Der definitive Leitfaden zu PROFINET mit IIoT

4...20 mA und HART werden zwar nach wie vor in vielen Bereichen genutzt, doch digitale Netzwerke fassen in industriellen Umgebungen immer mehr Fuß, da sie besser für Digitalisierungsinitiativen geeignet sind. In Gesprächen geht es oft um die fortgesetzte Relevanz analoger Systeme, da sie robust und unkompliziert sind und den Betrieb im Feld vereinfachen. Allerdings bleibt die Frage: Wie erreichen wir transparente Konnektivität zwischen dem Feld und Steuerungssystemen?

Moderne Steuerungen, Geräte und Anlagen erzeugen erhebliche Datenmengen, die fortschrittliche Kommunikationsprotokolle wie Modbus RS485, OPC und PROFIBUS DP erfordern. Technologien wie FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA and PROFINET bieten darüber hinaus noch bessere Integrationsfähigkeiten. Diese industriellen Netzwerke verbinden Feldgeräte mit Steuerungen. Sie ermöglichen damit Diagnose, Konfiguration und eine erweiterte Funktionalität, die weit über das hinausgeht, was ein rein analoges System bieten kann.

Trotz dieser Fortschritte ist die 4...20-mA-Technik weiterhin im Feld vorherrschend. Das liegt hauptsächlich an der Lücke, die zwischen den Konzepten der Hersteller und den realen Gegebenheiten der Anwender klafft, sowie an der Komplexität digitaler Netzwerke. Deshalb kann die Analogtechnik doch nicht so schnell in den Ruhestand geschickt werden. Der Aufstieg von IIoT und KI beschleunigt jedoch die Digitalisierung und führt dazu, dass Ethernet-basierte Protokolle und drahtlose Kommunikation immer häufiger anzutreffen sind. Der Trend ist klar: Es wird immer mehr digitale Lösungen geben, und wir müssen auf ihre Einführung vorbereitet sein.

Wenn Sie einen Router oder irgendein Gerät mit Internetanschluss installieren, haben Sie dabei wahrscheinlich ein Ethernet-Kabel verwendet. Viele meinen, dass sich „Ethernet“ nur auf das Kabel selbst bezieht, doch tatsächlich entspricht das Kabel nur dem Physical Layer eines Ethernet-Netzwerks.

Über diese Kabel unterstützt Ethernet mehrere Kommunikationsprotokolle. Zu gängigen Beispielen gehören das Internet Protocol (IP) und das Transmission Control Protocol (TCP), die in vielen Anwendungen des täglichen Lebens genutzt werden. Um die komplexeren Anforderungen industrieller Umgebungen zu erfüllen, werden dort jedoch zusätzliche Protokolle benötigt.

In der Werkshalle müssen Steuerungen auf Daten von Antrieben, Eingängen/Ausgängen und Workstations mit schnellen Reaktionszeiten zugreifen. Dabei muss das Netzwerk rauen Bedingungen wie Abrieb, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen standhalten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben Automatisierungsexperten Industrial Ethernet entwickelt, und aus dieser Grundlage ist PROFINET als robustes, Ethernet-basiertes Protokoll für industrielle Anwendungen hervorgegangen.

PROFINET ist ein Ethernet-basiertes industrielles Kommunikationsprotokoll, dass Prozessgeräte – beispielsweise Sensoren und Aktoren – mit Steuerungssystemen verbindet. Es wurde von der Organisation PROFIBUS and PROFINET International (PI) in Zusammenarbeit mit zahlreichen Partnern aus der Industrie entwickelt.

Das Protokoll erfüllt die Anforderungen des Ethernet-Standards IEEE 802 und ist in IEC 61158 und IEC 61784 definiert. Es ermöglicht die nahtlose Integration vieler verschiedener Geräte im selben Netzwerk. Beispielsweise können ein Drucker und ein Durchflussmessgerät nebeneinander in ein und derselben Infrastruktur betrieben werden. Im Gegensatz zu einem typischen Heimnetzwerk bietet PROFINET extrem schnelle Zykluszeiten, oft im Sub-Millisekunden-Bereich, und ist daher für industrielle Automatisierungslösungen geeignet.

Um seine Struktur zu verstehen, nehmen wir das ISO/OSI-Modell zu Hilfe, das sieben Schichten für die Netzwerkkommunikation definiert. Ethernet nutzt üblicherweise vier Schichten:

• Ethernet für physische Verbindung (Physical Link) und Datenverbindung (Data Link)
• IP für das Netzwerk
• TCP oder UDP für den Transport
• Weitere Protokolle für besondere Funktionen

Grundsätzlich folgt PROFINET diesem Modell, kann in einigen Anwendungen jedoch bestimmte Schichten umgehen. Beispielsweise lässt Real-Time (RT) PROFINET die Netzwerk- und die Transportschicht aus, um die Kommunikation zu beschleunigen.

