En fullständig guide till PROFINET med IIoT

Även om 4–20 mA och HART fortfarande är vanliga börjar digitala nätverk få allt större genomslag inom industriella tillämpningar eftersom de är bättre anpassade för digitaliseringsprojekt. Den fortsatta relevansen hos analoga system tas ofta upp eftersom de är robusta och okomplicerade, vilket gör den operativa driften enklare. Frågan kvarstår dock: hur kan vi uppnå transparent anslutbarhet mellan fältenheter och styrsystem?

Moderna styrenheter och styrutrustning genererar stora mängder data, vilket kräver avancerade kommunikationsprotokoll som Modbus RS485, OPC och PROFIBUS DP. Tekniska lösningar som FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA och PROFINET kan dessutom ge ännu bättre integrering. Dessa industriella nätverk kopplar samman fältenheter med styrenheter, vilket möjliggör diagnostik, konfigurering och avancerade funktioner långt utöver vad rent analoga lösningar kan erbjuda.

Trots dessa framsteg fortsätter 4–20 mA att dominera fältet. Detta beror främst på glappet mellan leverantörernas koncept och användarnas verklighet, men även på att de digitala nätverkens komplexitet bromsar de analoga nätverkens pensionering. Framstegen inom IIoT och AI påskyndar dock digitaliseringen, vilket gör Ethernet-baserade protokoll och trådlös kommunikation allt vanligare i nya projekt. Trenden är tydlig: det kommer allt fler digitala lösningar och vi måste vara redo att använda dem.

Du har troligtvis sett en Ethernet-kabel när du har installerat en router eller annan enhet som är ansluten till internet. Många utgår från att ”Ethernet” bara syftar till själva kabeln, men kabeln utgör faktiskt bara det fysiska skiktet av ett Ethernet-nätverk.

Ethernet har stöd för flera olika kommunikationsprotokoll genom dessa kablar. Vanliga exempel är Internet Protocol (IP) och Transmission Control Protocol (TCP), som används i stor utsträckning i vardagen. Industrimiljöer kräver dock ytterligare protokoll för att uppfylla komplexa krav.

Ute i verksamheten måste styrenheter få tillgång till data från drivenheter, I/O och arbetsstationer med snabba svarstider, samtidigt som nätverket måste tåla tuffa förhållanden som nötning, luftfuktighet och temperaturfluktuationer. För att möta dessa behov har automationsexperter utvecklat Industrial Ethernet och med detta som grund har PROFINET klivit fram som ett robust Ethernet-baserat protokoll för industriella tillämpningar.

PROFINET är ett Ethernet-baserat industriellt kommunikationsprotokoll som ansluter processenheter – som sensorer och ställdon – till styrsystem. Det utvecklades av organisationen PROFIBUS & PROFINET International i samarbete med ett flertal branschpartner.

Protokollet uppfyller Ethernet-standarden IEEE 802 och definieras i IEC 61158 och IEC 61784. Det möjliggör sömlös integrering av olika enheter i samma nätverk. Till exempel kan en skrivare och en flödesmätare samexistera i en och samma infrastruktur. Till skillnad från vanliga hemnätverk har PROFINET extremt snabba cykeltider, ofta uttryckta i mindre än millisekunder, vilket gör det lämpligt för industriautomation.

För att förstå dess struktur utgår vi från ISO/OSI-modellen, som definierar sju skikt för nätverkskommunikation. Ethernet använder vanligtvis fyra skikt:

• Ethernet för koppling mellan fysisk verklighet och data
• IP för nätverk
• TCP eller UDP för transport
• Övrigaprotokoll för specifika funktioner

PROFINET följer i allmänhet den här modellen men kan kringgå vissa skikt för vissa tillämpningar. Till exempel utelämnar Real-Time (RT) PROFINET nätverks- och transportlagren för att göra kommunikationen snabbare.

