PROFINET i IIoT - kompleksowy przewodnik

Chociaż standardy 4...20 mA i HART są nadal powszechnie używane, to w środowiskach przemysłowych coraz większą popularność zyskują sieci cyfrowe, które lepiej sprawdzają się w przypadku nowoczesnych technologii cyfrowych. Niemniej, dyskusje na temat dalszej przydatności systemów analogowych wciąż trwają, ponieważ te rozwiązania są solidne i proste, a to ułatwia pracę na obiekcie. Jest jednak jeden problem: w jaki sposób osiągnąć transparentną łączność pomiędzy obiektem a systemami sterowania?

Nowoczesne sterowniki i urządzenia generują duże ilości danych, co wymaga zastosowania zaawansowanych protokołów komunikacyjnych, takich jak Modbus RS485, OPC i PROFIBUS DP. Ponadto technologie takie, jak FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA i PROFINET zapewniają jeszcze większe możliwości integracji. Te sieci przemysłowe łączą urządzenia obiektowe ze sterownikami, oferując diagnostykę, konfigurację i zaawansowane funkcje, daleko wykraczające poza możliwości rozwiązań analogowych.

Pomimo to, na obiektach nadal dominuje standard 4...20 mA, głównie ze względu na rozbieżności pomiędzy koncepcjami dostawców a rzeczywistymi potrzebami użytkowników, a także ze względu na złożoność sieci cyfrowych, która opóźnia wycofanie ich analogowych odpowiedników. Jednak rozwój IIoT i sztucznej inteligencji przyśpiesza cyfryzację, a protokoły oparte na sieci Ethernet i komunikacja bezprzewodowa znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie w nowych projektach. Trend jest wyraźny: pojawia się coraz więcej rozwiązań cyfrowych i musimy być gotowi na ich wdrożenie.

Podczas instalowania routera lub innego urządzenia podłączonego do Internetu, prawdopodobnie każdy miał okazję zetknąć się z kablem Ethernet. Wiele osób zakłada, że pojęcie "Ethernet" odnosi się tylko do samego kabla, a w rzeczywistości kabel ten stanowi jedynie warstwę fizyczną sieci Ethernet.

Za pośrednictwem takich kabli, Ethernet obsługuje wiele protokołów komunikacyjnych. Typowe przykłady to protokół internetowy IP (ang. Internet Protocol) i protokół sterowania transmisją TCP (ang. Transmission Control Protocol), które powszechnie spotyka się w codziennych zastosowaniach. Jednak w środowiskach przemysłowych, gdzie wymagania są bardziej złożone, dodatkowe protokoły są niezbędne.

Systemy sterowania instalacji przemysłowych muszą mieć szybki dostęp do danych z napędów, We/Wy i stacji operatorskich, a sieć musi być odporna na trudne warunki, takie jak ścieranie, wilgotność i wahania temperatury. Aby sprostać tym wymaganiom, specjaliści ds. automatyki opracowali Ethernet przemysłowy. Na tej podstawie powstał PROFINET - oparty na standardzie Ethernet protokół komunikacyjny do trudnych zastosowań w przemyśle.

PROFINET to przemysłowy protokół komunikacyjny oparty na sieci Ethernet, który łączy urządzenia procesowe – takie jak czujniki i siłowniki – z systemami sterowania. Został opracowany przez organizację PROFIBUS & PROFINET International (PI) we współpracy z wieloma partnerami z branży przemysłowych.

Protokół jest zgodny ze standardem Ethernet IEEE 802 i normami IEC 61158 i IEC 61784, co umożliwia bezproblemową integrację różnych urządzeń w tej samej sieci. Na przykład drukarka i przepływomierz mogą pracować w ramach jednej infrastruktury. W przeciwieństwie do typowych sieci domowych, PROFINET oferuje wyjątkowo krótki czas cyklu, często rzędu milisekund, więc doskonale się sprawdzi w automatyce przemysłowej.

Aby zrozumieć jego strukturę, odwołajmy się do modelu ISO/OSI, który ma siedem warstw komunikacji sieciowej. Ethernet zazwyczaj ma cztery warstwy:

• Ethernet do celów fizycznych i łącza danych
• IP do sieci
• TCP lub UDP do transportu
• Inneprotokoły do funkcji specjalnych

PROFINET zazwyczaj opiera się na tym modelu, ale w niektórych aplikacjach może pewne warstwy ominąć. Na przykład, PROFINET RT (Real-Time) omija warstwy sieciowe i transportowe, aby przyspieszyć komunikację.

