Ghidul definitiv pentru PROFINET cu IIoT

Deşi reţelele de 4–20 mA şi HART rămân utilizate pe scară largă, reţelele digitale câştigă din ce în ce mai mult teren în mediul industrial, deoarece se aliniază mai bine cu iniţiativele de digitalizare. Discuţiile despre relevanţa continuă a sistemelor analogice sunt frecvente, deoarece acestea sunt robuste şi simple, facilitând operaţiunile pe teren. Totuşi, o întrebare rămâne: cum putem obţine o conectivitate transparentă între sistemele de teren şi cele de control?

Controlerele şi echipamentele moderne generează cantităţi semnificative de date, ceea ce necesită protocoale de comunicaţie avansate, cum ar fi Modbus RS485, OPC şi PROFIBUS DP. În plus, tehnologii precum FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA şi PROFINET asigură capacităţi de integrare şi mai mari. Aceste reţele industriale conectează dispozitivele de teren cu controlerele, permiţând diagnosticarea, configurarea şi funcţionalităţi mult mai avansate decât cele oferite de sistemul analogic.

În ciuda acestor progrese, 4–20 mA continuă să domine în domeniu, în mare parte din cauza decalajului dintre conceptele furnizorilor şi realităţile utilizatorilor, precum şi a complexităţii reţelelor digitale care întârzie retragerea reţelelor analogice. Cu toate acestea, ascensiunea IIoT şi a inteligenţei artificiale accelerează digitalizarea, ceea ce face ca protocoalele bazate pe Ethernet şi comunicaţia wireless să devină tot mai des întâlnite în proiectele noi. Tendinţa este clară: apar tot mai multe soluţii digitale şi trebuie să fim pregătiţi să le adoptăm.

La instalarea unui router sau oricărui alt dispozitiv conectat la internet, cel mai probabil întâlniţi un cablu Ethernet. Mulţi presupun că „Ethernet” se referă doar la cablul în sine; în realitate, cablul reprezintă doar stratul fizic al unei reţele Ethernet.

Ethernet acceptă mai multe protocoale de comunicaţie prin aceste cabluri. Exemplele obişnuite includ Protocolul de Internet (IP) şi Protocolul de control al transmisiei (TCP), care sunt utilizate pe scară largă în aplicaţiile de zi cu zi. Cu toate acestea, mediile industriale necesită protocoale suplimentare pentru a satisface cerinţele mai complexe.

În cadrul unei instalaţii, controlerele trebuie să acceseze datele de la unităţi, I/O şi staţii de lucru cu timpi de răspuns rapizi, în timp ce reţeaua trebuie să reziste la condiţii dificile, cum ar fi abraziunea, umiditatea şi fluctuaţiile de temperatură. Pentru a satisface aceste cerinţe, experţii în automatizare au dezvoltat Ethernet-ul industrial, iar pornind de la această bază, PROFINET a apărut ca un protocol robust bazat pe Ethernet pentru aplicaţii industriale.

PROFINET este un protocol de comunicaţie industrială bazat pe Ethernet care conectează dispozitivele de proces, precum senzorii şi actuatoarele, la sistemele de control. A fost dezvoltat de organizaţia PROFIBUS şi PROFINET Internaţional (PI) în colaborare cu mai mulţi parteneri din industrie.

Protocolul respectă standardul Ethernet IEEE 802 şi este definit în IEC 61158 şi IEC 61784, permiţând integrarea fără probleme a diverselor dispozitive în aceeaşi reţea. De exemplu, o imprimantă şi un debitmetru pot coexista în cadrul unei singure infrastructuri. Spre deosebire de reţelele de domiciliu tipice, PROFINET asigură timpi de ciclu extrem de rapizi, adesea în intervalul sub-milisecundelor, fiind, astfel, ideal pentru automatizarea industrială.

Pentru a înţelege structura acestuia, ne referim la modelul ISO/OSI, care defineşte şapte niveluri pentru comunicaţiile în reţea. În mod obişnuit, Ethernet utilizează patru niveluri:

• Ethernet pentru legături fizice şi de date
• IP pentru reţea
• TCP sau UDP pentru transport
• Alte protocoale pentru funcţii specifice

În general, PROFINET urmează acest model, dar poate ocoli anumite niveluri în unele aplicaţii. De exemplu, PROFINET în timp real (RT) omite nivelurile de reţea şi transport pentru a accelera comunicaţia.

