PROFINET: der sichere Kommunikationsstandard in industriellen Netzwerken

PROFINET ist die Weiterentwicklung von PROFIBUS und erweitert diesen Feldbusstandard um neue, hilfreiche Anwendungen basierend auf Industrial Ethernet. Doch wie genau funktioniert PROFINET? Warum sollten Sie dieses Kommunikationsprotokoll für die Fabrik- bzw. Prozessautomatisierung verwenden? Und worin unterscheiden sich PROFIBUS und PROFINET?

PROFINET bietet Ihnen die folgenden Vorteile:

Einfache und nahtlose Integration etablierter Feldbussysteme über Proxys bzw. Gateways
Hohe Betriebssicherheit und Verfügbarkeit
Transparente Datenzugänglichkeit
Detaillierte, aussagekräftige Diagnosemöglichkeiten

Die Grundlagen von PROFINET

Mit PROFINET können Automatisierungslösungen im Bereich der Fabrikautomation, der Prozessautomatisierung sowie der Gebäudeautomation umgesetzt werden. Außerdem werden Lösungen in Sicherheitsanwendungen sowie der gesamten Bandbreite der Antriebstechnologie, bis hin zur taktsynchronisierten Bewegungssteuerung, verwendet.

Der offene Industrial Ethernet Standard

PROFINET (Process Field Network) ist ein auf Industrial Ethernet basierender Kommunikationsstandard mit einem umfassenden Anwendungsspektrum. Der Feldbus nutzt TCP/IP und IT-Standards, ist echtzeitfähig und ermöglicht die Integration von Feldbus-Systemen. PROFINET wurde von Siemens und den Mitgliedsfirmen der PROFIBUS-Nutzerorganisation (PNO) entwickelt und wird in Verbindung mit den Siemens-Steuerungssystemen eingesetzt. Durch die Normen IEC 61158 und IEC 61784 wurde PROFINET standardisiert und deckt, als universale Kommunikationstechnik, alle Anforderungen der Automatisierungstechnik ab.

Die weltweite Kompatibilität eines PROFINET-Geräts wird durch eine Zertifizierung der Nutzerorganisation PNO sichergestellt.

Warum PROFINET für die Automatisierung Ihrer Anlagen die richtige Wahl ist:

Mit seiner durchgängigen, Ethernet-basierten Kommunikation erfüllt PROFINET die unterschiedlichsten Anforderungen. Vom datenintensiven Parametrieren bis zur extrem schnellen I/O-Datenübertragung ermöglicht PROFINET Automatisierung in Real-Time sowie eine IT-Integration mit nur einem System. Durch den modularen Aufbau können Anwender ganz individuell ein passendes PROFINET-Paket (Anwendungsprofil) auswählen und in ihrer Anlage implementieren.

Die offene Architektur von PROFINET ermöglicht zudem eine leichte und nahtlose Integration etablierter Feldbuslösungen, z.B. durch den Einsatz von Proxys bzw. Gateways. Zusätzlich bietet PROFINET intelligente Diagnose-Konzepte für Feldgeräte und Netzwerke an. Dabei liefern azyklische Diagnosedaten wichtige Informationen über den Zustand der PROFINET-Geräte sowie deren Kommunikation und ermöglichen so die anwenderfreundliche Darstellung der Vernetzung.

Der Funktionsumfang von PROFINET

Um den unterschiedlichen Anforderungen der Automatisierungsanlagen gerecht zu werden, wurden bei PROFINET vier aufeinander aufbauende Conformance Classes (CC) mit einem jeweils für den typischen Anwendungsbereich abgestimmten Funktionsumfang definiert. Diese fassen anwendungsorientierte Mindesteigenschaften zusammen:

CC-A enthält die Grundfunktionen und ist z.B. auf den Einsatz in der Gebäudeautomation ausgerichtet
CC-B erweitert den Funktionsumfang um Netzwerkdiagnose und Topologie-Informationen; hier kommen bei CC-B(PA) für die Prozessautomatisierung relevante Funktionen wie beispielsweise Redundanz und „Dynamic Reconfiguration“ (Änderungen der Controllerkonfiguration im laufenden Betrieb) hinzu
CC-C ist eine weitere Erweiterung zur Realisierung von IRT-Kommunikation (Isochroneous Real Time) und damit die Basis für taktsynchrone Applikationen
CC-D erweitert die Klasse C mit dem Unterschied, dass diese Dienste mit den durch IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) definierten Mechanismen des TSN (Time-Sensitive Networking) erbracht werden

Der Aufbau des Kommunikationsprotokolls

PROFINET reduziert das bekannte 7-schichtige OSI-Modell auf ein einfaches 4-schichtiges TCP/IP-Modell. Somit verwendet PROFINET, genau wie andere Ethernet-basierte Kommunikationstechnologien, das TCP/IP-Protokoll zum Transport von Daten. Die vier spezifischen Schichten des TCP/IP-Modells sind: Netzwerk, Internet, Transport und Anwendung.

