Полное руководство по PROFINET и IIoT

Несмотря на то что 4–20 мА и HART по-прежнему широко используются, цифровые сети все активнее внедряются в промышленной среде, поскольку они лучше соответствуют задачам цифровизации. Обсуждения актуальности аналоговых систем продолжаются, так как они надежны и просты, что облегчает работу в поле. Однако остается вопрос: как обеспечить прозрачную связь между полевым уровнем и системами управления?

Современные контроллеры и оборудование генерируют значительные объемы данных, для передачи которых требуются продвинутые протоколы связи, такие как Modbus RS485, OPC и PROFIBUS DP. Кроме того, такие технологии, как FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA и PROFINET, обеспечивают еще более высокий уровень интеграции. Эти промышленные сети соединяют полевые устройства с контроллерами, позволяя выполнять диагностику, конфигурирование и реализовывать расширенные функции, значительно превосходящие возможности чисто аналоговых решений.

Несмотря на эти достижения, сигнал 4–20 мА по-прежнему доминирует на полевом уровне, главным образом из-за разрыва между концепциями производителей и реальными условиями эксплуатации, а также из-за сложности цифровых сетей, которая замедляет отказ от аналоговых технологий. Однако развитие IIoT и ИИ ускоряет цифровизацию, делая протоколы на базе Ethernet и беспроводную связь все более распространенными в новых проектах. Тенденция очевидна: цифровых решений становится все больше, и к их внедрению необходимо быть готовыми.

При установке маршрутизатора или любого устройства, подключаемого к Интернету, вы, вероятно, сталкивались с Ethernet-кабелем. Многие считают, что «Ethernet» — это лишь сам кабель, однако на самом деле кабель представляет собой только физический уровень сети Ethernet.

По этим кабелям Ethernet поддерживает передачу данных с использованием различных коммуникационных протоколов. Наиболее распространенные примеры — Internet Protocol (IP) и Transmission Control Protocol (TCP), которые широко применяются в повседневных приложениях. Однако для промышленной среды требуются дополнительные протоколы, способные удовлетворить более сложные требования.

На уровне производства контроллеры должны получать данные от приводов, модулей ввода/вывода и рабочих станций с минимальными задержками, при этом сеть должна выдерживать жесткие условия эксплуатации, такие как абразивное воздействие, высокая влажность и колебания температуры. Для удовлетворения этих требований специалисты по автоматизации разработали промышленный Ethernet, на основе которого появился PROFINET — надежный протокол на базе Ethernet для промышленных применений.

PROFINET — это промышленный коммуникационный протокол на базе Ethernet, который соединяет технологические устройства, такие как датчики и исполнительные механизмы, с системами управления. Он был разработан организацией PROFIBUS and PROFINET International (PI) в сотрудничестве с многочисленными промышленными партнерами.

Протокол соответствует стандарту Ethernet IEEE 802 и определен в стандартах IEC 61158 и IEC 61784, что обеспечивает бесшовную интеграцию различных устройств в одной сети. Например, принтер и расходомер могут работать в рамках одной инфраструктуры. В отличие от типичных бытовых сетей, PROFINET обеспечивает чрезвычайно короткие циклы обмена данными, зачастую менее одной миллисекунды, что делает его подходящим для промышленной автоматизации.

Для понимания структуры PROFINET используется модель ISO/OSI, которая определяет семь уровней сетевого взаимодействия. Ethernet обычно использует четыре уровня:

• Ethernet — физический уровень и уровень канала данных
• IP — сетевой уровень
• TCP или UDP — транспортный уровень
• Другиепротоколы — для специализированных функций

PROFINET в целом следует этой модели, однако в некоторых приложениях может обходить отдельные уровни. Например, PROFINET реального времени (Real-Time, RT) исключает сетевой и транспортный уровни для ускорения обмена данными.

