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Profinet ist der offene Industrial Ethernet Standard von Profibus & Profinet International (PI) für die Automatisierung. Profinet nutzt TCP/IP und IT-Standards, ist Echtzeit-Ethernet fähig und ermöglicht die Integration von Feldbus-Systemen.

Das Profinet-Konzept ist modular aufgebaut, so dass der Anwender die Funktionalität selbst wählen kann. Diese unterscheidet sich im Wesentlichen durch die Art des Datenaustauschs, um den Anforderungen an Geschwindigkeit gerecht zu werden.

Bei Profinet gibt es die beiden Sichtweisen Profinet-CBA und Profinet-IO:

  • Profinet-CBA (Component Based Automation) ist für die komponentenbasierte Kommunikation über TCP/IP und die Real-Time-Kommunikation für Echtzeitanforderungen im modularen Anlagenbau gedacht. Beide Kommunikationswege können parallel genutzt werden.
  • Profinet-IO ist für die Real-Time- (RT) und die taktsynchrone Kommunikation IRT (IRT= Isochronous Real-Time) mit der dezentralen Peripherie geschaffen worden. Die Bezeichnungen RT und IRT beschreiben lediglich die Echtzeit-Eigenschaften bei der Kommunikation innerhalb von Profinet-IO.

Profinet-CBA und Profinet-IO können zur gleichen Zeit am selben Bussystem kommunizieren. Sie können sowohl separat betrieben als auch kombiniert werden, so dass eine Profinet-IO-Teilanlage in der Anlagensicht als eine Profinet-CBA-Anlage erscheint.

Inhaltsverzeichnis

Technologie

Um diese Funktionen zu erreichen sind drei verschiedene Protokollstufen definiert:

  • TCP/IP für Profinet-CBA und die Inbetriebnahme einer Anlage mit Reaktionszeiten im Bereich von 100ms
  • RTP (Real Time Protocol) für Profinet-CBA und Profinet-IO, Anwendung bis 10 ms Zykluszeiten
  • IRT (Isochronous Real-Time) für Profinet-IO, Anwendungen bei der Antriebstechnik mit Zykluszeiten unter 1ms

Das Profinet Protokoll kann mit jedem Ethernet-Analysewerkzeug aufgezeichnet und dargestellt werden. Wireshark/Ethereal decodiert in der aktuellen Version auch die Profinet-Telegramme.

Profinet Komponenten-Modell (Profinet-CBA)

Ein Profinet-CBA (CBA = Component Based Automation) System besteht aus verschiedenen Automatisierungskomponenten. Eine Komponente umfasst alle mechanischen, elektrischen und informationstechnischen Größen. Die Komponente kann mit den üblichen Programmierwerkzeugen erstellt worden sein.

Zur Beschreibung einer Komponente wird eine Profinet Component Description (PCD)-Datei in XML erstellt. Ein Planungswerkzeug lädt diese Beschreibungen und erlaubt Erstellung der logischen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten zur Realisierung einer Anlage.

Dieses Modell ist von der Norm IEC 61499 beeinflusst.

Der Grundgedanke von Profinet-CBA ist, dass man in vielen Fällen eine gesamte Automatisierungsanlage in autonom arbeitende – und damit überschaubare – Teilanlagen gliedern kann. Der Aufbau und die Funktionalität können sich durchaus in mehreren Anlagen in identischer oder leicht modifizierter Form wiederfinden. Solche sogenannten Profinet-Komponenten sind normalerweise durch eine überschaubare Anzahl von Eingangssignalen gesteuert. Innerhalb der Komponente führt ein vom Anwender geschriebenes Steuerprogramm die erforderliche Funktionalität innerhalb der Komponente aus und gibt die entsprechenden Ausgangssignale an eine andere Steuerung. Der damit verbundene Entwicklungsvorgang ist herstellerunabhängig. Die Kommunikation eines komponenten-basierten Systems wird projektiert statt programmiert. Die Kommunikation mit Profinet-CBA (ohne Real-Time) ist für Buszykluszeiten von ca. 50..100 ms geeignet. Im parallel angeordneten RT-Kanal sind Datenzyklen wie bei Profinet-IO möglich (ein paar ms).

Dezentrale Peripherie (Profinet-IO)

Überblick

Die Anbindung der dezentralen Peripherie ist durch Profinet-IO, manchmal auch PNIO abgekürzt, realisiert. Es definiert die Kommunikation mit den dezentral angeschlossenen Peripheriegeräten und ist hier als Nachfolger von Profibus DP zu sehen.