Datenübertragung und Topologie von PROFINET

Datenaustausch und Echtzeitfähigkeit

Zum Datenaustausch zwischen den Netzwerkteilnehmern unterstützt PROFINET das Provider-Consumer-Prinzip. Das bedeutet, dass sowohl der Controller als auch das Feldgerät (IO-Device) von sich aus selbständig die zyklischen Daten versenden, sobald sie dies aufgrund einer Störung oder einer Anfrage müssen. Außerdem besteht die Möglichkeit einer programmierten Anfrage, beispielsweise das jede x Millisekunde die Daten automatisch geschickt werden.

Um die hohen Anforderungen in Echtzeit einzuhalten, bietet PROFINET entsprechende Mechanismen, die sowohl Standard- als auch Echtzeitkommunikation parallel ermöglichen. Daher ist die Kommunikation mit PROFINET über drei aufeinander aufbauenden Leistungsstufen skalierbar:

Die Übertragung von Engineering- und zeitunkritischen Daten erfolgt über TCP/IP. Diese Standardkommunikation ist zwischen allen Automatisierungsgeräten möglich.
Für die Übertragung von Prozessdaten steht der Echtzeitkanal Real-Time (RT) zur Verfügung.
Für taktsynchrone Anwendungen wie Motion Control, wird die Isochrone Real-Time-Kommunikation (IRT) genutzt, die bei einer Taktrate von kleiner 1 Millisekunde eine Jitter-Genauigkeit von 1 μs und weniger ermöglicht.

Netzwerktopologie

PROFINET bietet eine flexible Netzwerktopologie zur optimalen Erfüllung der Anforderungen in Bezug auf räumliche Ausdehnung und Verfügbarkeit und kann somit problemlos den Gegebenheiten der Anlagen folgen. Unterstützt werden dabei:

die Linie, die vorrangig Endgeräte mit integrierten Switches im Feld verbindet
der Stern mit einem zentralen Switch, dieser ist vorrangig im Schaltschrank verbaut
der Ring, vorrangig zur Realisierung der Medienredundanz und
der Baum, als eine Mischung der obigen Topologien

Anschlusstechnik

Der Anschluss der PROFINET-Geräte erfolgt ausschließlich über Switches. Um eine kostengünstige und einfache Installation zu ermöglichen, haben viele PROFINET-Geräte bereits einen Switch mit 2 oder mehr Ports als Komponenten im Netzwerk integriert. Als Übertragungsmedium können Kupfer- sowie Lichtwellenleiter eingesetzt werden.

Da PROFINET die gleiche physikalische Schnittstelle wie Ethernet verwendet, können Standard-Ethernet-Switches und eine passende Verkabelung zum Aufbau, bzw. zur Erweiterung eines Netzwerks angewendet werden.

Aufbau des PROFINET-IO-Systems

Das PROFINET-IO-(In and Output) Netzwerk besteht aus drei Systemkomponenten (Geräteklassen). Es gibt den IO-Controller, der den Austausch von Informationen initiiert und über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verwaltet. Das IO-Device, das einem IO-Controller zugeordnet ist (ein dezentral angeordnetes IO-Gerät) sowie den IO-Supervisor (Programmiergerät (PG), ein Personal Computer (PC) oder Human-Machine-Interface (HMI)), der die Konfiguration und Diagnose eines PROFINET-IO-Netzwerks ermöglicht.

PROFINET: Die Weiterentwicklung von PROFIBUS

PROFIBUS ist ein etabliertes Feldbussystem, welches auf der seriellen Kommunikation basiert. PROFINET dagegen, ist eine Weiterentwicklung von PROFIBUS und umfasst zusätzliche Anwendungen auf der Basis von Industrial Ethernet.

Die Entwicklung von PROFINET wurde durch die Anzahl der Netzwerkteilnehmer, die Verwendung eines industriellen Ethernet-Kabels, die Übertragungsgeschwindigkeit, die Größe der Datenpakete und die mögliche Koexistenz mit anderen Protokollen, die PROFINET akzeptieren kann, bestimmt.

Da beide Kommunikationsstandards von der gleichen Organisation entwickelt wurden und durch diese gepflegt werden, gibt es Ähnlichkeiten in den Engineering-Konzepten sowie in der Verwendung von GSD-Dateien (General Station Description) zur Beschreibung der Eigenschaften und Funktionen der PROFINET-Geräte, inkl. ihrer Module und Submodule.

