Kattava opas PROFINETiin IIoT:llä

Vaikka 4–20 mA ja HART ovat edelleen laajalti käytössä, digitaaliset verkot saavat yhä enemmän vetovoimaa teollisuusympäristössä, koska ne soveltuvat paremmin digitalisaatioaloitteisiin. Keskustelut analogisten järjestelmien jatkuvasta merkityksestä ovat yleisiä, koska nämä järjestelmät ovat kestäviä ja yksinkertaisia, mikä helpottaa kenttätoimintoja. Kysymykseksi jää kuitenkin: miten saamme aikaan läpinäkyvän liitettävyyden kentän ja ohjausjärjestelmien välille?

Nykyaikaiset ohjaimet ja laitteet tuottavat merkittäviä tietomääriä, mikä edellyttää kehittyneitä tiedonsiirtoprotokollia, kuten Modbus RS485, OPC ja PROFIBUS DP. Lisäksi teknologiat, kuten FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA ja PROFINET, tarjoavat entistä paremmat integrointiominaisuudet. Nämä teollisuusverkot yhdistävät kenttälaitteet ohjaimiin, mikä mahdollistaa diagnosoinnin, konfiguroinnin ja edistykselliset toiminnot, mikä on paljon enemmän kuin mitä puhdas analoginen voi tarjota.

Näistä edistysaskelista huolimatta 4–20 mA hallitsee edelleen alaa, mikä johtuu suurelta osin toimittajakonseptien ja käyttäjien todellisuuden välisestä kuilusta sekä digitaalisten verkkojen monimutkaisuudesta, joka puolestaan viivästyttää analogisen toiminnan lopettamista. IIoT:n ja tekoälyn nousu kuitenkin kiihdyttää digitalisaatiota, mikä tekee Ethernet-pohjaisista protokollista ja langattomasta viestinnästä yhä yleisempiä uusissa projekteissa. Trendi on selvä: digitaalisia ratkaisuja on tulossa lisää, ja meidän on oltava valmiita ottamaan ne käyttöön.

Asentaessasi reitittimen tai minkä tahansa internetiin yhdistetyn laitteen, olet todennäköisesti törmännyt Ethernet-kaapeliin. Monet olettavat, että "Ethernet" viittaa vain itse kaapeliin. Todellisuudessa kaapeli edustaa vain Ethernet-verkon fyysistä kerrosta.

Ethernet tukee useita tiedonsiirtoprotokollia näiden kaapeleiden kautta. Yleisiä esimerkkejä ovat Internet Protocol (IP) ja Transmission Control Protocol (TCP), joita käytetään laajasti jokapäiväisissä sovelluksissa. Teollisuusympäristöt vaativat kuitenkin lisäprotokollia monimutkaisempiin vaatimuksiin vastaamiseksi.

Laitoskerroksessa ohjainten on käytettävä asemien, I/O:n ja työasemien tietoja nopealla vasteajalla, kun taas verkon on kestettävä kovia käyttöolosuhteita, kuten hankausta, kosteutta ja lämpötilan vaihteluita. Vastatakseen näihin vaatimuksiin automaatioasiantuntijat kehittivät Industrial Ethernetin, ja tältä pohjalta PROFINET nousi vankaksi Ethernet-pohjaiseksi protokollaksi teollisiin sovelluksiin.

PROFINET on Ethernet-pohjainen teollinen viestintäprotokolla, joka yhdistää prosessilaitteet - kuten anturit ja toimilaitteet - ohjausjärjestelmiin. Sen ovat kehittäneet PROFIBUS- ja PROFINET International (PI) -organisaatio yhteistyössä useiden teollisuuskumppanien kanssa.

Protokolla on IEEE 802 Ethernet -standardin mukainen, ja se on määritelty standardeissa IEC 61158 ja IEC 61784, mikä mahdollistaa eri laitteiden saumattoman integroinnin samaan verkkoon. Esimerkiksi tulostin ja virtausmittari voivat olla rinnakkain samassa infrastruktuurissa. Toisin kuin tavalliset kotiverkot, PROFINET tarjoaa erittäin nopeat sykliajat, usein alle millisekunnin alueella, joten se sopii teollisuusautomaatioon.

Sen rakenteen ymmärtämiseksi viittaamme ISO/OSI-malliin, joka määrittelee seitsemän kerrosta verkkoviestinnälle. Ethernet käyttää tyypillisesti neljää kerrosta:

• Ethernet fyysistä ja datayhteyttä varten
• IP verkolle
• TCP tai UDP kuljetukseen
• Muutprotokollat erikoistoimintoihin

PROFINET noudattaa yleensä tätä mallia, mutta voi ohittaa tietyt kerrokset joissakin sovelluksissa. Esimerkiksi Real-Time (RT) PROFINET jättää pois verkko- ja siirtokerrokset tiedonsiirron nopeuttamiseksi.

