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Profinet IO – Grundlagen

Der Anschluss der Profinet-IO-Feldgeräte erfolgt ausschließlich über Switches als Netzwerkkomponenten. Ein Profinet-IO-Netzwerk kann in Stern-, Baum-, Linien- oder Ringtopologie aufgebaut werden. Profinet IO basiert auf der Fast-Ethernet-Standardübertragung mit 100 Mbit/s. Als Übertragungsmedien sind Kupferleitungen oder Lichtwellenleiter zugelassen. Die Festlegungen für Funkübertragung für Profinet IO sind zurzeit in der Spezifikationsphase. Profinet IO bietet Protokolldefinitionen für folgende Aufgabenbereiche:

  • Adressauflösung bei Feldgeräten
  • Zyklische Übertragung von I/O-Daten
  • Azyklische Übertragung von Alarmen
  • Azyklische Übertragung von Bedarfsdaten (Parameter, Diagnosen, Geräteidentifikation, ...)
  • Taktsynchronisation
  • Redundanz des Übertragungsweges
  • komfortable Anlagendiagnose
  • Gerätetausch ohne zusätzliche Tools

Externe und interne Switches

Profinet-IO-Standardfeldgeräte haben einen 100 Mbit/s Fast-Ethernet-Anschluss. Diese Geräte werden über externe Switches in das Profinet-IO-Netzwerk eingebunden. Einige Profinet-IO-Geräte verfügen über integrierte Switches und ermöglichen so die Installation des Profinet-IO-Netzwerkes in Linienstruktur, ohne dass dafür externe Switches benötigt werden.

Ein Profinet-IO-Feldgerät wird innerhalb eines Netzwerks durch seine physikalische Geräte-MAC-Adresse adressiert. Weiterhin ist jeder Switchport in einem Feldgerät über eine separate Port-MAC-Adresse identifiziert. Bei einem 2-Port-Feldgerät sind demnach 3 MAC-Adressen im Auslieferzustand enthalten. Profinet sieht durch den Anschluss der Feldgeräte über Switches immer nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (wie bei Ethernet), d.h. wird bei einer Linie die Verbindung zwischen zwei Feldgeräten unterbrochen, sind die dahinter liegenden Feldgeräte nicht mehr erreichbar. Deshalb ist es wichtig, bereits bei der Anlagenplanung redundante Kommunikationswege vorzusehen und Feldgeräte/Switches einzusetzen, die das Redundanzkonzept von Profinet unterstützen. Dadurch erreicht man eine hohe Verfügbarkeit der Teilnehmer in einer Automatisierungsanlage.

Profinet IO - Geräteklassen

Profinet IO folgt beim Datenaustausch dem Provider-Consumer-Modell. Der Provider (gewöhnlich das prozessnahe Feldgerät) stellt die Prozessdaten einem Consumer (normalerweise eine SPS mit einem Verarbeitungsprogramm) zur Verfügung. Prinzipiell können in einem Profinet-IO-Gerät beliebige Funktionsanordnungen (Provider/Consumer) enthalten sein. Zur besseren Strukturierung von Profinet-IO-Feldgeräten sind folgende Geräteklassen definiert:

Schaubild Geräteklassen

  • IO-Controller:
    Dies ist typischerweise die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), in der das Automatisierungsprogramm abläuft. (Verglichen mit Profibus wäre das die Funktionalität eines Klasse-1-Masters.)
  • IO-Supervisor (z.B. eine Engineering Station):
    Dies ist typischerweise ein Programmiergerät (PG), Personal Computer (PC) oder Human-Machine-Interface-Gerät (HMI) für die Inbetriebsetzung oder Diagnose.
  • IO-Device:
    Ein IO-Device ist ein dezentral angeordnetes IO-Gerät, das über Profinet IO angekoppelt wird. (Verglichen mit Profibus entspricht das der Funktion eines Slaves.)

In einem Profinet-Netzwerk gibt es mindestens einen IO-Controller und ein oder mehrere IO-Devices. Ein IO-Device kann mit mehreren IO-Controllern Daten austauschen. IO-Supervisor sind für Inbetriebnahmezwecke meist nur temporär vorhanden.

Zyklischer Datenverkehr

Die zyklischen I/O-Daten werden in einem parametrierbaren Raster zwischen dem IO-Controller (Master) und den IO-Devices (Slaves) als Real-Time-Daten unquittiert übertragen. Sie sind in einzelne I/O-Elemente (Subslots) gegliedert. Neben den reinen I/O-Daten werden zusätzliche Statusinformationen übertragen. Damit kann der IO-Controller die Gültigkeit der I/O-Daten allein aus dem zyklischen Datenaustausch beurteilen. Das Ausbleiben der zyklischen Daten wird vom IO-Controller überwacht. Bleibt der Empfang der projektierten Daten innerhalb der Überwachungszeit aus, wird im I/O-Controller eine Fehlermeldung erzeugt.

Azyklischer Datenverkehr

Mit dem azyklischen Datenaustausch können IO-Devices (Slaves) parametriert, konfiguriert oder Statusinformationen ausgelesen werden. Dies wird mit den Read-/Write-Frames über die IT-Standarddienste mittels UDP/IP bewerkstelligt.

Neben den für den Gerätehersteller frei nutzbaren Datensätzen sind auch nachfolgende Systemdatensätze speziell definiert:

  • Diagnoseinformationen kann der Anwender von jedem Gerät zu jedem Zeitpunkt auslesen.
  • Logbucheinträge (Alarme und Fehlermeldungen), mit denen detaillierte zeitliche Aussagen zu den Ereignissen innerhalb eines IO-Gerätes möglich sind (16 Einträge sind mindestens vorgeschrieben).
  • Identifikationsinformationen
  • Auskunftsfunktionen über reale und logische Modulstrukturierung
  • Rücklesen der I/O-Daten

Die Unterscheidung, welcher Dienst mit den Read-/Write-Services ausgeführt werden soll, erfolgt anhand eines Indexes.

Datenquerverkehr (MCR)

Die zyklische Datenübertragung an mehrere Teilnehmer erfordert einen hohen Anteil an Prozessorleistung beim Provider. Ein weiterer Nachteil ist die damit verbundene hohe Netzwerklast, die ebenfalls die Performance beeinflusst. Um diese Last deutlich zu minimieren, wurde der direkte Datenverkehr von einem Provider an mehrere/alle Teilnehmer als Datenquerverkehr definiert. Der Datenquerverkehr wird bei Profinet IO korrekterweise als Multicast Communication Relation (MCR) bezeichnet.

Ereignisgesteuerter Datenverkehr

Die Übertragung von Ereignissen (Events) ist bei Profinet IO innerhalb des Alarmkonzepts modelliert. Es deckt sowohl systemdefinierte Ereignisse (wie Ziehen und Stecken von Baugruppen) ab als auch anwenderdefinierte Ereignisse, die in der eingesetzten Steuerungstechnik erkannt wurden (z.B. Lastspannung defekt) bzw. schon im zu steuernden Prozess auftreten (z.B. Temperatur zu hoch). Beim Auftreten eines Ereignisses muss für die Datenübertragung ausreichend Kommunikationsspeicher bereit stehen, damit ein Datenverlust ausgeschlossen werden kann und die Alarmmeldung vom IO-Device schnell transportiert werden kann. Dies ist Sache der Anwendung in der Datenquelle. Alarme gehören zu den azyklischen RT-Daten. Prinzipiell ist jedes schwerwiegende Ereignis als Alarm zu melden. Jeder Alarm veranlasst einen Eintrag in den Diagnosepuffer.