Den definitive guiden til PROFINET med IIoT

Selv om 4–20 mA og HART fortsatt er mye brukt, blir digitale nettverk stadig mer populære i industrien fordi de passer bedre til digitaliseringsinitiativer. Det diskuteres ofte om analoge systemer fortsatt er relevante, da de er robuste og enkle, noe som gjør feltoperasjoner enklere. Spørsmålet gjenstår imidlertid: hvordan oppnår vi transparent tilkobling mellom felt- og kontrollsystemene?

Moderne kontrollere og utstyr genererer betydelige mengder data, noe som krever avanserte kommunikasjonsprotokoller som Modbus RS485, OPC og PROFIBUS DP. I tillegg gir teknologier som FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA og PROFINET enda større integrasjonsmuligheter. Disse industrielle nettverkene kobler feltutstyr med kontrollere, noe som muliggjør diagnostikk, konfigurasjon og avansert funksjonalitet langt utover det rene analoge systemer kan tilby.

Til tross for disse fremskrittene fortsetter 4–20 mA å dominere i feltet, hovedsakelig på grunn av gapet mellom leverandørkonsepter og brukerrealiteter, samt kompleksiteten i digitale nettverk som forsinker analogens utfasing. Imidlertid akselererer fremveksten av IIoT og KI digitaliseringen, noe som gjør Ethernet-baserte protokoller og trådløs kommunikasjon stadig mer vanlig i nye prosjekter. Trenden er klar: flere digitale løsninger er på vei, og vi må være forberedt på å ta dem i bruk.

Når du installerer en ruter eller en hvilken som helst enhet som er koblet til Internett, har du sannsynligvis støtt på en Ethernet-kabel. Mange antar at "Ethernet" bare er selve kabelen, men i virkeligheten representerer kabelen bare det fysiske laget i et Ethernet-nettverk.

Ethernet støtter flere kommunikasjonsprotokoller over disse kablene. Vanlige eksempler er Internett-protokoll (IP) og overføringskontrollprotokoll (TCP), som er mye brukt i hverdagslige anvendelser. Industrielle miljøer krever imidlertid tilleggsprotokoller for å møte de mer komplekse kravene.

På fabrikkgulvet må kontrollere ha tilgang til data fra stasjoner, I/U og arbeidsstasjoner med raske responstider, mens nettverket må tåle tøffe forhold som slitasje, fuktighet og temperatursvingninger. For å møte disse kravene utviklet automatiseringseksperter Industrial Ethernet, og på dette grunnlaget oppstod PROFINET som en robust Ethernet-basert protokoll for industrielle anvendelser.

PROFINET er en Ethernet-basert industriell kommunikasjonsprotokoll som kobler prosessutstyr – som sensorer og aktuatorer – til kontrollsystemer. Den ble utviklet av virksomheten PROFIBUS og PROFINET International (PI) i samarbeid med flere industripartnere.

Protokollen er i samsvar med IEEE 802 Ethernet-standarden og er definert i IEC 61158 og IEC 61784, noe som muliggjør sømløs integrering av ulike enheter på samme nettverk. For eksempel kan en skriver og en mengdemåler sameksistere i én og samme infrastruktur. I motsetning til typiske hjemmenettverk tilbyr PROFINET ekstremt raske syklustider, ofte i millisekundområdet, noe som gjør det egnet for industriell automatisering.

For å forstå strukturen henviser vi til ISO/OSI-modellen, som definerer syv lag for nettverkskommunikasjon. Ethernet bruker vanligvis fire lag:

• Ethernet for fysisk og datalink
• IP for nettverk
• TCP eller UDP for transport
• Andreprotokoller for spesifikke funksjoner

PROFINET følger generelt denne modellen, men kan omgå visse lag i noen anvendelser. For eksempel utelater Real-Time (RT) PROFINET nettverks- og transportlagene for å akselerere kommunikasjonen.