• TCP/IP konfigurointiin, asetuksiin ja toimintojen sykliseen lukemiseen/kirjoittamiseen
• Real-Time (RT) automaatiotehtäviin, joiden sykliajat ovat 1–10 millisekuntia
• Isochronous Real-Time (IRT) erittäin tarkkaan, synkronoituun kommunikaatioon ajoitetun vaihdon avulla

Tämä kerrostettu lähestymistapa varmistaa joustavuuden, nopeuden ja luotettavuuden, mikä tekee PROFINETistä modernin teollisuusautomaation ja IIoT-integraation kulmakiven.

PROFINET toimii palveluntarjoaja-kuluttaja-mallilla tiedonvaihdossa, joka korvaa perinteisen PROFIBUSin käyttämän isäntä-orja-lähestymistavan. PROFINET-järjestelmän laitteet jaetaan tyypillisesti kolmeen luokkaan:

• Ohjain: Yleensä ohjelmoitava logiikkaohjain (PLC) tai hajautettu ohjausjärjestelmä (DCS), joka suorittaa automaatio-ohjelman. Ohjain lähettää lähtöjä I/O-laitteille ja vastaanottaa niiltä tuloja, kuten luokan 1 isäntä PROFIBUSissa.
• Laitteet: Kenttäkomponentit, kuten anturit ja toimilaitteet, jotka kommunikoivat säätimen kanssa Ethernet-yhteyksien kautta ja jotka toimivat samalla tavalla kuin PROFIBUSin orjat.
• Valvoja: Järjestelmät, kuten PC:t, käyttöliittymät tai diagnostiikkatyökalut, joita käytetään valvontaan, käyttöönottoon ja vianetsintään, verrattavissa PROFIBUS luokan 2 -isäntiin.

PROFINET I/O -järjestelmä vaatii vähintään yhden ohjaimen ja yhden laitteen, mutta kokoonpanot voivat vaihdella suuresti: useita ohjaimia yhdelle laitteelle, yksi ohjain useille laitteille tai jopa useita ohjaimia, jotka hallitsevat useita laitteita. Valvojia käytetään tyypillisesti tilapäisesti käyttöönoton tai diagnosoinnin aikana.

Näiden ydinelementtien lisäksi PROFINET-verkko sisältää komponentteja, kuten kytkimiä ja langattomia tukiasemia. Jotkut näistä komponenteista voivat toimia myös I/O-laitteina, jotka tarjoavat parannettuja diagnostiikkaominaisuuksia.

PROFINET I/O -laitteen määrittämiseen tarvitaan kaksi elementtiä: valvontatyökalu ja General Station Description (GSD) -tiedosto. Laitteen toimittajan toimittama GSD-tiedosto on samanlainen kuin PROFIBUSissa käytetty, mutta se noudattaa XML-pohjaista muotoa, joka tunnetaan nimellä GSDML.

Kun konfigurointi on valmis, GSDML-tiedosto ladataan ohjaimeen, mikä muodostaa yhteyden kytkettyjen laitteiden kanssa. Tästä eteenpäin sykliset tiedot - kuten tulot ja lähdöt - virtaavat jatkuvasti ohjaimen ja laitteiden välillä, kun taas asyklistä dataa, mukaan lukien diagnostiikkatiedot, vaihdetaan tarpeen mukaan.

Valinta PROFIBUSin ja PROFINETin välillä riippuu sovelluksesi erityisvaatimuksista. PROFIBUS on vakiintunut sarjaviestintään perustuva digitaalinen protokolla, kun taas PROFINET on moderni, Industrial Ethernetin pohjalle rakennettu protokolla. PROFINET tarjoaa huomattavasti suuremman kaistanleveyden ja nopeammat viestintäsyklit mahdollistaen suurempien datapakettien siirron.

Täältä löydät yleiskatsauksen PROFIBUSin ja PROFINETin eroista:

Toinen PROFINETin etu on sen yhteensopivuus langattomien teknologioiden kanssa. Ethernet-pohjaisena standardina se voidaan integroida Wi-Fi- tai Bluetooth-yhteyden kanssa tarvittaessa, mikä tarjoaa joustavuutta mobiili- ja etäyhteyksille.

Liitettävyys ja avoimuus ovat tehokkaiden IIoT-järjestelmien rakentamisen perusta. Tarkkojen kenttätietojen kerääminen on välttämätöntä käytännöllisten näkemysten luomiseksi, ja PROFINET tarjoaa luotettavan ja läpinäkyvän linkin kenttälaitteiden ja IIoT-ekosysteemien, kuten Endress+Hauserin Netilionin välille.

Yksi PROFINETin vahvuuksista on sen kyky toimia rinnakkain muiden protokollien kanssa, mikä mahdollistaa operaattoreiden siirtymisen digitaaliseen aikakauteen hylkäämättä infrastruktuuria tuttua. Lisäksi tietoja voidaan viedä kentältä korkeamman tason järjestelmiin käyttämällä avoimia standardeja, kuten OPC UA, jotka toimivat yhdessä PROFINETin kanssa mahdollistaen saumattoman integroinnin pilvitietokantoihin.

PROFINET on jo nyt keskeinen IIoT:n mahdollistaja, ja sen rooli kasvaa edelleen.