Umfassende Analyse der PROFINET-Protokollarchitektur, Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile

PROFINET ist ein Kommunikationsprotokoll, das von industriellen Automatisierungssystemen verwendet wird. Es handelt sich um ein Ethernet-basiertes Protokoll, das die Kommunikation zwischen industriellen Steuerungssystemen und Geräten wie Sensoren, Aktoren und anderen Steuerungen ermöglicht. PROFINET wurde von PROFIBUS International entwickelt und ist ein weit verbreitetes Protokoll in der Fertigung und Industrieautomation. Derzeit ist PROFINET zu einem der wichtigsten Kommunikationsprotokolle im Bereich der industriellen Automatisierung geworden und wird in verschiedenen Geräten und Systemen der industriellen Automatisierung häufig verwendet. Laut Statistik sind im Jahr 2019 weltweit mehr als 250.000 PROFINET IO-Knoten und mehr als 5 Millionen PROFINET IO-Geräte im Einsatz. PROFINET wird auch immer häufiger in verschiedenen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der verarbeitenden Industrie, der Automobilindustrie, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Energie- und Wasseraufbereitungsindustrie usw.

Architektur von PROFINET

PROFINET verwendet eine mehrschichtige Architektur, einschließlich physikalischer Schicht, Datenverbindungsschicht, Netzwerkschicht und Anwendungsschicht. Die physikalische Schicht von PROFINET verwendet Standard-Ethernet-Kabel und -Anschlüsse, um mehrere Übertragungsraten und Entfernungen zu unterstützen. Die Datenverbindungsschicht von PROFINET übernimmt das PROFINET IO-Protokoll, das Echtzeit-Datenübertragung und Netzwerkverwaltung unterstützt. Die Netzwerkschicht von PROFINET übernimmt das TCP/IP-Protokoll und unterstützt verschiedene Netzwerktopologien und Routing-Strategien. Die Anwendungsschicht von PROFINET übernimmt das PROFINET-Protokoll, um die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Geräten und Steuerungen zu unterstützen.

So funktioniert PROFINET

Geräteverbindung und automatische Identifikation: Die Geräte im PROFINET-Netzwerk sind über die Ethernet-Physical-Layer verbunden und unterstützen automatische Identifikations- und automatische Konfigurationsfunktionen. Wenn ein Gerät dem PROFINET-Netzwerk beitritt, kann der PROFINET-Controller automatisch Typ, Adresse, Attribute und andere Informationen des neuen Geräts identifizieren und automatisch IP-Adresse, MAC-Adresse, Netzwerkparameter usw. dafür konfigurieren.

Kommunikationsprotokoll und Datenübertragung: Das PROFINET-Kommunikationsprotokoll basiert auf der Ethernet-Technologie, übernimmt den TCP/IP-Protokollstapel und optimiert und erweitert ihn auf dieser Basis. Das PROFINET-Kommunikationsprotokoll unterstützt die Übertragung verschiedener Datentypen, wie z. B. Nicht-Echtzeitdaten, Echtzeitdaten, Steuerdaten und Fehlerdiagnosedaten. Im PROFINET-Netzwerk kann die Datenübertragung auf drei Arten realisiert werden: IO-Datenkommunikation, TCP/IP-Datenkommunikation und Echtzeit-Datenkommunikation.

Echtzeit-Kommunikationsmechanismus: PROFINET verwendet einen Echtzeit-Kommunikationsmechanismus, der eine schnelle, zuverlässige und genaue Echtzeit-Datenübertragung realisieren kann. PROFINET unterstützt zwei Echtzeit-Kommunikationsmechanismen, nämlich PROFINET RT und PROFINET IRT. PROFINET RT eignet sich für die Echtzeit-Datenübertragung mit geringer Latenz und hoher Geschwindigkeit, beispielsweise für Bewegungssteuerungsanwendungen. PROFINET IRT eignet sich für hochpräzise Steuerungs- und Überwachungsanwendungen wie Temperaturregelung, Durchflussregelung usw. Der Echtzeit-Kommunikationsmechanismus kann durch periodische Kommunikation zwischen PROFINET IO-Geräten und PROFINET I/O-Controllern implementiert werden.

Netzwerktopologie und Redundanzmechanismus: Das PROFINET-Netzwerk unterstützt mehrere Topologien wie Stern, Bus, Ring, Baum usw. Verschiedene Topologien können unterschiedliche Anwendungsanforderungen und Netzwerkleistungsanforderungen erfüllen. Gleichzeitig unterstützt PROFINET auch Redundanzmechanismen, die die Zuverlässigkeit und Stabilität des Netzwerks verbessern können, wie z. B. Geräteredundanz, Pfadredundanz und Portredundanz.

Als Kommunikationsprotokoll für die industrielle Automatisierung hat PROFINET die folgenden Vor- und Nachteile:

Vorteil:

Effizienz: PROFINET basiert auf der Ethernet-Technologie und wurde auf dieser Basis optimiert und erweitert, sodass es eine hohe Effizienz aufweist. Es unterstützt eine schnelle, zuverlässige und genaue Echtzeit-Datenübertragung und Netzwerkkommunikation und kann die Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Kommunikationsanforderungen im Bereich der industriellen Automatisierung erfüllen.