• TCP/IP für Konfiguration, Einstellungen und zyklische Lese-/Schreibvorgänge
• Real-Time (RT) für Automatisierungsaufgaben mit Zykluszeiten zwischen 1 und 10 Millisekunden
• Isochronous Real-Time (IRT) für die hochpräzise, synchronisierte Kommunikation unter Verwendung von „Scheduled Switching“

Dieser schichtweise Ansatz sorgt für Flexibilität, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit und macht PROFINET damit zu einem Eckpfeiler für die moderne industrielle Automatisierung und IIoT-Integration.

PROFINET folgt für den Datenaustausch einem Provider-Consumer-Modell und löst damit den traditionellen, von PROFIBUS verwendeten Master-Slave-Ansatz ab. Geräte innerhalb eines PROFINET-Systems werden üblicherweise in drei Kategorien eingeteilt:

• Steuerung (Controller): Üblicherweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder ein Prozessleitsystem, von der bzw. dem das Automatisierungsprogramm ausführt wird. Der Controller sendet Ausgaben an IO-Devices und empfängt von ihnen Eingaben, ähnlich wie ein Master der Klasse 1 bei PROFIBUS.
• Geräte (Devices): Feldkomponenten wie z. B. Sensoren und Aktoren, die mit der Steuerung über Ethernet-Verbindungen kommunizieren. Sie arbeiten auf ähnliche Weise wie Slaves bei PROFIBUS.
• Übergeordnetes System (Supervisor): Systeme wie PCs, HMIs oder Diagnosewerkzeuge, die für Überwachung, Inbetriebnahme und Fehlerbehebung genutzt werden, vergleichbar mit Mastern der Klasse 2 bei PROFIBUS.

In einem PROFINET IO-System müssen mindestens ein Controller und ein Device vorhanden sein, es gibt jedoch viele verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten: mehrere Controller für ein einzelnes Device, ein Controller für mehrere Devices oder auch mehrere Controller, die mehrere Devices verwalten. Supervisors werden normalerweise nur kurzzeitig fpr due Inbetriebnahme oder für Diagnosezwecke verwendet.

Zusätzlich zu diesen Kernelementen enthält ein PROFINET-Netzwerk auch Komponenten wie Switches und drahtlose Zugangspunkte. Einige dieser Komponenten können auch als IO-Devices fungieren und so erweiterte Diagnosefähigkeiten bereitstellen.

Zum Konfigurieren eines PROFINET IO-Device müssen zwei Elemente vorhanden sein: ein Supervisor-Tool und eine GSD-Datei (General Station Description). Die vom Gerätehersteller zur Verfügung gestellte GSD-Datei ist ähnlich wie die bei PROFIBUS verwendeten, entspricht jedoch einem auf XML basierenden Format, das als „GSDML“ bezeichnet wird.

Nachdem die Konfiguration abgeschlossen ist, wird die GSDML-Datei in den Controller heruntergeladen. Damit kann die Kommunikation mit den verbundenen Geräten aufgebaut werden. Von da an fließen zyklische Daten – z. B. Eingangs- und Ausgangsdaten – kontinuierlich zwischen dem Controller und den Geräten. Azyklische Daten, z. B. Diagnoseinformationen, werden dagegen nach Bedarf ausgetauscht.

Die Wahl zwischen PROFIBUS und PROFINET hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung ab. PROFIBUS ist ein seit langem bewährtes, auf serieller Kommunikation basierendes digitales Protokoll. PROFINET ist dagegen ein modernes Protokoll, das auf Industrial Ethernet aufbaut. PROFINET bietet eine deutlich höhere Bandbreite und schnellere Kommunikationszyklen, mit denen größere Datenpakete übertragen werden können.

Hier finden Sie eine Übersicht der Unterschiede zwischen PROFIBUS und PROFINET:

Ein weiterer Vorteil von PROFINET ist seine Kompatibilität mit drahtlosen Technologien. Als Ethernet-basierter Standard ermöglicht es, sofern dies sinnvoll ist, die Integration mit Wi-Fi oder Bluetooth und bietet so Flexibilität für mobile und für Remote-Anbindung.

Konnektivität und Offenheit sind entscheidende Faktoren für den Aufbau effizienter IIoT-Systeme. Um verwertbare Erkenntnisse zu gewinnen, ist es unverzichtbar, genaue Felddaten zu erfassen. PROFINET stellt dafür eine zuverlässige und transparente Verbindung zwischen Feldgeräten und IIoT-Ökosystemen wie Netilion von Endress+Hauser bereit.

Eine der Stärken von PROFINET liegt darin, dass es die Koexistenz mit anderen Protokollen gestattet. Damit ermöglicht es Anlagenbetreibern einen Übergang ins digitale Zeitalter, ohne ihre vertraute Infrastruktur aufgeben zu müssen. Um eine nahtlose Integration mit Cloud-Datenbanken zu ermöglichen, können Daten außerdem aus dem Feld in Systeme höherer Ebenen exportiert werden. Dafür werden neben PROFINET arbeitende offene Standards wie z. B. OPC UA verwendet.

PROFINET ist bereits jetzt ein entscheidender Wegbereiter des IIoT und wird weiter an Bedeutung gewinnen.