• TCP/IP do konfiguracji, ustawień i cyklicznych operacji odczytu/zapisu
• Real-Time (RT) do zadań automatyki, z czasem cyklu od 1 do 10 milisekund
• IRT (Isochronous Real-Time) do niezwykle precyzyjnej, zsynchronizowanej komunikacji z wykorzystaniem zaplanowanego przełączania

Takie wielowarstwowe podejście zapewnia elastyczność, szybkość i niezawodność, dzięki czemu PROFINET może stać się podstawą rozwoju nowoczesnej automatyki przemysłowej i integracji IIoT.

W zakresie wymiany danych, PROFINET działa w oparciu o model "dostawca-konsument", zastępując tradycyjne podejście "urządzenie master-urządzenie slave", używane w PROFIBUS. Elementy systemu PROFINET są zazwyczaj podzielone na trzy kategorie:

• Sterownik: zazwyczaj programowalny sterownik logiczny (PLC) lub rozproszony system sterowania (DCS) odpowiedzialny za wykonanie programu automatyki. Sterownik wysyła dane wyjściowe do urządzeń We/Wy i odbiera z nich dane wejściowe, podobnie jak urządzenie master klasy 1 w sieci PROFIBUS.
• Urządzenie: urządzenia obiektowe takie, jak czujniki i siłowniki, które komunikują się ze sterownikiem za pomocą połączeń Ethernet, działają podobnie do urządzeń slave w sieci PROFIBUS.
• Narzędzie nadzorujące: systemy takie jak komputery PC, interfejsy HMI lub narzędzia diagnostyczne używane do monitorowania, uruchamiania i rozwiązywania problemów, porównywalne z urządzeniami master klasy 2 PROFIBUS.

System PROFINET I/O wymaga co najmniej jednego sterownika i jednego urządzenia, ale konfiguracje mogą się znacząco różnić: wiele sterowników dla jednego urządzenia, jeden sterownik dla wielu urządzeń lub nawet wiele sterowników zarządzających wieloma urządzeniami. Narzędzie nadzorujące jest zazwyczaj wykorzystywane tymczasowo, podczas uruchamiania lub diagnostyki.

Oprócz tych podstawowych elementów, w sieci PROFINET mogą się znaleźć na przykład przełączniki i punkty dostępu bezprzewodowego. Niektóre z tych elementów mogą również działać, jako urządzenia We/Wy, co pozwala zwiększyć możliwości diagnostyczne.

Aby skonfigurować urządzenie PROFINET I/O, niezbędne są dwa elementy: narzędzie nadzorujące i plik GSD (ang. General Station Description). Plik GSD dostarczany przez dostawcę urządzenia jest podobny do plików używanych w PROFIBUS, ale korzysta z formatu opartego na XML, znanego jako GSDML.

Po zakończeniu konfiguracji, plik GSDML jest pobierany do sterownika, co umożliwia nawiązanie komunikacji z podłączonymi urządzeniami. Od tego momentu, dane cykliczne – takie jak dane wejściowe i wyjściowe – przepływają nieprzerwanie pomiędzy sterownikiem a urządzeniami, podczas gdy dane acykliczne, w tym informacje diagnostyczne, są przesyłane w razie potrzeby.

Wybór pomiędzy PROFIBUS i PROFINET zależy od konkretnych wymagań danego zastosowania. PROFIBUS to dobrze znany protokół cyfrowy oparty na komunikacji szeregowej, natomiast PROFINET to nowoczesny protokół zbudowany na bazie Ethernetu przemysłowego. PROFINET oferuje znacznie większą przepustowość i szybsze cykle komunikacji, umożliwiając przesyłanie większych pakietów danych.

Różnice pomiędzy PROFIBUS i PROFINET można znaleźć tutaj:

Kolejną zaletą protokołu PROFINET jest jego kompatybilność z technologiami bezprzewodowymi. Jest to standard oparty na sieci Ethernet, więc w razie potrzeby można go zintegrować z Wi-Fi lub Bluetooth, zapewniając elastyczność w przypadku mobilnej i zdalnej łączności.

Łączność i otwartość są podstawą tworzenia wydajnych systemów IIoT. Gromadzenie dokładnych danych obiektowych jest niezbędne do generowania użytecznych informacji, a PROFINET zapewnia niezawodne i przejrzyste połączenie pomiędzy urządzeniami na obiekcie a ekosystemami IIoT, takimi jak Netilion Endress+Hauser.

Protokół PROFINET może współistnieć z innymi protokołami, co jest istotną zaletą, bo teraz operatorzy mogą swobodnie korzystać z technologii cyfrowych, nie rezygnując ze znanej infrastruktury. Co więcej, korzystając z otwartych standardów (np. OPC UA) razem z PROFINET, można eksportować dane z obiektu do systemów wyższego poziomu, zapewniając płynną integrację z bazami danych w chmurze.

Jak widać, PROFINET już stał się kluczowym czynnikiem napędowym rozwoju IIoT, a jego rola będzie wciąż zyskiwać na znaczeniu.