséges Topológia-információk LLDP szükséges szükséges szükséges Bemenetek többszörös hívása Shared Input opcionális opcionális opcionális Megosztott egységek funkciói Shared Device opcionális opcionális opcionális Bővített egységazonosítás I&M 1-4 opcionális opcionális opcionális Közvetlen adatcsere x-ref opcionális opcionális opcionális Hálózat-diagnosztika SNMP - szükséges szükséges Port-orientált statisztika PDEV - szükséges szükséges Rendszer-redundancia 2 Controller - szükséges opcionális Automatikus címzés LLDP,DCP - opcionális opcionális Átkonfigurálás menet közben CiR - opcionális opcionális Vezérlőadatok időpecsétje IEC 61588 - opcionális opcionális Közegredundancia MRP - opcionális opcionális Gyors újraindítás FSU - opcionális opcionális Sávszélesség tartalék > 250 μs ciklusidő IRT - - szükséges Sávszélesség tartalék < 250 μs ciklusidő IRT - - opcionális Időzítés-szinkron IRT - - opcionális Optimalizált üzem DFP - - opcionális Várakozás nélküli média-redundancia MRRT (MRPD) - - opcionális
A Profinet által alkalmazott protokollok
Ethernet: Az IEEE 802.3 által definiált 100Base-TX vagy az optikai 100Base-FX engedélyezett a Profinet egységekhez való csatlakoztatásra
Az Autocrossover minden csatlakozásnál kötelező, így a keresztkötéses kábelek használata nem megengedett.
Az IEEE 802.1Q szerinti VLAN-t a Profinet elsőbbségi címkézéssel használja – valamennyi valós idejű adatot a lehető legmagasabb prioritással, a 6-sal viszi át
A Profinet telegramjai a hagyományos ethernetes eszközökkel (például a Wireshark-kal) követhetők és visszafejthetők
A Media Redundancy Protocol (MRP) lehetővé tesz egy redundáns, protokolltól független gyűrűtopológiát, melynek az átkapcsolási ideje kevesebb, mint 50 ms.
A redundáns gyűrűs megoldásoknál a késleltetés nélküli Media Redundancy Real-Time Protocol (MRRT) kell használni.
A Link Layer Discovery Protocol (LLDP) a szomszédok észlelését biztosítja, de ciklusidőn túli kommunikációra is alkalmazható.
Az internet protokoll (IP) a kapcsolatok felépítésére és a nem ciklikus adatátvitelre szolgál
A címfeloldási protokollt (ARP) kibővítették az ismétlődő IP-címek felismerésére.
Az IP címhozzárendelésekhez DCP vagy DHCP protokoll alkalmazása szükséges.
A Remote Procedure Call (RPC) protokoll a kapcsolatok konfigurálására és kezelésére szolgál. A CBA a Distributed Component Object Model (DCOM) objektumokat használja.
Fordítás
Források OB121: Profinet (magyar) PI: Profinet Beschreibung, Informationen zu Profinet (angol) PI: Profinet Fallstudien, Beispiele aus aller Welt, wo Profinet eingesetzt wird (angol) PI Nordamerika: Profinet & Industrial Ethernet, systematische Informationen zu Profinet als Industrial-Ethernet-Lösung (angol)