Die Basis hierfür ist ein kaskadierbares Real-Time-Konzept, d.h. die angeschlossenen Geräte können größenordnungsmäßig im Takt von einigen wenigen Millisekunden mit neuen Daten versorgt werden, wobei für die einzelnen Peripheriegeräte individuelle Taktzeiten möglich sind, falls die Geräte IRT (s.u.) unterstützen.

Profinet-IO beschreibt den gesamten Datenaustausch zwischen Controllern (Geräte mit sog. „Master-Funktionalität“) und den Devices (Geräte mit sog. „Slave-Funktionalität“), sowie die Parametrierung und Diagnose. Profinet-IO ist für den Datenaustausch zwischen Ethernet-basierten Feldgeräten ausgelegt und folgt dem Provider-/Consumer-Modell. Feldgeräte in einem unterlagerten Profibus-Strang können über einen IO-Proxy (Stellvertreter für ein unterlagertes Bussystem) in das Profinet-IO-System eingebunden werden. Ein Geräteentwickler kann Profinet-IO mit jedem handelsüblichen Ethernet-Controller realisieren, solange keine Taktsynchronität gefordert ist. Es eignet sich für den Datenaustausch mit Buszyklus-Zeiten von ein paar ms. Das Projektieren eines IO-Systems ist vom „look and feel“ nahezu identisch wie bei Profibus gehalten.

Ein Profinet-IO System wird aus den folgenden Geräten zusammengesetzt:

  • IO-Controller ist eine Steuerung, die die Automatisierungsaufgabe kontrolliert.
  • IO-Device ist ein Feldgerät, das von einem IO-Controller kontrolliert und gesteuert wird. Ein IO-Device besteht aus mehreren Modulen und Submodulen.
  • IO-Supervisor ist ein Entwicklungs-Werkzeug typischerweise basierend auf einem PC um die einzelnen IO-Devices zu parametrieren und diagnostizieren.

Zwischen einem IO-Controller und einem IO-Device wird eine Application-Relation (AR) aufgebaut. Über diese AR werden Communication-Relations (CR) mit unterschiedlichen Eigenschaften für den Parametertransfer, zyklischen Datenaustausch und Alarm Behandlung festgelegt.

Die Eigenschaften eines IO-Devices werden vom Gerätehersteller in einer GSD-Datei (Generic Station Description) beschrieben. Als Sprache hierfür wird die GSDML (GSD Markup Language) – eine XML basierte Sprache – verwendet. Die GSD-Datei dient einer Entwicklungsumgebung als Grundlage für die Planung der Konfiguration eines Profinet-IO-Systems.

Umsetzung in Ethernet

Profinet wird über Ethernet abgewickelt, daher findet jeglicher Profinet-Datenverkehr mittels Ethernet-Datenpaketen statt. Es gibt allerdings Unterschiede hinsichtlich der beteiligten Dienste, Protokollebenen und der Priorisierung bzw. Sendereihenfolge der Pakete.

Wie z.B. auch Profibus kennt Profinet die Unterscheidung in zyklischen (Prozessdaten) und azyklischen Datenverkehr.

Zyklischer Datenverkehr findet mit festen Taktzeiten statt. Der Inhalt des zyklischen Datenverkehrs sind die Daten, die die Zentraleinheit an die Peripheriegeräte schickt, damit sie an den Ausgängen ausgegeben werden können sowie die Daten, die ein Peripheriegerät an seinen Eingängen einliest und zur Verarbeitung an die Zentraleinheit schickt. In der Regel geht also in jedem Buszyklus ein solches "zyklisches" Datenpaket von der Zentraleinheit an das Peripheriegerät und umgekehrt.

Daneben gibt es im Datenaustausch zwischen Zentraleinheit und Peripheriegerät auch den azyklischen Datenverkehr, der für Ereignisse genutzt wird, die sich eben nicht ständig wiederholen. Beispiele für azyklischen Datenverkehr sind beispielsweise das Senden von Parametrierungs- und Konfigurationsdaten beim Anlauf eines Peripheriegeräts an das Gerät oder das Senden einer Alarmmeldung vom Peripheriegerät zur Zentraleinheit im laufenden Betrieb. Daneben gibt es noch einige profinet-spezifische Dienste (wie z.B. Nachbarschaftserkennung, Uhrzeitsynchronisation etc.), die auch den azyklischen Daten zuzurechnen sind.