• TCP/IP используется для конфигурации, настройки и циклических операций чтения/записи
• Real-Time (RT) применяется для задач автоматизации с циклами от 1 до 10 миллисекунд
• Isochronous Real-Time (IRT) используется для высокоточной синхронизированной связи с планируемой коммутацией

Такой многоуровневый подход обеспечивает гибкость, высокую скорость и надежность, делая PROFINET ключевой технологией современной промышленной автоматизации и интеграции IIoT.

PROFINET использует модель «поставщик–потребитель» для обмена данными, заменяя традиционный подход «ведущий–ведомый», применявшийся в PROFIBUS. Устройства в системе PROFINET обычно подразделяются на три категории.

• Контроллер: как правило, это программируемый логический контроллер (PLC) или распределенная система управления (DCS), выполняющая программу автоматизации. Контроллер передает выходные сигналы устройствам ввода/вывода и принимает от них входные данные, аналогично ведущему устройству класса 1 в PROFIBUS.
• Устройства: полевые компоненты, такие как датчики и исполнительные механизмы, которые обмениваются данными с контроллером по Ethernet и по своей роли сопоставимы с ведомыми устройствами в PROFIBUS.
• Супервизор: системы, такие как ПК, HMI или диагностические инструменты, используемые для мониторинга, ввода в эксплуатацию и поиска неисправностей; они сопоставимы с ведущими устройствами класса 2 в PROFIBUS.

Система PROFINET I/O требует как минимум одного контроллера и одного устройства, однако конфигурации могут быть самыми разными: несколько контроллеров для одного устройства, один контроллер для нескольких устройств или несколько контроллеров, управляющих несколькими устройствами. Супервизоры, как правило, используются временно — на этапе ввода в эксплуатацию или диагностики.

Помимо основных элементов, сеть PROFINET включает такие компоненты, как коммутаторы и беспроводные точки доступа. Некоторые из этих компонентов также могут функционировать как устройства ввода/вывода, обеспечивая расширенные диагностические возможности.

Для конфигурирования устройства PROFINET I/O необходимы два элемента: средство супервизии и файл General Station Description (GSD). Файл GSD, предоставляемый производителем устройства, аналогичен файлам, используемым в PROFIBUS, но имеет формат на основе XML, известный как GSDML.

После завершения конфигурирования файл GSDML загружается в контроллер, после чего устанавливается связь с подключенными устройствами. С этого момента циклические данные — такие как входы и выходы — непрерывно передаются между контроллером и устройствами, а ациклические данные, включая диагностическую информацию, обмениваются по мере необходимости.

Выбор между PROFIBUS и PROFINET зависит от конкретных требований приложения. PROFIBUS — это хорошо зарекомендовавший себя цифровой протокол на основе последовательной связи, тогда как PROFINET является современным протоколом, построенным на промышленном Ethernet. PROFINET обеспечивает значительно более высокую пропускную способность и более короткие циклы обмена данными, что позволяет передавать пакеты данных большего объема.

Ниже приведен обзор различий между PROFIBUS и PROFINET.

Еще одним преимуществом PROFINET является его совместимость с беспроводными технологиями. Будучи стандартом на базе Ethernet, он может интегрироваться с Wi-Fi или Bluetooth в тех случаях, где это целесообразно, обеспечивая гибкость для мобильных и удаленных соединений.

Связность и открытость являются ключевыми факторами при построении эффективных систем IIoT. Сбор достоверных данных с полевого уровня необходим для получения практических аналитических выводов, и PROFINET обеспечивает надежный и прозрачный канал между полевыми устройствами и экосистемами IIoT, такими как Netilion компании Endress+Hauser.

Одним из сильных сторон PROFINET является его способность сосуществовать с другими протоколами, позволяя операторам переходить в цифровую эпоху без отказа от привычной инфраструктуры. Кроме того, данные могут передаваться с полевого уровня в системы более высокого уровня с использованием открытых стандартов, таких как OPC UA, которые работают совместно с PROFINET и обеспечивают бесшовную интеграцию с облачными базами данных.

PROFINET уже является ключевым элементом IIoT, и его роль будет продолжать расширяться.