PROFINET

PROFINET

PROFINET ist der Industrial-Ethernet-Standard von PI. Von den zwei Ausprägungen CBA und IO ist heute nur noch PROFINET IO in Gebrauch.

PROFINET (Process Field Network) ist ein offener Standard für die industrielle Kommunikation über Ethernet. Er wird von der Nutzerorganisation PROFIBUS & PROFINET International gepflegt und ist als Kommunikationsprofil in die Normenreihen IEC 61158 und IEC 61784 eingeflossen.

Anders als klassische Feldbusse setzt PROFINET auf gewöhnliche Ethernet-Hardware auf. Es verwendet Standard-Frames, Standard-Verkabelung und handelsübliche Switches, ergänzt um Mechanismen, die das für die Automatisierung nötige Zeitverhalten sicherstellen. Dadurch können Echtzeitverkehr und gewöhnlicher IT-Verkehr dasselbe Netz benutzen.

Zwei Ausprägungen

PROFINET wurde von Beginn an in zwei getrennten Ausprägungen entwickelt, die unterschiedliche Aufgaben adressierten:

• PROFINET CBA (Component Based Automation) für die Kommunikation zwischen eigenständigen, intelligenten Anlagenteilen
• PROFINET IO (Input Output) für den zyklischen Austausch von Prozessdaten zwischen einer Steuerung und dezentraler Peripherie

Beide teilten sich Teile des Protokollstapels, verfolgten aber grundsätzlich verschiedene Modelle. Von den beiden hat sich nur PROFINET IO durchgesetzt; CBA wurde von der Nutzerorganisation für obsolet erklärt und aus der laufenden Pflege genommen. Wer heute von PROFINET spricht, meint praktisch immer PROFINET IO.

PROFINET CBA

CBA verfolgte einen komponentenorientierten Ansatz. Eine Maschine oder ein Anlagenteil wurde als Komponente mit einer definierten Schnittstelle beschrieben — mit Eingängen, Ausgängen und einem internen Programm, dessen Aufbau nach außen verborgen blieb. Der Anlagenplaner verschaltete diese Komponenten anschließend in einem übergeordneten Werkzeug miteinander, ohne die Steuerungsprogramme selbst anfassen zu müssen.

Technisch beruhte die Kommunikation auf einem entfernten Prozeduraufruf (RPC) über TCP/IP; für zeitkritische Verbindungen kam später eine Echtzeitvariante hinzu. Die Beschreibung einer Komponente erfolgte über eine XML-Datei, die aus dem jeweiligen Engineering-Werkzeug exportiert wurde.

Der Ansatz zielte auf Maschine-zu-Maschine-Kopplung: mehrere gleichrangige Steuerungen, die untereinander Daten austauschen. Genau dieser Anwendungsfall blieb jedoch selten gegenüber der klassischen Konstellation aus einer Steuerung mit unterstellter Peripherie. Hinzu kam der Aufwand des zusätzlichen Verschaltungswerkzeugs und die Abhängigkeit von einer Middleware aus der Bürowelt.

Der Standard wird nicht mehr weiterentwickelt, Geräte werden nicht mehr zertifiziert. Für den Datenaustausch zwischen Steuerungen ist heute die entsprechende Funktion innerhalb von PROFINET IO oder eine übergeordnete Kommunikation vorgesehen.

PROFINET IO

PROFINET IO überträgt das Modell von PROFIBUS DP auf Ethernet: Eine Steuerung tauscht mit dezentraler Peripherie zyklisch Prozessdaten aus. Ein- und Ausgangsdaten werden in festen Zeitabständen aktualisiert, unabhängig davon, ob sie sich geändert haben.

Rollen. Der IO-Controller ist in der Regel die speicherprogrammierbare Steuerung; er hält die Verbindungen zu den Geräten und verarbeitet deren Daten. Ein IO-Device ist ein dezentrales Feldgerät — Peripheriebaugruppe, Antrieb, Sensor oder Kamera. Der IO-Supervisor ist ein Programmiergerät oder PC für Inbetriebnahme und Diagnose, das nur zeitweise am Netz hängt.

Kommunikationsklassen. PROFINET IO unterscheidet drei Klassen, die parallel im selben Netz laufen:

Die Echtzeitklassen umgehen den IP-Stack vollständig. Ihre Frames tragen den EtherType 0x8892 und werden von der empfangenden Station unmittelbar an die PROFINET-Anwendung übergeben — das erspart die Laufzeit und vor allem die Laufzeitschwankung, die eine Verarbeitung durch den TCP/IP-Stack mit sich brächte. Genau darin liegt der Gewinn an Determinismus. Zur Priorisierung gegenüber gewöhnlichem Verkehr werden die Rahmen zusätzlich mit einem VLAN-Tag versehen.

Der Wert 0x8892 ist von der IEEE Registration Authority zugeteilt, findet sich jedoch nicht in der von der IANA geführten Zusammenstellung der EtherTypes. Wer dort nachschlägt, geht daher leer aus — ein Beispiel dafür, dass diese Liste ausdrücklich keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt.

