Введение

Протокол компьютерной сети

Profinet (обычно стилизованный как PROFINET, как портманто из Process Field Network) — это отраслевой технический стандарт для передачи данных по Industrial Ethernet, разработанный для сбора данных и управления оборудованием в промышленных системах, особенно эффективно работающий в условиях жестких временных ограничений. Стандарт поддерживается и развивается организацией Profibus и Profinet International, головной офис которой находится в Карлсруэ, Германия.

Обзор

Profinet обеспечивает подключение к периферийным устройствам.

Типы устройств

Система Profinet состоит из следующих устройств: или PRONETA.

Надежность

Profinet также все чаще используется в критически важных приложениях. Всегда существует риск невыполнения требуемых функций. Этот риск можно снизить, принимая конкретные меры, определенные в ходе анализа надежности. Основное внимание уделяется следующим задачам:
Безопасность: Обеспечение функциональной безопасности. В случае возникновения неисправности система должна переходить в безопасное состояние. Доступность: Повышение доступности. Даже при возникновении неисправности система должна сохранять способность выполнять минимально необходимые функции. Защита информации: Обеспечение целостности системы. Эти цели могут как противоречить, так и дополнять друг друга.

Увеличение доступности

Высокая доступность – одно из важнейших требований в промышленной автоматизации, как на производстве, так и в технологических процессах. Доступность системы автоматизации можно повысить, добавив резервирование для критически важных компонентов. Различают системное и канальное резервирование.

Избыточность системы

Система избыточности также может быть реализована с использованием Profinet для повышения доступности. В этом случае конфигурируются два контроллера ввода/вывода, управляющих одним и тем же устройством ввода/вывода. Активный контроллер ввода/вывода помечает свои выходные данные как приоритетные. Выходные данные, не имеющие такой пометки, игнорируются устройством ввода/вывода в избыточной системе ввода/вывода. В случае возникновения ошибки, второй контроллер ввода/вывода может взять под контроль все устройства ввода/вывода без прерывания, пометив свои выходные данные как приоритетные. Способ синхронизации задач между двумя контроллерами ввода/вывода не определен стандартом Profinet и реализуется по-разному различными производителями, предлагающими избыточные системы управления.

Сверхнормативные средства

Profinet предлагает два решения для обеспечения избыточности среды передачи данных. Протокол избыточности среды передачи данных (MRP) позволяет создавать кольцевую топологию, независимую от протокола, с временем переключения менее 50 мс. Этого часто достаточно для стандартной связи в реальном времени с Profinet. Для мгновенного переключения на резервный канал в случае ошибки необходимо использовать "избыточность среды передачи данных для запланированного дублирования" (MRPD) как концепцию бесшовной избыточности среды передачи данных. В MRPD циклические данные реального времени передаются в обоих направлениях по кольцевой топологии. Временная метка в пакете данных позволяет приемнику отбрасывать избыточные дубликаты.

Безопасность

Концепция ИТ-безопасности для Profinet основана на принципе многоуровневой защиты. В рамках этого подхода производственное предприятие защищено от атак, особенно внешних, многоуровневым периметром, включающим межсетевые экраны. Дополнительная защита внутри предприятия обеспечивается путем разделения его на зоны с использованием межсетевых экранов. Кроме того, тестирование компонентов безопасности гарантирует устойчивость компонентов Profinet к перегрузкам в определенных пределах. Эта концепция поддерживается организационными мерами на производстве в рамках системы управления информационной безопасностью в соответствии с ISO 27001.

Диски

PROFIdrive – это модульный профиль устройства для приводов. Он был разработан совместно производителями и пользователями в 1990-х годах и с тех пор, в сочетании с Profibus и, начиная с версии 4.0, также с Profinet, обеспечивает поддержку всего диапазона – от самых простых до самых сложных решений в области приводов.

