Den endelige guide til PROFINET med IIoT

Selvom 4-20 mA og HART stadig er meget udbredt, vinder digitale netværk i stigende grad indpas i det industrielle miljø, fordi de passer bedre til digitaliseringsinitiativer. Diskussioner om den fortsatte relevans af analoge systemer er almindelige, da de er robuste og ligefremme, hvilket gør arbejdet i felten lettere. Men spørgsmålet er stadig: Hvordan opnår vi en gennemsigtig forbindelse mellem felten og styresystemerne?

Moderne controllere og udstyr genererer store mængder data, hvilket kræver avancerede kommunikationsprotokoller som Modbus RS485, OPC og PROFIBUS DP. Derudover giver teknologier som FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA og PROFINET endnu større integrationsmuligheder. Disse industrielle netværk forbinder feltenheder med controllere og muliggør diagnosticering, konfiguration og avanceret funktionalitet langt ud over, hvad rent analogt kan tilbyde.

På trods af disse fremskridt fortsætter 4-20 mA med at dominere i felten, hovedsageligt på grund af kløften mellem leverandørernes koncepter og brugernes virkelighed, samt kompleksiteten i digitale netværk, der udskyder udfasningen det analoge. Men fremkomsten af IIoT og AI fremskynder digitaliseringen, hvilket gør Ethernet-baserede protokoller og trådløs kommunikation mere og mere almindelig i nye projekter. Tendensen er klar: Der kommer flere digitale løsninger, og vi skal være parate til at tage dem til os.

Hvis du installerer en router eller en anden enhed, der er forbundet til internettet, er du sandsynligvis stødt på et Ethernet-kabel. Mange antager, at "Ethernet" kun henviser til selve kablet; i virkeligheden repræsenterer kablet kun det fysiske lag i et Ethernet-netværk.

Ethernet understøtter flere kommunikationsprotokoller via disse kabler. Almindelige eksempler er Internet Protocol (IP) og Transmission Control Protocol (TCP), som er meget udbredt i de applikationer, vi bruger i hverdagen. Industrielle miljøer kræver dog yderligere protokoller for at opfylde de mere komplekse krav.

På fabriksgulvet skal controllere have adgang til data fra drev, I/O og arbejdsstationer med hurtige svartider, mens netværket skal kunne klare barske forhold som slid, fugt og temperatursvingninger. For at imødekomme disse krav udviklede automatiseringseksperter Industrial Ethernet, og ud fra dette fundament opstod PROFINET som en robust Ethernet-baseret protokol til industrielle applikationer.

PROFINET er en Ethernet-baseret industriel kommunikationsprotokol, der forbinder procesenheder – såsom sensorer og aktuatorer – med styresystemer. Den er udviklet af organisationen PROFIBUS and PROFINET International (PI) i samarbejde med flere industripartnere.

Protokollen er i overensstemmelse med IEEE 802 Ethernet-standarden og er defineret i IEC 61158 og IEC 61784, hvilket muliggør problemfri integration af forskellige enheder i samme netværk. For eksempel kan en printer og en flowmåler eksistere side om side i en enkelt infrastruktur. I modsætning til typiske private netværk tilbyder PROFINET ekstremt hurtige cyklustider, ofte i sub-millisekundområdet, hvilket gør det velegnet til industriel automatisering.

For at forstå dens struktur henviser vi til ISO/OSI-modellen, der definerer syv lag for netværkskommunikation. Ethernet bruger typisk fire lag:

• Ethernet til fysisk og datalink
• IP til netværk
• TCP eller UDP til transport
• Andreprotokoller til specifikke funktioner

PROFINET følger generelt denne model, men kan gå uden om visse lag i nogle applikationer. For eksempel udelader Real-Time (RT) PROFINET netværks- og transportlagene for at fremskynde kommunikationen.