IRT geht darüber hinaus: Die beteiligten Geräte werden auf eine gemeinsame Zeitbasis synchronisiert, und die Übertragung folgt einem im Voraus geplanten Zeitschlitzplan. Innerhalb der reservierten Fenster kann kein anderer Verkehr dazwischenkommen. Das erfordert allerdings Switches mit entsprechender Hardwareunterstützung und eine im Projekt hinterlegte Topologie — die Verkabelung wird damit Teil der Projektierung.

Conformance Classes. Für die Zertifizierung sind gestufte Konformitätsklassen definiert. Die unterste deckt die Grundfunktionen mit RT ab, die mittlere ergänzt Netzdiagnose und automatische Topologieerkennung, die oberste verlangt IRT samt der dafür nötigen Hardware. Eine weitere Stufe adressiert den Betrieb über Time-Sensitive Networking.

Adressierung über den Gerätenamen

Eine Besonderheit von PROFINET IO ist, dass Geräte nicht primär über ihre IP-Adresse angesprochen werden, sondern über einen Gerätenamen.

Beim Anlauf sucht der IO-Controller die projektierten Geräte anhand ihres Namens im Netz und weist ihnen erst dann IP-Adresse und Netzmaske zu. Ein Austauschgerät muss deshalb nicht von Hand adressiert werden — es genügt, ihm den Namen des Vorgängers zuzuweisen. In Verbindung mit der Topologieerkennung kann der Controller den Namen sogar selbst vergeben, sodass ein Gerätetausch ohne Programmiergerät auskommt.

Zuständig für diesen Vorgang ist ein eigenes Protokoll zur Erkennung und Konfiguration, das ebenfalls unterhalb der IP-Schicht arbeitet und deshalb auch Geräte erreicht, die noch keine IP-Adresse besitzen.

Diagnose und Topologie

Für die Ermittlung der Nachbarschaftsbeziehungen nutzt PROFINET das Link Layer Discovery Protocol. Jedes Gerät meldet an seinen Ports, mit welchem Nachbarn es verbunden ist; daraus entsteht ein Abbild der tatsächlichen Verkabelung, das mit der Projektierung verglichen werden kann. Vertauschte Leitungen fallen dadurch bei der Inbetriebnahme auf, statt sich später als sporadischer Fehler zu äußern.

Für den Zugriff aus der IT-Welt stellen PROFINET-Geräte zusätzlich SNMP bereit, sodass Portzustände und Nachbarschaftsinformationen mit gewöhnlichen Netzwerkmanagementwerkzeugen abgefragt werden können.

Gerätebeschreibung

Jedes IO-Device bringt eine Beschreibungsdatei mit, die seine Baugruppen, Datenformate, Parameter und Diagnosemeldungen dokumentiert. Diese Datei wird in das Engineering-Werkzeug eingelesen und macht das Gerät dort projektierbar. Sie ist in XML formuliert und löst die textbasierten Beschreibungen aus der PROFIBUS-Welt ab.

Profile

Auf PROFINET setzen mehrere Anwendungsprofile auf, die für bestimmte Aufgaben zusätzliche Festlegungen treffen — unter anderem für funktional sichere Übertragung nach den einschlägigen Sicherheitsnormen, für die Ansteuerung von Antrieben und für die Erfassung und Steuerung des Energieverbrauchs von Anlagenteilen.

Die sicherheitsgerichtete Variante ist dabei bemerkenswert: Sie erreicht ihre Sicherheit ausschließlich über zusätzliche Maßnahmen im Nutzdatenbereich, ohne Anforderungen an das darunterliegende Netz zu stellen. Sichere und nicht sichere Kommunikation können deshalb dasselbe Netz benutzen.

Netzinfrastruktur

PROFINET setzt geswitchte Netze im Vollduplexbetrieb voraus; Kollisionsdomänen mit mehreren Teilnehmern sind ausgeschlossen. Üblich ist Fast Ethernet über Kupfer, daneben Lichtwellenleiter für längere Strecken oder Umgebungen mit starken Störungen. Viele Feldgeräte haben integrierte Switches, sodass sich Linienstrukturen ohne separate Verteiler aufbauen lassen.

Für die Verkabelung bestehen eigene Richtlinien der Nutzerorganisation, die Steckverbinder, Kabeltypen und Schutzarten für den industriellen Einsatz festlegen — darunter Rundsteckverbinder für Bereiche, in denen ein gewöhnlicher Stecker den Umgebungsbedingungen nicht standhält.

Abgrenzung zu PROFIBUS

PROFIBUS ist ein Feldbus auf Grundlage einer seriellen Zweidrahtleitung mit einem Master-Slave-Verfahren; PROFINET ist ein Kommunikationsprofil auf Ethernet. Gemeinsam sind ihnen die Nutzerorganisation, das Gerätemodell und ein Großteil der Anwendungsprofile, was die Migration erleichtert.

Bestehende PROFIBUS-Segmente lassen sich über Proxy-Geräte in ein PROFINET-Netz einbinden. Der Proxy tritt gegenüber dem IO-Controller als IO-Device auf und übernimmt gegenüber dem Feldbussegment die Rolle des Masters, sodass vorhandene Geräte weiterverwendet werden können.