Энергия

Другой профиль – PROFIenergy, который включает в себя услуги по мониторингу потребления энергии в режиме реального времени. Этот запрос поступил в 2009 году от группы немецких автопроизводителей AIDA (Audi, BMW, Mercedes Benz, Porsche и Volkswagen), которые стремились к стандартизированному способу активного управления энергопотреблением на своих предприятиях. Данный профиль ориентирован на энергоемкое оборудование и подсистемы, такие как роботы, лазеры и даже покрасочные линии, что позволит снизить энергетические затраты предприятия за счет интеллектуального перевода устройств в режим "сна" с учетом перерывов в производстве, как запланированных (например, выходные и остановки), так и незапланированных (например, поломки).

Автоматизация процессов

Современные полевые устройства обладают встроенным интеллектом и могут выполнять часть обработки информации или всю функциональность в системах автоматизации. Для интеграции в сеть Profinet, помимо повышенной надежности, требуется двухпроводной Ethernet.

Усовершенствованный физический слой

Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL) описывает физический уровень для технологии связи Ethernet, специально разработанный для нужд производственных отраслей. Разработка Ethernet APL была обусловлена необходимостью высокоскоростной связи на больших расстояниях, питанием и передачей сигналов связи по общему однопарному, витому кабелю (2 провода), а также мерами защиты для безопасного использования во взрывоопасных зонах. Ethernet APL открывает возможность интеграции Profinet в полевые устройства.

История

На общем собрании организации пользователей Profibus в 2000 году состоялись первые конкретные обсуждения преемника Profibus на основе Ethernet. Всего через год первая спецификация Component Based Automation (CBA) была опубликована и представлена на Ганноверской ярмарке. В 2002 году Profinet CBA стал частью международного стандарта IEC 61158 / IEC 61784 1. Система Profinet CBA состоит из различных компонентов автоматизации. Один компонент охватывает все механические, электрические и информационные технологические переменные. Компонент мог быть создан с использованием обычных инструментов программирования. Для описания компонента создается файл описания компонента Profinet (PCD) в формате XML. Инструмент планирования загружает эти описания и позволяет создавать логические связи между отдельными компонентами для реализации технологического процесса. Основная идея Profinet CBA заключалась в том, что во многих случаях можно разделить всю систему автоматизации на автономно работающие и, следовательно, управляемые подсистемы. Структура и функциональность могут встречаться в нескольких установках в идентичной или незначительно модифицированной форме. Такие так называемые компоненты Profinet обычно управляются управляемым количеством входных сигналов. Внутри компонента управляющая программа, написанная пользователем, выполняет требуемую функциональность и отправляет соответствующие выходные сигналы другому контроллеру. Коммуникация в системе, основанной на компонентах, планируется, а не программируется. Коммуникация с Profinet CBA была пригодна для времени цикла шины около 50–100 мс. Отдельные системы демонстрируют, как эти концепции могут быть успешно реализованы на практике. Однако Profinet CBA не получил ожидаемого признания на рынке и был исключен из стандарта IEC 61784 1, начиная с 4-го издания 2014 года. В 2003 году была опубликована первая спецификация Profinet IO (IO = Input Output). Прикладной интерфейс Profibus DP (DP = Decentralized Periphery), успешно применявшийся на рынке, был принят и дополнен современными протоколами из Интернета. В следующем году последовало расширение с использованием изохронной передачи, что сделало Profinet IO подходящим для приложений управления движением. Profisafe был адаптирован для использования и через Profinet. С четкой поддержкой Profinet со стороны AIDA в 2004 году, признание на рынке было достигнуто. В 2006 году Profinet IO стал частью международного стандарта IEC 61158 / IEC 61784 2. В 2007 году, по нейтральным оценкам, было установлено уже 1 миллион устройств Profinet, а в следующем году это число удвоилось до 2 миллионов. К 2019 году было продано в общей сложности 26 миллионов устройств от различных производителей. В 2019 году спецификация Profinet была дополнена технологией Time Sensitive Networking (TSN), что привело к введению класса соответствия CC D.