Für die zyklischen Daten wird bei Profinet eine möglichst effiziente Übertragung im Hinblick auf die Bandbreite angestrebt. Deshalb setzt der zyklische Verkehr direkt auf der Ebene der MAC-Adressen auf und enthält keine IP-Adressen, um die Headerlänge des Datenpakets (und damit auch die Gesamtlänge) klein zu halten. Da die Automatisierungsaufgaben für Profinet-IO in aller Regel lokal begrenzt sind (eine Maschine/Anlage) kann man den Verlust der Routingfähigkeit, den man durch den Verzicht auf IP-Headerinformationen in Kauf nimmt, verschmerzen.

Der zyklische Datenverkehr kann je nach Anforderung in zwei Klassen eingeteilt werden: Datenaustausch ohne oder mit Taktsynchronität. Im landläufigen Sprachgebrauch wird Datenaustausch ohne Taktsynchronität auch als "RT" (Real Time) bezeichnet, Datenaustausch mit Taktsynchronität auch als "IRT" (Isochronous Real Time).

Azyklische Daten hingegen können durchaus auf IP-Ebene oder darüber angesiedelt sein. Eine Profinet-Anlage nutzt z.T. auch Dienste, die aus der Computernetzwerktechnik bekannt sind, z.B. ARP oder ICMP.

Echtzeitfähigkeit

Innerhalb von Profinet-IO werden Prozessdaten und Alarme immer in Real-Time (RT) übertragen. Real-Time in Profinet basiert auf der Definition von IEEE und IEC, die nur eine begrenzte Zeit für die Ausführung von Real-Time-Diensten innerhalb eines Buszyklusses erlauben. Die RT-Kommunikation stellt die Basis für den Datenaustausch bei Profinet-IO dar. Real-Time-Daten werden höherprioritär behandelt als TCP(UDP)/IP-Daten. Wie eng dieses Fenster zu wählen ist hängt von den Echtzeit-Ausprägungen ab. RT liefert die Basis für die Echtzeit-Kommunikation im Bereich der dezentralen Peripherie sowie beim Profinet-Komponenten-Modell (Profinet-CBA). Mit dieser Art des Datenaustauschs sind Buszykluszeiten im Bereich von ein paar Hundert Mikrosekunden erreichbar.

Taktsynchronität

Der taktsynchrone Datenaustausch mit Profinet ist beim Isochronous-Real-Time (IRT) Konzept definiert. Profinet-IO-Feldgeräte mit IRT-Funktionalität haben die Switchports im Feldgerät integriert. Sie basieren z.B. auf den Ethernet-Controllern ERTEC 400/200. Die Datenaustausch-Zyklen liegen normalerweise im Bereich von ein paar Hundert Mikrosekunden bis hin zu wenigen Millisekunden. Der Unterschied zur Real-Time-Kommunikation liegt im Wesentlichen im Determinismus. Der Beginn eines Buszyklusses kann maximal um 1 µs abweichen (Jitter). IRT benötigt man beispielsweise bei Motion Control-Anwendungen (Positioniervorgänge).

Weitere Funktionen des Profinet-Konzepts

  • Durch Unterstützung des Tool Calling Interfaces (TCI) kann sich jeder Feldgeräte-Hersteller in eine beliebige TCI-fähige Entwicklungsumgebung einklinken und „seine“ Feldgeräte parametrieren und diagnostizieren ohne die Entwicklungsumgebung verlassen zu müssen.
  • Alle Profinet-Feldgeräte ermitteln ihre Nachbarn. Somit können Feldgeräte ohne zusätzliche Hilfsmittel und Vorkenntnisse im Fehlerfall getauscht werden. Durch Auslesen dieser Informationen kann die Anlagen-Topologie zur besseren Übersichtlichkeit grafisch dargestellt werden.
  • Individuell eingestellte Daten können herstellerübergreifend geladen (bspw. über TCI) und in einem Parameter-Server automatisch archiviert werden. Das Nachladen erfolgt beim Gerätetausch ebenfalls automatisch.
  • Das bei Profinet definierte Redundanzkonzept erhöht die Anlagenverfügbarkeit.

Organisation

Profinet wird durch Profibus & Profinet International (PI) definiert, vom Interbus Club unterstützt und ist seit 2003 Teil der Normen IEC 61158 und IEC 61784.

Literatur

  • Manfred Popp: Industrielle Kommunikation mit PROFINET. PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (Best.-Nr. 4.181). 
  • Manfred Popp: Das PROFINET IO-Buch. Grundlagen und Tipps für Anwender. Heidelberg, Hüthig 2005, ISBN 3-7785-2966-8. 
  • Mark Metter, Raimond Pigan: PROFINET - Industrielle Kommunikation auf Basis von Industrial Ethernet Grundlagen. 2. Auflage. Publicis Corp. Publ., Erlangen 2007, ISBN 3-89578-293-9. 

Siehe auch

Weblinks


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