De definitieve gids voor PROFINET met IIoT

Hoewel 4–20 mA en HART nog steeds veel worden gebruikt, zijn digitale netwerken sterk in opkomst in de industriële omgeving, omdat ze beter passen bij digitaliseringsinitiatieven. Discussies over de doorgaande relevantie van analoge systemen zijn normaal, omdat deze systemen degelijk en eenvoudig zijn, waardoor veldoperaties makkelijker zijn. De vraag blijft echter: hoe bereiken we transparante connectiviteit tussen het veld en besturingssystemen?

Moderne controllers en instrumenten genereren aanzienlijke hoeveelheden gegevens, waarvoor geavanceerde communicatieprotocollen als Modbus RS485, OPC en PROFIBUS DP nodig zijn. Bovendien bieden technologieën als FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA en PROFINET nog meer integratiemogelijkheden. Deze industriële netwerken verbinden procesinstrumenten met controllers, waardoor diagnose, configuratie en geavanceerde functionaliteit die veel verder gaat dan pure analoge techniek mogelijk is.

Ondanks deze ontwikkelingen blijft 4–20 mA het belangrijkste in het veld, wat voor een groot deel toe te schrijven is aan het gat tussen verkoperconcepten en de praktijkrealiteit alsmede de complexiteit van digitale netwerken die de terugdringing van de analoge techniek vertraagt. De stijgende populariteit van IIoT en AI versnelt de digitalisering echter, waardoor op ethernet gebaseerde protocollen en draadloze communicatie steeds vaker in nieuwe projecten worden toegepast. De trend is duidelijk: er komen meer digitale oplossingen, en we moeten zijn voorbereid om ze toe te passen.

Bij het installeren van een router of een instrument dat is verbonden met het internet bent u waarschijnlijk wel een ethernet-kabel tegengekomen. Veel mensen denken dat “ethernet” alleen betrekking heeft op de kabel zelf; maar in werkelijkheid vertegenwoordigt de kabel slechts de fysieke laag van een ethernet-netwerk.

Ethernet ondersteunt meerdere communicatieprotocollen via deze kabels. Bekende voorbeelden zijn onder andere Internet Protocol (IP) en Transmission Control Protocol (TCP), die veel worden gebruikt in dagelijkse toepassingen. Industriële omgevingen vereisen echter aanvullende protocollen om aan de complexere behoeften te kunnen voldoen.

Op de werkvloer van een installatie moeten controllers toegang hebben tot gegevens van drives, I/O en workstations met korte responstijden, terwijl het netwerk bestand moet zijn tegen extreme omstandigheden als slijtage, vocht en temperatuurschommelingen. Om te voldoen aan deze behoeften, hebben automatiseringsexperts industrieel ethernet ontwikkeld, en vanuit deze basis ontstond PROFINET als een degelijk op ethernet gebaseerd protocol voor industriële toepassingen.

PROFINET is een op ethernet gebaseerd industrieel communicatieprotocol dat procesinstrumenten - zoals sensoren en actuators - verbindt met besturingssystemen. Het werd ontwikkeld door de PROFIBUS en PROFINET International (PI) organisatie in samenwerking met meerdere industriële partners.

Het protocol voldoet aan de IEEE 802 Ethernet-norm en wordt gedefinieerd in IEC 61158 en IEC 61784 en maakt een vloeiende integratie van diverse instrumenten op hetzelfde netwerk mogelijk. Bijvoorbeeld een printer en een flowmeter kunnen binnen één en dezelfde infrastructuur bestaan. Anders dan standaard-thuisnetwerken biedt PROFINET extreem korte cyclustijden, vaak in het sub-milliseconden-bereik, waardoor het geschikt is voor industriële automatisering.

Om de structuur te begrijpen, verwijzen we naar het ISO/OSI-model, dat zeven lagen voor netwerkcommunicatie definieert. Ethernet maakt standaard gebruik van vier lagen:

• Ethernet voor fysieke- en gegevensverbinding
• IP voor netwerk
• TCP of UDP voor transport
• Overigeprotocollen voor specifieke functies

PROFINET volgt doorgaans dit model, maar kan in sommige toepassingen bepaalde lagen overslaan. Bijvoorbeeld Real-Time (RT) PROFINET slaat de netwerk- en transportlagen over, om de communicatie te versnellen.

