Kattava analyysi PROFINET-protokollaarkkitehtuurista, toimintaperiaatteesta, eduista ja haitoista

PROFINET on teollisuuden automaatiojärjestelmien käyttämä viestintäprotokolla. Se on Ethernet-pohjainen protokolla, joka mahdollistaa viestinnän teollisuuden ohjausjärjestelmien ja laitteiden, kuten antureiden, toimilaitteiden ja muiden ohjaimien välillä. PROFIBUS Internationalin kehittämä PROFINET on laajalti käytetty protokolla valmistuksessa ja teollisuusautomaatiossa. Tällä hetkellä PROFINETistä on tullut yksi teollisuusautomaation alan yleisimmistä viestintäprotokollista, ja sitä on käytetty laajasti erilaisissa teollisuusautomaatiolaitteissa ja -järjestelmissä. Tilastojen mukaan vuodesta 2019 lähtien ympäri maailmaa on käytössä yli 250 000 PROFINET IO -solmua ja yli 5 miljoonaa PROFINET IO -laitetta. PROFINETia käytetään myös yhä laajemmin eri teollisuudenaloilla, kuten teollisuudessa, autoteollisuudessa, elintarvike- ja juomateollisuudessa, energia- ja vedenkäsittelyteollisuudessa jne.

PROFINETin arkkitehtuuri

PROFINET käyttää kerrosta arkkitehtuuria, mukaan lukien fyysinen kerros, tietoyhteyskerros, verkkokerros ja sovelluskerros. PROFINETin fyysinen kerros käyttää tavallisia Ethernet-kaapeleita ja -liittimiä useiden siirtonopeuksien ja etäisyyksien tukemiseen. PROFINETin tietoyhteyskerros ottaa käyttöön PROFINET IO -protokollan, joka tukee reaaliaikaista tiedonsiirtoa ja verkonhallintaa. PROFINETin verkkokerros ottaa käyttöön TCP/IP-protokollan ja tukee erilaisia verkkotopologioita ja reititysstrategioita. PROFINETin sovelluskerros ottaa käyttöön PROFINET-protokollan tukemaan viestintää ja yhteistyötä eri laitteiden ja ohjaimien välillä.

Kuinka PROFINET toimii

Laiteliitäntä ja automaattinen tunnistus: PROFINET-verkon laitteet on kytketty Ethernet-fyysisen kerroksen kautta ja tukevat automaattista tunnistamista ja automaattisia konfigurointitoimintoja. Kun laite liittyy PROFINET-verkkoon, PROFINET-ohjain voi automaattisesti tunnistaa uuden laitteen tyypin, osoitteen, attribuutit ja muut tiedot ja määrittää sille automaattisesti IP-osoitteen, MAC-osoitteen, verkkoparametrit jne.

Tiedonsiirtoprotokolla ja tiedonsiirto: PROFINET-tiedonsiirtoprotokolla perustuu Ethernet-Tekniikkaan, ottaa käyttöön TCP/IP-protokollapinon ja optimoi ja laajenee tältä pohjalta. PROFINET-tiedonsiirtoprotokolla tukee erilaisten tietotyyppien, kuten ei-reaaliaikaisen datan, reaaliaikaisen tiedon, ohjaustietojen ja vikadiagnoositietojen, siirtoa. PROFINET-verkossa tiedonsiirto voidaan toteuttaa kolmella tavalla: IO-tietoliikenne, TCP/IP-tietoliikenne ja reaaliaikainen tiedonsiirto.

Reaaliaikainen viestintämekanismi: PROFINET ottaa käyttöön reaaliaikaisen viestintämekanismin, joka voi toteuttaa nopean, luotettavan ja tarkan reaaliaikaisen tiedonsiirron. PROFINET tukee kahta reaaliaikaista viestintämekanismia, PROFINET RT:tä ja PROFINET IRT:tä. PROFINET RT soveltuu alhaisen latenssin ja nopeaan reaaliaikaiseen tiedonsiirtoon, kuten liikkeenohjaussovelluksiin; PROFINET IRT soveltuu erittäin tarkkoihin ohjaus- ja valvontasovelluksiin, kuten lämpötilan säätöön, virtauksen säätöön jne. Reaaliaikainen viestintämekanismi voidaan toteuttaa PROFINET IO -laitteiden ja PROFINET I/O -ohjainten välisellä säännöllisellä kommunikaatiolla.

Verkkotopologia ja redundanssimekanismi: PROFINET-verkko tukee useita topologioita, kuten tähti, väylä, rengas, puu jne. Eri topologiat voivat täyttää erilaiset sovellusvaatimukset ja verkon suorituskykyvaatimukset. Samaan aikaan PROFINET tukee myös redundanssimekanismeja, jotka voivat parantaa verkon luotettavuutta ja vakautta, kuten laiteredundanssia, polun redundanssia ja porttiredundanssia.

Teollisuusautomaation viestintäprotokollana PROFINETillä on seuraavat edut ja haitat:

etu:

Tehokkuus: PROFINET perustuu Ethernet-tekniikkaan, ja sitä on optimoitu ja laajennettu tältä pohjalta, joten sillä on korkea hyötysuhde. Se tukee nopeaa, luotettavaa ja tarkkaa reaaliaikaista tiedonsiirtoa ja verkkoviestintää ja pystyy täyttämään reaaliaikaisen ja ei-reaaliaikaisen viestinnän vaatimukset teollisuusautomaation alalla.