• TCP/IP pentru configurare, setări şi operaţiuni ciclice de citire/scriere
• Timp real (RT) pentru aplicaţiile de automatizare cu timpi de ciclu între 1 şi 10 milisecunde
• Timp real izocron (IRT) pentru comunicaţie sincronizată şi de înaltă precizie, utilizând comutarea programată

Această abordare stratificată asigură flexibilitate, viteză şi fiabilitate, făcând din PROFINET o piatră de temelie pentru automatizarea industrială modernă şi integrarea IIoT.

PROFINET funcţionează pe un model furnizor–consumator pentru schimbul de date, înlocuind abordarea tradiţională coordonator–subordonat utilizată de PROFIBUS. Dispozitivele dintr-un sistem PROFINET sunt de obicei organizate în trei categorii:

• Controler: De obicei, un controler logic programabil (PLC) sau un sistem de control distribuit (DCS) care execută programul de automatizare. Controlerul trimite ieşiri către dispozitivele I/O şi primeşte intrări de la acestea, similar unui dispozitiv coordonator de clasa 1 în PROFIBUS.
• Dispozitive: Componente de teren, cum ar fi senzorii şi actuatoarele, care comunică cu controlerul prin conexiuni Ethernet, funcţionând similar cu dispozitivele subordonate în PROFIBUS.
• Supervizor: Sisteme precum PC-uri, HMI-uri sau instrumente de diagnosticare utilizate pentru monitorizare, punerea în funcţiune şi depanare, comparabile cu dispozitivele coordonatoare PROFIBUS din clasa 2.

Un sistem PROFINET I/O necesită cel puţin un controler şi un dispozitiv, dar configuraţiile pot varia foarte mult: mai multe controlere pentru un singur dispozitiv, un controler pentru mai multe dispozitive sau chiar mai multe controlere care gestionează mai multe dispozitive. Supervizorii sunt de obicei utilizaţi temporar în timpul punerii în funcţiune sau al diagnosticării.

Pe lângă aceste elemente de bază, o reţea PROFINET include componente precum comutatoare şi puncte de acces wireless. Unele dintre aceste componente pot acţiona şi ca dispozitive I/O, oferind capacităţi de diagnosticare îmbunătăţite.

Pentru a configura un dispozitiv PROFINET I/O, sunt esenţiale două elemente: un instrument de supraveghere şi un fişier de descriere generală a staţiei (GSD). Fişierul GSD, furnizat de furnizorul dispozitivului, este similar cu cele utilizate în PROFIBUS, dar respectă un format bazat pe XML, cunoscut sub denumirea de GSDML.

După finalizarea configurării, fişierul GSDML este descărcat pe controler, stabilind comunicaţia cu dispozitivele conectate. Din acest punct, datele ciclice, cum ar fi intrările şi ieşirile, circulă continuu între controler şi dispozitive, în timp ce datele aciclice, inclusiv informaţiile de diagnosticare, sunt schimbate după cum este necesar.

Alegerea între PROFIBUS şi PROFINET depinde de cerinţele specifice ale aplicaţiei dumneavoastră. PROFIBUS este un protocol digital bine stabilit, bazat pe comunicaţie serială, în timp ce PROFINET este un protocol modern construit pe Ethernet industrial. PROFINET asigură o lăţime de bandă semnificativ mai mare şi cicluri de comunicaţie mai rapide, permiţând transferul de pachete de date mai mari.

Aici puteţi găsi o prezentare generală a diferenţelor dintre PROFIBUS şi PROFINET:

Un alt avantaj al PROFINET este compatibilitatea sa cu tehnologiile wireless. Fiind un standard bazat pe Ethernet, se poate integra cu Wi-Fi sau Bluetooth, dacă este cazul, oferind flexibilitate pentru conectivitate mobilă şi la distanţă.

Conectivitatea şi deschiderea sunt fundamentale pentru construirea unor sisteme IIoT eficiente. Colectarea unor date precise din teren este esenţială pentru generarea de informaţii utile, iar PROFINET asigură o legătură fiabilă şi transparentă între dispozitivele de teren şi ecosistemele IIoT, precum Netilion de la Endress+Hauser.

Unul dintre punctele forte ale PROFINET este capacitatea acestuia de a coexista cu alte protocoale, permiţând operatorilor să treacă la era digitală fără a abandona infrastructurile familiare. În plus, datele pot fi exportate din teren către sisteme de nivel superior folosind standarde deschise precum OPC UA, care funcţionează alături de PROFINET pentru a permite o integrare perfectă cu bazele de date din cloud.

PROFINET este deja un factor cheie al IIoT, iar rolul său va continua să crească.