• TCP/IP för konfigurering, inställningar och cykliska läs-/skrivåtgärder
• Real-Time (RT) för automatiska uppgifter med cykeltider på mellan 1 och 10 millisekunder
• Isochronous Real-Time (IRT) för oerhört exakt, synkroniserad kommunikation med s.k. ”scheduled switching” (tidsstyrd vidarekoppling i switcharna)

Denna användning av skikt säkerställer flexibilitet, snabbhet och tillförlitlighet och gör PROFINET till en hörnsten för modern industriautomation och IIoT-integrering.

PROFINET körs enligt en leverantör-konsument-modell för datautbyte och ersätter den traditionella principen med styrande/underordnad nod som används av PROFIBUS. Enheter i ett PROFINET-system delas vanligtvis in i tre kategorier:

• Styrenhet (Controller): Oftast ett programmerbart styrsystem (PLC) eller distribuerat styrsystem (DCS) som kör automationsprogrammet. Styrenheten skickar utsignaler till I/O-enheter och tar emot insignaler från dem, liknande en styrande nod av klass 1 i PROFIBUS.
• Fältenheter (Devices): Fältkomponenter som sensorer och ställdon som kommunicerar med styrenheten via Ethernet-anslutning och som fungerar ungefär som underordnade noder i PROFIBUS.
• Övervakande system (Supervisor): System som datorer, HMI eller diagnostikverktyg som används för övervakning, driftsättning och felsökning. Kan jämföras med styrande noder av klass 2 i PROFIBUS.

Ett PROFINET I/O-system kräver minst en styrenhet och en fältenhet, men konfigurationerna kan se mycket olika ut. De kan ha flera styrenheter för en fältenhet, en styrenhet för flera fältenheter eller till och med flera styrenheter som hanterar flera fältenheter. Övervakande system används oftast temporärt under driftsättning eller diagnostik.

Utöver dessa huvudelement innehåller ett PROFINET-nätverk komponenter som switchar och trådlösa åtkomstpunkter. Vissa av dessa komponenter kan också fungera som I/O-enheter, vilket ger bättre diagnostikfunktioner.

Två element är nödvändiga för att konfigurera en PROFINET I/O-enhet: ett övervakande verktyg och en GSD-fil (General Station Description). GSD-filen tillhandahålls av enhetsleverantören. Den liknar de som används i PROFIBUS, men följer ett XML-baserat format som kallas GSDML.

När konfigureringen är slutförd laddas GSDML-filen ner till styrenheten och upprättar kommunikation med de anslutna fältenheterna. Därefter flödar cykliska data – som in- och utsignaler – kontinuerligt mellan styrenheten och fältenheterna, medan acykliska data som diagnostikuppgifter, utbyts vid behov.

Valet mellan PROFIBUS och PROFINET beror på de specifika kraven för en tillämpning. PROFIBUS är ett etablerat digitalt protokoll baserat på seriekommunikation, medan PROFINET är ett modernt protokoll som bygger på Industrial Ethernet. PROFINET har betydligt högre bandbredd och snabbare kommunikationscykler, vilket möjliggör överföring av större datapaket.

Här ger vi en översikt över skillnaderna mellan PROFIBUS och PROFINET:

En annan fördel med PROFINET är att det är kompatibelt med trådlösa tekniker. Eftersom det är en Ethernet-baserad standard kan den vid behov integreras med wifi eller bluetooth, vilket ger flexibilitet för mobil och fjärransluten konnektivitet.

Anslutbarhet och öppenhet är grundläggande för att kunna skapa effektiva IIoT-system. Det är av högsta vikt att samla in exakta fältdata för att kunna generera användbara insikter och PROFINET utgör en tillförlitlig och transparent länk mellan fältenheter och IIoT-ekosystem som Endress+Hausers Netilion.

En av styrkorna med PROFINET är dess förmåga att samverka med andra protokoll, vilket gör att operatörerna kan ta steget över till den digitala tidsåldern utan att behöva lämna bekant infrastruktur bakom sig. Data kan dessutom exporteras från fältenheterna till system på högre nivå genom öppna standarder som OPC UA, som körs samtidigt med PROFINET för att skapa sömlös integrering med molndatabaser.

PROFINET är redan en viktig stödresurs för IIoT, och dess roll fortsätter att växa.