• TCP/IP voor configuratie, instellingen en cyclische lees/schrijf-bewerkingen
• Real-Time (RT) voor automatiseringstaken met cyclustijden tussen 1 en 10 milliseconden
• Isochronous Real-Time (IRT) voor uiterst nauwkeurige, gesynchroniseerde communicatie met gepland schakelen

De gelaagde methode waarborgt flexibiliteit, snelheid en betrouwbaarheid, wat PROFINET een hoeksteen voor moderne industriële automatisering en IIoT-integratie maakt.

PROFINET werkt op een provider-consument-model voor gegevensuitwisseling en vervangt de traditionele master-slave-methode die door PROFIBUS wordt gebruikt. Instrumenten binnen een PROFINET-systeem zijn standaard in drie categorieën georganiseerd:

• Controller: Meestal een programmeerbare logische controller (PLC) of distributed control system (DCS) dat het automatiseringsprogramma uitvoert. De controller verstuurt outputs naar I/O-instrumenten en ontvangt inputs hiervan, vergelijkbaar met een klasse 1-master in PROFIBUS.
• Instrumenten: Veldcomponenten zoals sensoren en actuators die communiceren met de controller via ethernet-verbindingen, vergelijkbaar met de werking van slaves in PROFIBUS.
• Supervisor: Systemen zoals PC's, HMI's of diagnosetools die worden gebruikt voor bewaking, inbedrijfstelling en troubleshooting, vergelijkbaar met PROFIBUS klasse 2-masters.

Een PROFINET I/O-systeem vereist ten minste één controller en één instrument, maar configuraties kunnen nogal variëren: meerdere controllers voor één enkel instrument, één controller voor meerdere instrumenten of zelfs meerdere controllers die meerdere instrumenten besturen. Supervisors worden standaard tijdelijk gebruikt tijdens de inbedrijfstelling of diagnose.

Behalve deze kernelementen omvat een PROFINET-netwerk componenten als schakelaars en draadloze toegangspunten. Sommige van deze componenten kunnen ook fungeren als I/O-instrumenten, waardoor de diagnosemogelijkheden worden uitgebreid.

Voor het configureren van een PROFINET I/O-instrument zijn twee elementen essentieel: een toezichtshulpmiddel en een General Station Description (GSD)-bestand. Het GSD-bestand, verstrekt door de instrumentverkoper, is vergelijkbaar met de bestanden die in PROFIBUS worden gebruikt, maar dit volgt een XML-based format dat bekend staat als GSDML.

Als de configuratie compleet is, wordt het GSDML-bestand gedownload naar de controller, waardoor communicatie met de aangesloten instrumenten tot stand komt. Vanuit dit punt stromen cyclische gegevens - zoals inputs en outputs - continu tussen de controller en de instrumenten, terwijl acyclische gegevens, waaronder diagnose-informatie, naar behoefte worden verzonden.

De keuze tussen PROFIBUS en PROFINET is afhankelijk van de specifieke eisen van uw toepassing. PROFIBUS is een beproefd digitaal protocol gebaseerd op seriële communicatie, terwijl PROFINET een modern protocol is dat gebruikmaakt van industrieel ethernet. PROFINET biedt een aanzienlijk grotere bandbreedte en snellere communicatiecycli, waardoor de overdracht van grotere gegevenspakketten mogelijk is.

Hier vindt u een overzicht van de verschillen tussen PROFIBUS en PROFINET:

Een ander voordeel van PROFINET is de geschiktheid voor draadloze technologieën. Als een op ethernet gebaseerde standaard kan het worden geïntegreerd met wifi of bluetooth waar nodig voor flexibiliteit voor mobiele connectiviteit en connectiviteit op afstand.

Connectiviteit en openheid zijn fundamenteell voor het realiseren van efficiënte IIoT-systemen. Het verzamelen van nauwkeurige procesgegevens is essentieel voor het genereren van toepasbare inzichten; PROFINET levert een betrouwbare en transparante verbinding tussen procesinstrumenten en IIoT-ecosystemen zoals Endress+Hauser's Netilion.

Een van de sterke punten van PROFINET is de mogelijkheid om naast andere protocollen te werken, waardoor operators de transitie in het digitale tijdperk kunnen uitvoeren zonder de bekende infrastructuur op te geven. Bovendien kunnen gegevens worden geëxporteerd van het veld naar systemen van een hoger niveau met behulp van open standaarden als OPC UA, dat naast PROFINET werkt voor een naadloze integratie met cloud-databases.

PROFINET is al een belangrijke factor voor IIoT en het belang zal alleen maar groter worden.