Praxiswissen

Profinet IO

Datenaustausch in Echtzeit

Profinet ist die Abkürzung für Process Field Network und ist ein Industrial-Ethernet-Standard, der von Profibus & Profinet International für die Automatisierungsindustrie als auch für die gesamte Antriebstechnik entwickelt wurde.

Die Technologie von PROFINET beruht auf Ethernet-TCP/IP und ist ergänzend zu PROFINET ist modular, sodass der Anwender selbst über die Funktionalität entscheiden kann. Die Unterschiede liegen dann in der Datenübertragungsweise, die auf verschiedene Geschwindigkeiten angepasst wird.

Dezentrale Peripherie – Profinet IO

Profinet IO ist die Weiterentwicklung der Technologie des Profibus DP. Profinet IO beschreibt den Datenaustausch bzw. die Kommunikation zwischen Steuerung und dezentralen Feldgeräten. Somit findet das Producer-Consumer-Modell Anwendung, was die Kommunikation zwischen den gleichgestellten Teilnehmergeräten unterstützt. Der Provider sendet bei diesem Modell seine Daten ohne direkte Aufforderung eines Consumers, stellt diese somit immer zur Verfügung. Diese Daten werden stets durch Real-Time-Kommunikation übertragen, wodurch sich der Datenaustausch an sich auf wenige Millisekunden beläuft. Auch die Parametrierung und Diagnose ist Teil der Profinet IO Technologie.

Anschluss über externe und interne Switches

Die Profinet-IO-Feldgeräte können sowohl über interne als auch über externe Switches an das Netzwerk angeschlossen werden. Die Fast-Ethernet-Standardübertragung, auf der Profinet IO basiert, beträgt 100 MB/s.
Einige Profinet-IO-Geräte verfügen über interne Switches, was eine linienförmige Netzwerkstruktur, ohne externe Anschlüsse, möglich macht. Durch die Linienstruktur des Netzwerks sind nur Punkt-zu-Punkt-Übertragungen realisierbar. Wenn es zu Störungen an einem Gerät in der Linie kommt, wird die Verbindung somit komplett unterbrochen, da die Daten dann nicht weitergeleitet werden können. Deshalb empfiehlt es sich bei der Anlagenkonfiguration redundante Kommunikationswege einzuplanen, was durch Profinet IO auch unterstützt wird, um diese Problematik zu umgehen.

Profinet IO – Geräteklassen

Da Profinet IO bei der Datenübertragung das Provider-Consumer-Modell anwendet, können in einem Profinet-IO-Gerät beliebige Funktionsanordnungen vorhanden sein. Daraus ergeben sich folgende Geräteklassen:

  • IO-Controller
    Entspricht der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Hier läuft das Automatisierungsprogramm ab. (vergleichbar mit dem Master)
  • IO-Supervisor
    Entspricht entweder einem Programmiergerät (PG), einem Personal Computer (PC) oder einem Human-Machine-Interface-Gerät (HMI), das für die Inbetriebsetzung oder die Diagnose zuständig ist.
  • IO-Device
    Entspricht einem dezentral angeordneten IO-Gerät, welches durch Profinet IO angeschlossen ist. (vergleichbar mit einem Slave)

In einem Profinet-Netzwerk müssen mindestens ein IO-Controller und mehrere IO-Devices vorhanden sein. Die IO-Supervisor sind meist nur zur Inbetriebnahme kurz im Netzwerk befindlich.

Profinet IO – Datenverkehr

Der Datenverkehr kann auf vier unterschiedliche Arten in einem Profinet-Netzwerk erfolgen:

  1. Zyklischer Datenverkehr
    I/O-Daten werden in einem parametrierbaren Raster zwischen IO-Controller und IO-Devices übertragen. Dies geschieht in Real Time Kommunikation. Der IO-Controller überwacht zusätzlich noch die Gültigkeit und den Empfang der Daten.
  2. Azyklischer Datenverkehr
    IO-Devices können hierbei parametriert und konfiguriert werden. Dies ist durch die Read-Write-Frames möglich. Man kann festlegen welche Dienste mit den Read-Write-Frames ausgeführt werden sollen.
  3. Datenquerverkehr (MCR)
    Multicast Communication Relation (MCR) bezeichnet die Datenübertragung von einem Provider an mehrere oder alle Consumer.
  4. Ereignisgesteuerter 
    DatenverkehrSchnelle Übertragung von Ereignissen durch Alarmsignale. Diese Ereignisse können sowohl systemdefiniertem als auch anwenderdefiniertem Ursprungs sein.

Profinet IO – Gerätemodell

Die Profinet IO-Feldgeräte werden in zwei Arten unterteilt:

  1. Kompakte Feldgeräte
    Der Ausbaugrad ist nicht veränderbar
  2. Modulare Feldgeräte
    Der Ausbaugrad ist veränderbar und kann je nach Anwendungsbereich angepasst werden.

Alle Feldgeräte sind mit einer GSD-Datei (General Station Description) beschrieben. Hier wird zum Beispiel der DAP (Device Access Point) definiert, der sozusagen als Zugangspunkt für die Kommunikation dient. Bei Profinet IO wurde das Gerätemodell mit einer weiteren Schachtelungstiefe der Slots ergänzt, den Subslots.

Die Slots geben den Steckplatz in einem modularen Feldgerät an, die Subslots sind die eigentlichen Verbindungen zu den Prozessen. Durch den Index werden die Daten innerhalb der Subslots im azyklischen Datenverkehr über das Read-Write-System gelesen bzw. geschrieben und somit genauer spezifiziert. Der Index ist also für die Funktion zuständig, die in diesem Prozess erbracht werden soll.

Profinet IO – Arbeitsweise

  1. Die Konfiguration des Profinet-Netzwerkes erfolgt mittels der GSD-Dateien, die vom Hersteller zur Verfügung gestellt werden. Die Module werden dabei den jeweiligen Slots zugeordnet.
  2. Jedes Feldgerät wird nun ein Name (IP-Adresse) zugewiesen, damit man später die Geräte leichter identifizieren und unterscheiden kann. Dies geschieht mit dem DCP-Protokoll, das in jedem Feldgerät integriert ist.
  3. Die Konfigurationsdaten werden auf den IO-Controller übertragen.
  4. Das System wird hochgefahren und die Parameter werden an die IO-Devices übertragen.
  5. Um die Kommunikation zwischen dem IO-Controller und einem IO-Device bei Profinet IO ermöglichen zu können, müssen die Kommunikationswege aufgebaut werden. Jeder Datenaustausch basiert auf einer Application Relation (AR), welche die Beziehung zwischen dem IO-Controller und dem IO-Device bestimmt. Innerhalb der AR werden die Daten durch Communication Relations (CR) genauer spezifiziert. Das heißt, dass bestimmt Kanäle für den Datenaustausch definiert werden. Beim Einrichten der AR werden gleichzeitig die Kommunikationskanäle, die Alarme und die Querverkehrsbeziehungen eingerichtet.
  6. Durch verschiedene Frames wie zum Beispiel dem Connect Frame wird die Kommunikation zwischen dem IO-Controller und den IO-Devices aufgebaut. Dabei werden alle relevanten Daten übertragen, die zum Aufbau benötigt werden u.a. die Daten zur Parametrierung. Der IO-Controller signalisiert durch die Anzeige „Application Ready“, dass nun der erste Datenaustausch erfolgen kann.
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