Technik und Trends

Profinet

Die Profinet-Technologie wird von Siemens und der Profibus-Nutzerorganisation entwickelt. Profinet basiert auf Ethernet-TCP/IP und ergänzt die bewährte Profibus-Technologie für Anwendungen, bei denen schnelle Datenkommunikation in Kombination mit industriellen IT-Funktionen gefordert wird. Nachfolgend werden die Grundlagen von Profinet dargestellt.

Profinet unterscheidet zwei Funktionsklassen und drei Performance-Stufen.

Profinet-Funktionsklassen
Es werden zwei grundsätzlich verschiedene Profinet-Funktionsklassen unterschieden.

  • Profinet CBA (Component based Automation)
    ist die Ursprungsvariante, die auf einem Komponentenmodell für die Kommunikation intelligenter Automatisierungsgeräte untereinander basiert.
  • Profinet IO (Dezentrale Peripherie)
    ist die jüngere Technologie, die auf die Kommunikation zwischen einer Steuerung und den dezentralen Feldgeräten zugeschnitten ist.

Performance-Klassen
Die Profinet-Funktionsklassen können in drei abgestuften Performance-Klassen realisiert werden.

  • TCP/IP: Offene Kommunikation über Ethernet-TCP/IP ohne Echtzeitanspruch
  • RT: Real-Time-Kommunikation für den I/O-Datenverkehr in der Automatisierungstechnik
  • IRT: Isosynchrone Echtzeitkommunikation speziell für Motion-Control-Anwendungen

Profinet unterscheidet 3 Performance-Klassen

Profinet-IT-Funktionen
In allen Funktionsklassen und Performance-Stufen sind neben den Funktionen für die Übertragung der Prozessdaten die informationstechnischen Funktionen Web-Server, E-Mail-Übertragung und FTP-Filetransfer vorgesehen.

Profinet CBA
Das komponentenbasierte Profinet CBA verfolgt den Ansatz der verteilten Automatisierung. Hierbei wird eine Aufgabe auf mehrere intelligente Geräte verteilt. Die Geräte sind über Ethernet-TCP/IP miteinander verbunden und lösen die Automatisierungsaufgabe im engen Zusammenspiel. Profinet CBA ist ein sehr zukunftsorientierter Ansatz, der bisher jedoch nur geringe praktische Bedeutung erlangt hat.

Profinet IO
Profinet-LogoProfinet IO baut auf dem bewährten Funktionsmodell von Profibus-DP auf und benutzt die Fast-Ethernet-Technologie als physikalisches Übertragungsmedium. Das System ist für die schnelle Übertragung von I/O-Daten zugeschnitten und bietet zeitgleich eine Übertragungsmöglichkeit für Bedarfsdaten und Parameter sowie IT-Funktionen. Bestehendes Know-how über Profibus-DP kann weiter genutzt werden. Wie bei Profibus-DP werden die dezentralen Feldgeräte bei Profinet IO über eine Gerätebeschreibung in das Projektierungstool eingebunden. Die Eigenschaften des Feldgerätes (Profinet IO Device) werden vom Gerätehersteller in einer GSD-Datei beschrieben. Die Peripheriesignale der Feldgeräte werden zyklisch in die SPS eingelesen, dort verarbeitet und anschließend an die Feldgeräte wieder ausgegeben. Bei Profinet IO wird im Gegensatz zum Master-Slave-Verfahren von Profibus ein Provider-Consumer-Modell verwendet, das die Kommunikationsbeziehungen zwischen den gleichberechtigten Teilnehmern am Ethernet unterstützt. Wesentliches Merkmal dabei ist, dass der Provider seine Daten ohne Aufforderung des Kommunikationspartners sendet. Neben dem zyklischen Nutzdatenaustausch bietet Profinet zusätzliche Funktionen für die Übertragung von Diagnosen, Parametrierungen und Alarmen. Wie von Profibus-DP bekannt, werden auch bei Profinet IO die Geräte entsprechend Ihrer typischen Aufgaben klassifiziert.

IO Controller
Der Profinet-IO-Controller übernimmt die Master-Funktion für die E/A-Datenkommunikation der dezentralen Feldgeräte. Typischerweise ist der IO-Controller die Kommunikationsschnittstelle einer SPS. Die Funktion ist einem Profibus-DP-Master der Klasse 1 vergleichbar.

Profinet IO Gerätetypen

IO Device
Dezentrale Feldgeräte wie E/A, Antriebe, Bedienterminals und Ventilblöcke werden als IO Device bezeichnet.

IO Supervisor
Dies ist die Bezeichnung für ein Engineering- und Diagnose-Tool. Die Funktion ähnelt einem Master der Klasse 2 bei Profibus-DP. Der IO Supervisor kann auf Prozess- und Parameterdaten zugreifen und darüber hinaus auch Alarm- und Diagnosemeldungen verarbeiten.