Joustavuus: PROFINET tukee useita verkkotopologioita, mukaan lukien tähti, väylä, rengas, puu jne., jotka voidaan valita joustavasti erilaisten sovellusvaatimusten ja verkon suorituskykyvaatimusten mukaan. Samanaikaisesti PROFINET tukee myös useita redundanssimekanismeja, kuten laitteen redundanssia, polun redundanssia, portin redundanssia jne., parantaakseen verkon luotettavuutta ja vakautta.

Skaalautuvuus: PROFINET on skaalautuva viestintäprotokolla, joka voi tukea monia erilaisia laitteita ja sovelluksia, kuten antureita, toimilaitteita, robotteja, automaatiojärjestelmiä jne. Samalla se voi myös tukea useita erilaisia tietotyyppejä ja protokollia, mukaan lukien ei- -reaaliaikainen data, reaaliaikainentiedot, ohjaustiedot ja vikadiagnoositiedot.

Helppo integroida: PROFINET-verkon laitteet voidaan integroida ja konfiguroida nopeasti automaattisen tunnistamisen ja automaattisten konfigurointitoimintojen avulla, mikä vähentää laitteiden asennuksen ja virheenkorjauksen vaikeutta sekä parantaa tuotannon tehokkuutta ja työn tehokkuutta.

puute:

Monimutkaisuus: Kehittyneenä viestintäprotokollana PROFINETillä on korkeammat oppimis- ja käyttöönottokustannukset kuin muilla yksinkertaisilla protokollilla. Lisäksi PROFINET-verkkojen konfigurointi ja ylläpito vaativat myös korkeaa taitoa ja kokemusta, ja ammattitaitoisia insinöörejä ja teknikoita vaaditaan tukemaan ja hallintaan.

Kustannukset: PROFINET-verkko vaatii korkeita laitteisto- ja ohjelmistokustannuksia, mukaan lukien PROFINET-ohjaimet, PROFINET IO -laitteet, verkkokytkimet jne. Samanaikaisesti PROFINET-laitteet ja -sovellukset on myös autentikoitava ja valtuutettava ja niistä on maksettava vastaavat maksut.

Turvallisuus: PROFINET-verkkoviestinnän turvallisuus vaatii erityisiä määrityksiä ja hallintaa, mukaan lukien palomuuri, tietojen salaus, todennus jne. Jos turvatoimia ei ole otettu käyttöön, PROFINET-verkot voivat kohdata tietoturvauhkia ja -hyökkäyksiä.

Yhteenvetona voidaan todeta, että PROFINET-protokollan edut ovat korkea suorituskyky, korkea luotettavuus, yhteentoimivuus ja visualisointi, mutta sillä on myös haittoja, kuten konfiguroinnin ja ylläpidon monimutkaisuus, erikoislaitteiden tarve, tietoturvaongelmat ja käyttöönoton rajoitukset. PROFINET-protokollaa käytettäessä on tarpeen pohtia kokonaisvaltaisesti sen edut ja haitat sekä valita sopiva sovellusskenaario ja todelliset tarpeet.

Tulevaisuudessa PROFINETin kehityssuunta sisältää pääasiassa seuraavat näkökohdat:

Mukaudu Teollisuus 4.0:n tarpeisiin: Teollisuus 4.0:n nopean kehityksen myötä PROFINET kiinnittää yhä enemmän huomiota laitteiden yhteenliittämiseen ja tiedon jakamiseen sekä kiinnittää entistä enemmän huomiota yhteentoimivuuteen ja monipuolisuuteen tarjoten joustavampia, tehokkaampia ja älykäs ratkaisu.

Turvallisuuden vahvistaminen: Teollisuuden automaation jatkuvan kehityksen myötä verkkoturvallisuusuhat ja -hyökkäykset yleistyvät. PROFINET kiinnittää entistä enemmän huomiota verkkoviestinnän turvallisuuteen ja tarjoaa kattavampia turvatoimia.

Reaaliaikaisen suorituskyvyn ja suorituskyvyn parantaminen: PROFINET jatkaa reaaliaikaisen suorituskyvyn ja suorituskyvyn parantamista tarjoamalla suuremmat tiedonsiirtonopeudet ja pienemmän latenssin täyttääkseen teollisuuden automaatiolaitteiden ja -järjestelmien reaaliaikaiset ja suorituskykyvaatimukset.

Vahvista älykkyyttä ja visualisointia: PROFINET parantaa entisestään äly- ja visualisointitoimintoja, tarjoaa kattavampia valvonta-, diagnoosi- ja ennustustoimintoja sekä toteuttaa älykkään laitteiden ja järjestelmien hallinnan ja ylläpidon.

Laajenna sovellusaluetta: PROFINET laajentaa sovellusaluetta entisestään kattamaan enemmän toimialoja ja aloja, kuten lääketieteen, ilmailun, robotiikan jne.

Lyhyesti sanottuna edistyneenä teollisuusautomaation viestintäprotokollana PROFINET tulee olemaan tärkeä rooli myös tulevaisuudessa ja edistää jatkuvaa innovaatiota ja kehitystä teollisuusautomaation alalla.