Kompletní průvodce PROFINET s IIoT

Přestože 4–20 mA a HART jsou stále široce používány, digitální sítě získávají v průmyslovém prostředí stále větší popularitu, protože lépe odpovídají digitalizačním iniciativám. Diskuse o pokračující relevanci analogových systémů jsou běžné, protože jsou robustní a přímočaré, což usnadňuje provoz v terénu. Zůstává však otázka: Jak dosáhneme transparentního propojení mezi provozními a řídicími systémy?

Moderní řídicí jednotky a vybavení generují značné množství dat, což vyžaduje pokročilé komunikační protokoly, jako jsou Modbus RS485, OPC a PROFIBUS DP. Technologie jako FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA a PROFINET navíc poskytují ještě větší integrační možnosti. Tyto průmyslové sítě propojují polní instrumentaci s řídicími jednotkami, což umožňuje diagnostiku, konfiguraci a pokročilé funkce daleko přesahující to, co může nabídnout čistě analogová technologie.

Navzdory tomuto pokroku v tomto oboru nadále dominuje proud 4–20 mA, a to především kvůli rozdílům mezi koncepty dodavatelů a realitou uživatelů, a také kvůli složitosti digitálních sítí, která oddaluje ukončení používání analogových technologií. Vzestup IIoT a umělé inteligence však urychluje digitalizaci, takže protokoly založené na Ethernetu a bezdrátová komunikace jsou v nových projektech stále běžnější. Trend je jasný: Přichází více digitálních řešení a my musíme být připraveni je přijmout.

Při instalaci routeru nebo jakéhokoli přístroje připojeného k internetu jste se pravděpodobně setkali s ethernetovým kabelem. Mnozí se domnívají, že „Ethernet“ označuje pouze samotný kabel; ve skutečnosti kabel představuje pouze fyzickou vrstvu ethernetové sítě.

Ethernet podporuje přes tyto kabely více komunikačních protokolů. Mezi běžné příklady patří internetový protokol (IP) a protokol pro řízení přenosu (TCP), které se široce používají v každodenních aplikacích. Průmyslová prostředí však vyžadují další protokoly, aby splňovala složitější požadavky.

V továrně musí řídicí jednotky přistupovat k datům z pohonů, I/O a pracovních stanic s rychlou dobou odezvy, zatímco síť musí odolávat náročným podmínkám, jako je abraze, vlhkost a kolísání teploty. Aby se splnily tyto požadavky, vyvinuli odborníci na automatizaci průmyslový Ethernet a z tohoto základu se PROFINET stal robustním protokolem založeným na Ethernetu pro průmyslové aplikace.

PROFINET je průmyslový komunikační protokol založený na Ethernetu, který propojuje procesní přístroje – jako jsou senzory a akční členy – s řídicími systémy. Byl vyvinut organizací PROFIBUS a PROFINET International (PI) ve spolupráci s řadou průmyslových partnerů.

Protokol je v souladu se standardem IEEE 802 Ethernet a je definován v normách IEC 61158 a IEC 61784, což umožňuje bezproblémovou integraci různých přístrojů ve stejné síti. Například tiskárna a průtokoměr mohou koexistovat v jedné infrastruktuře. Na rozdíl od typických domácích sítí nabízí PROFINET extrémně rychlé doby cyklů, často v řádu milisekund, což ho činí vhodným pro průmyslovou automatizaci.

Pro pochopení jeho struktury se odkazujeme na model ISO/OSI, který definuje sedm vrstev pro síťovou komunikaci. Ethernet obvykle používá čtyři vrstvy:

• Ethernet pro fyzické a datové připojení
• IP pro síť
• TCP nebo UDP pro přenos
• dalšíprotokoly pro specifické funkce

PROFINET se obecně řídí tímto modelem, ale v některých aplikacích může určité vrstvy obejít. Například Real-Time (RT) PROFINET vynechává síťovou a transportní vrstvu, aby se urychlila komunikace.

• TCP/IP pro konfiguraci, nastavení a cyklické operace čtení/zápisu
• Reálný čas (RT) pro automatizační úlohy s dobou cyklu mezi 1 a 10 milisekundami
• Izochronní komunikace v reálném čase (IRT) pro vysoce přesnou a synchronizovanou komunikaci s využitím plánovaného přepínání

Tento vrstvený přístup zajišťuje flexibilitu, rychlost a spolehlivost, což z PROFINETu dělá základní kámen moderní průmyslové automatizace a integrace IIoT.