Flexibilität: PROFINET unterstützt eine Vielzahl von Netzwerktopologien, einschließlich Stern, Bus, Ring, Baum usw., die entsprechend unterschiedlichen Anwendungsanforderungen und Netzwerkleistungsanforderungen flexibel ausgewählt werden können. Gleichzeitig unterstützt PROFINET auch mehrere Redundanzmechanismen wie Geräteredundanz, Pfadredundanz, Portredundanz usw., um die Zuverlässigkeit und Stabilität des Netzwerks zu verbessern.

Skalierbarkeit: PROFINET ist ein skalierbares Kommunikationsprotokoll, das viele verschiedene Geräte und Anwendungen wie Sensoren, Aktoren, Roboter, Automatisierungssysteme usw. unterstützen kann. Gleichzeitig kann es auch eine Vielzahl unterschiedlicher Datentypen und Protokolle unterstützen, darunter auch nicht -Echtzeitdaten, EchtzeitDaten, Steuerdaten und Fehlerdiagnosedaten.

Einfache Integration: Geräte im PROFINET-Netzwerk können durch automatische Identifizierung und automatische Konfigurationsfunktionen schnell integriert und konfiguriert werden, was die Schwierigkeit der Geräteinstallation und des Debuggens verringert und die Produktions- und Arbeitseffizienz verbessert.

Mangel:

Komplexität: Als fortschrittliches Kommunikationsprotokoll verursacht PROFINET höhere Lern- und Implementierungskosten als andere einfache Protokolle. Darüber hinaus erfordern die Konfiguration und Wartung von PROFINET-Netzwerken hohe Fähigkeiten und Erfahrungen sowie professionelle Ingenieure und Techniker für Support und Management.

Kosten: Ein PROFINET-Netzwerk erfordert hohe Hardware- und Softwarekosten, einschließlich PROFINET-Controller, PROFINET IO-Geräte, Netzwerk-Switches usw. Gleichzeitig müssen PROFINET-Geräte und -Anwendungen auch authentifiziert und autorisiert werden und entsprechende Gebühren müssen bezahlt werden.

Sicherheit: Die Sicherheit der PROFINET-Netzwerkkommunikation erfordert eine spezielle Konfiguration und Verwaltung, einschließlich Firewall, Datenverschlüsselung, Authentifizierung usw. Wenn keine Sicherheitsmaßnahmen vorhanden sind, können PROFINET-Netzwerke Sicherheitsbedrohungen und Angriffen ausgesetzt sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das PROFINET-Protokoll die Vorteile hoher Leistung, hoher Zuverlässigkeit, Interoperabilität und Visualisierung bietet, aber auch Nachteile wie die Komplexität der Konfiguration und Wartung, die Notwendigkeit spezieller Ausrüstung, Sicherheitsprobleme und Einsatzbeschränkungen aufweist. Bei der Verwendung des PROFINET-Protokolls ist es notwendig, dessen Vor- und Nachteile umfassend abzuwägen und ein geeignetes Anwendungsszenario und die tatsächlichen Anforderungen auszuwählen.

Zukünftig umfasst die Entwicklungsrichtung von PROFINET vor allem folgende Aspekte:

Anpassung an die Anforderungen von Industrie 4.0: Mit der rasanten Entwicklung von Industrie 4.0 wird PROFINET der Verbindung zwischen Geräten und dem Datenaustausch immer mehr Aufmerksamkeit schenken und mehr Wert auf Interoperabilität und Vielseitigkeit legen, um flexiblere, effizientere und flexiblere Lösungen bereitzustellen intelligente Lösung.

Sicherheit stärken: Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung werden Bedrohungen und Angriffe auf die Netzwerksicherheit immer häufiger. PROFINET wird der Sicherheit der Netzwerkkommunikation mehr Aufmerksamkeit schenken und umfassendere Sicherheitsmaßnahmen bereitstellen.

Verbesserung der Echtzeitleistung und -leistung: PROFINET wird die Echtzeitleistung und -leistung weiter verbessern und höhere Datenübertragungsraten und geringere Latenzzeiten bieten, um den Echtzeit- und Leistungsanforderungen industrieller Automatisierungsgeräte und -systeme gerecht zu werden.

Stärkung der Intelligenz und Visualisierung: PROFINET wird die Intelligenz- und Visualisierungsfunktionen weiter verbessern, umfangreichere Überwachungs-, Diagnose- und Vorhersagefunktionen bereitstellen und eine intelligente Verwaltung und Wartung von Geräten und Systemen realisieren.

Erweitern Sie den Anwendungsbereich: PROFINET wird den Anwendungsbereich weiter erweitern und mehr Branchen und Bereiche einbeziehen, wie z. B. Medizin, Luft- und Raumfahrt, Robotik usw.

Kurz gesagt: Als fortschrittliches Kommunikationsprotokoll für die industrielle Automatisierung wird PROFINET auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen und kontinuierliche Innovation und Entwicklung im Bereich der industriellen Automatisierung fördern.