Unsere Bürkert-Kompetenzen

Wir sind seit Jahren ein verlässlicher Partner der Industrie und bieten Ihnen qualitativ hochwertige Technologie-Lösungen an. Dies gilt auch für den Bereich der Automatisierungstechnik. Ein essentieller Bestandteil moderner Automatisierungskonzepte ist dabei auch die digitale Kommunikation. Aus diesem Grund wird jedes unserer Produkte mit dem PROFINET-IO-Protokoll von internen Experten getestet und vorzertifiziert und anschließend von der PNO zertifiziert. Die zentrale Zertifizierung der PROFINET-IO-Produkte gewährleistet somit eine globale Kompatibilität. Bürkert ist ein langjähriges Mitglied der PNO

Um Sie bei der Automatisierung Ihrer Produktionsanlagen bestmöglich unterstützen zu können, bieten wir Ihnen das Kommunikationsprotoll PROFINET IO in vielen unserer Anwendungen und Produkten.

Anwendungsbeispiele mit PROFINET

Bürkert-Produkte mit PROFINET IO sind überwiegend in der Prozessautomatisierung zur Steuerung und Regelung von Medien (Gasen, Flüssigkeiten) vorzufinden, werden aber auch immer häufiger in folgenden Bereichen eingesetzt:

Zuführung von Brenngasen
Prozessanlagen zur Nahrungsmittelherstellung sowie in der Getränkeindustrie und in Molkereien
Automatisierung & Steuerung für die Wasser-/Abwasserbehandlung

Unsere mit PROFINET kompatiblen Produkte

Digitaler elektropneumatischer Stellungsregler für den integrierten Anbau an Prozessregelventile

Typ 8692

Kompaktes und robustes Edelstahldesign
Einfachste Inbetriebnahme mit automatischer X-Tune Funktion
Berührungsloser Wegaufnehmer
Integrierte Steuerluftführung und Federkammerbelüftung
EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP, PROFIBUS DP-V1 oder Bürkert-Systembus (büS)

Digitaler elektropneumatischer Prozessregler für den integrierten Anbau an Prozessregelventile

Typ 8693

Kompaktes und robustes Edelstahldesign
Einfachste Inbetriebnahme durch Tune-Funktion für Stellungs- und Prozessregler
Berührungsloser Wegaufnehmer
Integrierte Steuerluftführung und Federkammerbelüftung
PROFIBUS DP-V1, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP oder büS (Bürkert System Bus)

Digitaler elektropneumatischer Stellungsregler SideControl

Typ 8792

Kompakte und robuste Bauform
Einfache Inbetriebnahme durch X.TUNE-Funktion
Integrierte Diagnosefunktionen zur Ventilüberwachung
Dynamisches Stellsystem ohne Luftverbrauch im ausgeregelten Zustand
EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP, PROFIBUS DP-V1 oder Bürkert-Systembus (büS)

Digitaler elektropneumatischer Prozessregler SideControl

Typ 8793

Kompakte und robuste Bauform
Inbetriebnahme durch X.TUNE und P.TUNE-Funktion von Stellungs- und Prozessregler
Integrierte Diagnosefunktionen zur Ventilüberwachung
Dynamisches Stellsystem ohne Luftverbrauch im ausgeregelten Zustand
EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP, PROFIBUS DP-V1 oder Bürkert-Systembus (büS)

FLOWave SAW-Durchflussmesser

Typ 8098

Ohne jegliche Teile im Messrohr, kompakt, geringes Gewicht und niedriger Energieverbrauch
Konform zu hygienischen Anforderungen, CIP-/SIP-fähig
Ideal für Flüssigkeiten mit niedriger oder keiner Leitfähigkeit
Digitale Kommunikation, Parametrierung über Communicator, Display
Optional: ATEX/IECEx-Zertifizierung, II 3G/D

Massendurchflussregler (MFC)/Massendurchflussmesser (MFM) für Gase

Typ 8745

Nenndurchflussbereiche von 20 l/min bis zu 2500 l/min
Hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit
Kommunikation über Normsignale oder Industrial Ethernet
Elektromagnetischer und elektromotorischer Ventilantrieb verfügbar
Erleichterter Geräteaustausch durch Konfigurationsspeicher

AirLINE – Die Ventilinsel – optimiert für die Prozessautomatisierung

Typ 8652

Sicherheitsgerichtete Abschaltung von Ventilen möglich
Höhere Anlagenverfügbarkeit mit PROFINET S2 (Systemredundanz)
Prozesssicherheit durch pneumatische Funktionen
Optimiert für die Montage am Schaltschrankboden
EX-Versionen: ATEX / IECEx Zone 2, cURus Haz. Loc. CL I, II, III Div 2

AirLINE SP – Elektropneumatisches Automatisierungssystem

Typ 8647

Direkte Anbindung an die I/O-Systeme SIMATIC ET 200SP und ET 200SP HA
Vollintegration in Siemens Prozessleitsystem PCS 7 möglich
Kombination von Feldbus, Pilotventilen und I/O-Modulen
Einfache Diagnose durch LC-Display
Sicherheitsgerichtete Abschaltung von Ventilen möglich