PROFINET pracuje pro výměnu dat na modelu poskytovatel–spotřebitel, který nahrazuje tradiční přístup master-slave používaný PROFIBUSem. Přístroje v systému PROFINET jsou obvykle rozděleny do tří kategorií:

• Řídicí jednotka: Obvykle programovatelný logický automat (PLC) nebo distribuovaný řídicí systém (DCS), který spouští automatizační program. Řídicí jednotka odesílá výstupy do přístrojů I/O a přijímá z nich vstupy, podobně jako master třídy 1 v PROFIBUSu.
• Přístroje: Provozní komponenty, jako jsou senzory a akční členy, které komunikují s řídicí jednotkou prostřednictvím ethernetových připojení a fungují podobně jako podřízené jednotky v sběrnici PROFIBUS.
• Dozor: Systémy, jako jsou počítače, rozhraní HMI nebo diagnostické nástroje, používané pro monitorování, uvádění do provozu a řešení problémů, srovnatelné s mastery PROFIBUS třídy 2.

Systém PROFINET I/O vyžaduje alespoň jeden řídicí systém a jeden přístroj, ale konfigurace se mohou značně lišit: více řídicích systémů pro jeden přístroj, jeden řídicí systém pro více přístrojů, nebo dokonce více řídicích systémů spravujících více přístrojů. Supervizoři se obvykle používají dočasně během uvádění do provozu nebo diagnostiky.

Kromě těchto základních prvků zahrnuje síť PROFINET komponenty, jako jsou přepínače a bezdrátové přístupové body. Některé z těchto komponent mohou také fungovat jako I/O přístroje, což poskytuje rozšířené diagnostické možnosti.

Pro konfiguraci I/O přístrojů PROFINET jsou nezbytné dva prvky: dohledový nástroj a soubor GSD (General Station Description). Soubor GSD, poskytovaný dodavatelem přístroje, je podobný souborům používaným v PROFIBUSu, ale používá formát založený na XML, známý jako GSDML.

Po dokončení konfigurace se soubor GSDML stáhne do řídicí jednotky a naváže se komunikace s připojenými přístroji. Od tohoto bodu cyklická data – jako jsou vstupy a výstupy – proudí nepřetržitě mezi řídicí jednotkou a přístroji, zatímco acyklická data, včetně diagnostických informací, se vyměňují podle potřeby.

Volba mezi PROFIBUS a PROFINET závisí na specifických požadavcích vaší aplikace. PROFIBUS je zavedený digitální protokol založený na sériové komunikaci, zatímco PROFINET je moderní protokol postavený na průmyslovém Ethernetu. PROFINET nabízí výrazně vyšší šířku pásma a rychlejší komunikační cykly, což umožňuje přenos větších datových paketů.

Zde naleznete přehled rozdílů mezi PROFIBUS a PROFINET:

Další výhodou PROFINETu je jeho kompatibilita s bezdrátovými technologiemi. Jako standard založený na Ethernetu se může v případě potřeby integrovat s Wi-Fi nebo Bluetooth, což poskytuje flexibilitu pro mobilní a vzdálené připojení.

Konektivita a otevřenost jsou zásadní pro budování efektivních systémů IIoT. Sběr přesných dat z terénu je nezbytný pro generování praktických poznatků a PROFINET poskytuje spolehlivé a transparentní propojení mezi polní instrumentací a ekosystémy IIoT, jako je například Netilion od společnosti Endress+Hauser.

Jednou ze silných stránek sítě PROFINET je její schopnost koexistovat s dalšími protokoly, což umožňuje operátorům přejít do digitální éry, aniž by museli opustit známou infrastrukturu. Data lze navíc exportovat z terénu do nadřazených systémů pomocí otevřených standardů, jako je OPC UA, které spolupracují s PROFINET a umožňují tak bezproblémovou integraci s cloudovými databázemi.

PROFINET je již klíčovým nástrojem pro IIoT a jeho role bude i nadále růst.