• TCP/IP for konfigurasjon, innstillinger og sykliske lese-/skriveoperasjoner
• Real-Time (RT) for automatiseringsoppgaver med syklustider mellom 1 og 10 millisekunder
• Isochronous Real-Time (IRT) for svært presis, synkronisert kommunikasjon ved hjelp av planlagt veksling

Denne lagdelte tilnærmingen sikrer fleksibilitet, hastighet og pålitelighet, noe som gjør PROFINET til en hjørnestein for moderne industriell automatisering og IIoT-integrasjon.

PROFINET opererer på en leverandør-forbruker-modell for datautveksling, og erstatter den tradisjonelle master-slave-tilnærmingen som brukes av PROFIBUS. Enheter i et PROFINET-system er vanligvis organisert i tre kategorier:

• Kontroller: Vanligvis en programmerbar logisk kontroller (PLC) eller et distribuert kontrollsystem (DCS) som utfører automatiseringsprogrammet. Kontrolleren sender utdata til I/U-enheter og mottar inndata fra dem, på samme måte som en klasse 1-master i PROFIBUS.
• Enheter: Feltkomponenter som sensorer og aktuatorer som kommuniserer med kontrolleren via Ethernet-tilkoblinger, og som fungerer på samme måte som slaver i PROFIBUS.
• Supervisor: Systemer som PC-er, HMI-er eller diagnostiske verktøy som brukes til overvåking, igangkjøring og feilsøking, sammenlignbare med PROFIBUS klasse 2-mastere.

Et PROFINET I/U-system krever minst én kontroller og én enhet, men konfigurasjonene kan variere mye: flere kontrollere for én enhet, én kontroller for flere enheter eller til og med flere kontrollere som styrer flere enheter. Supervisorer brukes vanligvis midlertidig under igangkjøring eller diagnostikk.

I tillegg til disse kjerneelementene inkluderer et PROFINET-nettverk komponenter som brytere og trådløse tilgangspunkter. Noen av disse komponentene kan også fungere som I/U-enheter, noe som gir forbedrede diagnostiske muligheter.

For å konfigurere en PROFINET I/U-enhet er to elementer avgjørende: et overvåkingsverktøy og en GSD-fil (General Station Description). GSD-filen, som leveres av enhetsleverandøren, ligner på de som brukes i PROFIBUS, men følger et XML-basert format kjent som GSDML.

Når konfigurasjonen er fullført, lastes GSDML-filen ned til kontrolleren, og kommunikasjonen med de tilkoblede enhetene etableres. Fra dette tidspunktet flyter sykliske data – som innganger og utganger – kontinuerlig mellom kontrolleren og enhetene, mens asykliske data, inkludert diagnostisk informasjon, utveksles etter behov.

Valget mellom PROFIBUS og PROFINET avhenger av de spesifikke kravene til anvendelsen. PROFIBUS er en veletablert digital protokoll basert på seriell kommunikasjon, mens PROFINET er en moderne protokoll bygget på Industrial Ethernet. PROFINET tilbyr betydelig høyere båndbredde og raskere kommunikasjonssykluser, noe som muliggjør overføring av større datapakker.

Her finner du en oversikt over forskjellene mellom PROFIBUS og PROFINET:

En annen fordel med PROFINET er kompatibiliteten med trådløse teknologier. Som en Ethernet-basert standard kan den integreres med Wi-Fi eller Bluetooth der det er hensiktsmessig, noe som gir fleksibilitet for mobil og ekstern tilkobling.

Konnektivitet og åpenhet er grunnleggende for å bygge effektive IIoT-systemer. Innsamling av nøyaktige feltdata er avgjørende for å generere handlingsrettet innsikt, og PROFINET gir en pålitelig og transparent kobling mellom feltutstyr og IIoT-økosystemer som Endress+Hausers Netilion.

En av PROFINETs styrker er evnen til å sameksistere med andre protokoller, slik at operatører kan gå over til den digitale tidsalderen uten å forlate kjent infrastruktur. Videre kan data eksporteres fra feltet til systemer på høyere nivå ved hjelp av åpne standarder som OPC UA, som fungerer sammen med PROFINET for å muliggjøre sømløs integrering med skydatabaser.

PROFINET er allerede en viktig pådriver for IIoT, og dens rolle vil fortsette å vokse.