Profinet-IO-Kommunikationsmodell
Bei Profinet IO wird ein einheitliches Kommunikationsmodell verwendet, das die Übertragung von Nutzdaten und Standard-TCP/IP- bzw. von UDP/IP-Telegrammen auf einer Leitung ermöglicht. Zwischen IO Controller und IO Device werden Daten über folgende Kanäle übertragen:

  • zyklische Nutzdaten und Alarme über den Echtzeit-Kanal
  • Parametrierung, Konfigurierung und Diagnose über UDP/IP im Standardkanal

Projektierung bei Profinet IO
In das Projektierungs-Tool werden die Gerätebeschreibungsdateien der IO Devices importiert. Bei der Verwendung in der Projektierung werden den einzelnen E/A-Kanälen der dezentralen Feldgeräte Peripherieadressen zugeordnet (z.B. EW100). Die Peripherieeingangsadressen enthalten die empfangenen Prozesswerte, die im Anwenderprogramm ausgewertet und verarbeitet werden. Die Peripherieausgangswerte werden im Anwenderprogramm gebildet und an den Prozess ausgegeben (z.B. AW200). Zusätzlich werden dort die einzelnen Peripheriemodule bzw. Kanäle, wie der Spannungsbereich eines Analogeingabekanals oder der Ersatzwert eines Ausgangskanals bei Kommunikationsunterbrechung zwischen IO Device und IO Controller, parametriert. Nach Abschluss der Projektierung werden die Projektierungs- und Konfigurierungsdaten in den IO Controller heruntergeladen. Sobald der Download abgeschlossen ist, werden die IO Devices automatisch vom IO Controller konfiguriert und gehen anschließend in den zyklischen Nutzdatenaustausch über.

Elektronisches Gerätedatenblatt (GSD)
Die Eigenschaften der Feldgeräte werden bei Profinet IO über eine Gerätebeschreibung in das Projektierungs-Tool eingebunden. Hierzu wird die schon von Profibus-DP bekannte GSD-Datei benutzt. Diese Datei enthält alle notwendigen Informationen wie Kommunikationsparameter, steckbare Module und deren Parameter sowie mögliche Diagnosemeldungen. Die Profinet-GSD-Datei wird vom Gerätehersteller in der Beschreibungssprache GSDML (ähnlich XML) erstellt.

Profinet-IO-Diagnosemodell

Diagnose bei Profinet IO
Profinet unterstützt ein durchgängiges Diagnosekonzept, das eine effiziente Fehlerlokalisierung und Behebung ermöglicht. Bei Auftreten eines Fehlers generiert das gestörte IO Device einen Diagnosealarm an den IO Controller. Dieser Alarm ruft im SPS-Programm eine entsprechende Programmroutine auf, um auf den Fehler reagieren zu können. Alternativ können die Diagnoseinformationen auch direkt vom Feldgerät (IO Device) ausgelesen und auf einem IO Supervisor (z.B. ein PG oder PC) angezeigt werden.

Realisierung der Profinet-IO-Geräteschnittstelle
Anybus-S für ProfinetFür die Realisierung der Profinet-IO-Schnittstelle in Automatisierungsgeräten bieten sich die Anybus-Kommunikationsmodule an. Die Module sind im Kreditkartenformat aufgebaut. Sie beinhalten alle Hardware- und Software-Komponenten einer Industrial-Ethernet-Schnittstelle. Die Module stehen für die Industrial-Ethernet-Varianten Profinet IO, Ethernet/IP und Modbus-TCP sowie für 16 verschiedene Feldbusse, u.a. Profibus-DP, DeviceNet, CANopen, zur Verfügung. Alle Anybus-S-Module haben eine einheitliche Hardware- und Software-Schnittstelle. Auch hinsichtlich der Mechanik sind die Module standardisiert und damit einfach untereinander austauschbar.

Die Anybus-Module für Industrial Ethernet sind mit einem leistungsfähigen 32-Bit-Mikroprozessor ausgestattet. Sie bieten eine Rechenleistung von 60 MIPs und unterstützen 10 oder 100 Mbits/s Datenübertragung. Der performance-optimierte Protokollstack unterstützt die Anwendungsprotokolle Profinet IO, Ethernet/IP und Modbus-TCP. Darüber hinaus steht für die industriellen IT-Funktionen ein embedded Web-Server und ein E-Mail-Client bereit. Der Ethernet-Anschluss erfolgt über eine Standard-RJ45-Buchse. Das Anybus-S-Modul für Profinet IO realisiert den Funktionsumfang eines IO Device. Das Anybus-Modul bearbeitet das Profinet-IO-Protokoll selbständig und entlastet so den Mikroprozessor des Endgerätes von allen zeitkritischen Kommunikationsaufgaben.

Die Schnittstelle zum Endgerät bildet ein 2 KB Dual-Port-RAM. Mechanik, Hardware und Software der Busmodule sind standardisiert. Dies ermöglicht dem Gerätehersteller je nach Anwendungsfall und Kundenwunsch aus einer Palette von über 20 verschiedenen Modulen auszuwählen. Hersteller können dadurch ihre Automatisierungsgeräte innerhalb kürzester Zeit an das jeweils gewünschte Kommunikationssystem anpassen. Dabei ist es völlig egal, ob der Endkunde eine Feldbus-Lösung wie Profibus oder eine Ethernet-Variante wie Profinet bevorzugt. Dank Anybus reduziert sich das Problem der richtigen Busschnittstelle auf eine Bestückungsoption.