• TCP/IP til konfiguration, indstillinger og cykliske læse-/skriveoperationer
• Realtid (RT) til automatiseringsopgaver med cyklustider på mellem 1 og 10 millisekunder
• Isochronous Real-Time (IRT) til meget præcis, synkroniseret kommunikation ved hjælp af planlagt switching

Denne lagdelte tilgang sikrer fleksibilitet, hastighed og pålidelighed, hvilket gør PROFINET til en hjørnesten i moderne industriel automatisering og IIoT-integration.

PROFINET opererer med en udbyder-forbruger-model for dataudveksling, som erstatter den traditionelle master-slave-tilgang, der bruges af PROFIBUS. Enheder i et PROFINET-system er typisk organiseret i tre kategorier:

• Controller: Normalt en programmerbar logisk controller (PLC) eller et distribueret styresystem (DCS), der afvikler automatiseringsprogrammet. Controlleren sender udgange til I/O-enheder og modtager indgange fra dem ligesom en klasse 1-master i PROFIBUS.
• Enheder: Feltkomponenter som sensorer og aktuatorer, der kommunikerer med controlleren via Ethernet-forbindelser og fungerer på samme måde som slaves i PROFIBUS.
• Supervisor: Systemer som pc'er, HMI'er eller diagnoseværktøjer, der bruges til overvågning, idriftsættelse og fejlfinding, og som kan sammenlignes med PROFIBUS klasse 2-mastere.

Et PROFINET I/O-system kræver mindst én controller og én enhed, men konfigurationerne kan variere meget: flere controllere til en enkelt enhed, én controller til flere enheder eller endda flere controllere, der styrer flere enheder. Supervisorer bruges typisk midlertidigt under idriftsættelse eller diagnosticering.

Ud over disse kerneelementer omfatter et PROFINET-netværk komponenter som switche og trådløse adgangspunkter. Nogle af disse komponenter kan også fungere som I/O-enheder, hvilket giver forbedrede diagnostiske muligheder.

For at konfigurere en PROFINET I/O-enhed er to elementer vigtige: et overvågningsværktøj og en GSD-fil (General Station Description). GSD-filen, som leveres af enhedsleverandøren, ligner dem, der bruges i PROFIBUS, men følger et XML-baseret format kendt som GSDML.

Når konfigurationen er færdig, downloades GSDML-filen til controlleren, og der etableres kommunikation med de tilsluttede enheder. Fra dette punkt flyder cykliske data såsom ind- og udgange kontinuerligt mellem controlleren og enhederne, mens acykliske data, herunder diagnostiske oplysninger, udveksles efter behov.

Valget mellem PROFIBUS og PROFINET afhænger af de specifikke krav til din applikation. PROFIBUS er en veletableret digital protokol baseret på seriel kommunikation, mens PROFINET er en moderne protokol bygget på Industrial Ethernet. PROFINET tilbyder betydeligt højere båndbredde og hurtigere kommunikationscyklusser, hvilket gør det muligt at overføre større datapakker.

Her kan du finde en oversigt over forskellene mellem PROFIBUS og PROFINET:

En anden fordel ved PROFINET er dens kompatibilitet med trådløse teknologier. Som en Ethernet-baseret standard kan den integreres med wi-fi eller Bluetooth, hvor det er relevant, hvilket giver fleksibilitet til mobil- og fjerntilslutning.

Forbindelse og åbenhed er en forudsætning for at opbygge effektive IIoT-systemer. Indsamling af nøjagtige feltdata er afgørende for at skabe handlingsorienteret viden, og PROFINET giver et pålideligt og gennemsigtigt link mellem feltenheder og IIoT-økosystemer som Endress+Hausers Netilion.

En af PROFINETs styrker er dens evne til at fungere sammen med andre protokoller, så operatørerne kan bevæge sig ind i den digitale æra uden at opgive den velkendte infrastruktur. Desuden kan data eksporteres fra felten til systemer på højere niveau ved hjælp af åbne standarder som OPC UA, der arbejder sammen med PROFINET for at muliggøre problemfri integration med cloud-databaser.

PROFINET er allerede en vigtig forudsætning for IIoT, og dens rolle vil fortsætte med at vokse.