PROFINET
PROFINET ist die Sprache, mit der die Steuerung einer Fabrik ihre Maschinen im Takt über Netzwerkkabel dirigiert.
Ein Controller (eine SPS) und mehrere IO-Devices, verbunden über Standard-Ethernet und einen Switch.
In 30 Sekunden
PROFINET ist eine Industrial-Ethernet-Technik, also eine Sprache, mit der Maschinen in einer Fabrik über ganz normales Ethernet-Kabel miteinander reden. Ethernet ist die verbreitete Netzwerk-Verkabelung, die auch Büro-Computer verbindet. Im Zentrum steht eine SPS. Das ist der Steuerungs-Computer, der die ganze Anlage lenkt (SPS = speicherprogrammierbare Steuerung). Sie tauscht ununterbrochen und im festen Takt Daten mit vielen kleinen I/O-Modulen aus. Das sind die Ein- und Ausgabe-Geräte, an denen Sensoren und Motoren hängen. Diesen laufenden Austausch nennt man zyklischen I/O-Austausch. Dabei gilt das Provider/Consumer-Modell: Jeder Teilnehmer stellt seine Daten von selbst im eigenen Takt bereit, statt einzeln danach gefragt zu werden. Konkret heisst das: Kommt an einem Fliessband ein Werkstück an, meldet ein Sensor das, die Steuerung entscheidet, und ein Motor greift zu, hunderte Male pro Minute, ohne dass etwas aus dem Takt gerät. Zeitkritisches läuft über einen bevorzugten Echtzeit-Kanal (RT), der andere Daten im Switch überholt. Konfiguration und Diagnose laufen daneben ganz normal über TCP/IP, also die übliche Internet-Sprache. Jedes Gerät bringt eine GSDML-Datei mit, eine Art digitalen Steckbrief, damit die Steuerung es kennt. Der geschäftliche Vorteil: ein einziges Netzwerk statt vieler Speziallösungen, Geräte verschiedener Hersteller kombinierbar, und Störungen lassen sich aus der Ferne finden. Das spart Verkabelung, Bindung an einen einzigen Lieferanten und Stillstandszeiten. PROFINET wurde von Siemens und der Organisation PI (PROFIBUS und PROFINET International) geprägt und ist als IEC 61158 und IEC 61784 international genormt.
Stell dir eine Fabrikhalle als grosses Grossraumbüro vor. In der Mitte sitzt ein Chef, das ist die Steuerung (die SPS). Rundherum arbeiten viele Mitarbeiter, das sind die I/O-Module an den Sensoren und Motoren. Alle sind über ein einziges Postsystem verbunden, das Netzwerk mit einem Switch als Poststelle in der Mitte. Jetzt der Trick: Der Chef ruft nicht jeden einzeln an und fragt nach. Stattdessen legt jeder Mitarbeiter zu jeder festen Taktzeit von selbst seinen aktuellen Zettel ins Postfach des anderen, und der Chef legt seine Anweisungen ebenso ab. Jeder sendet also im festen Rhythmus seine Daten, ohne gefragt zu werden. Das ist das Provider/Consumer-Modell: Wer etwas hat, stellt es von selbst bereit (Provider), und der Empfänger findet es bereits in seinem Postfach vor (Consumer). Damit wichtige Post nicht in der normalen Warteschlange hängen bleibt, gibt es eine Expressspur. In der Poststelle bekommen zeitkritische Briefe einen roten Vorrang-Stempel und werden immer zuerst zugestellt. Das ist der RT-Echtzeit-Kanal. Gemächliche Post wie Formulare zum Einrichten oder Störungsmeldungen fährt daneben auf der normalen Spur, dem gewohnten TCP/IP. So kommt das Dringende garantiert im Takt an, ohne dass der Rest den Betrieb ausbremst. Und wenn mehrere Mitarbeiter etwas exakt gleichzeitig tun müssen, wie ein Ruderteam, das auf denselben Taktschlag zieht, gibt es eine noch strengere Stufe (IRT), bei der alle auf dieselbe zentrale Uhr hören.
Wo trifft man PROFINET an?
Fertigungsanlagen in der Fabrik
In Werken von Autobauern wie VW oder BMW steuert eine SPS über PROFINET hunderte Sensoren, Ventile und Antriebe an einem Fliessband. Das ist das klassische Einsatzgebiet, die Fabrikautomation.
Roboter und Handhabung
Schweiss- und Montageroboter tauschen über PROFINET im Millisekunden-Takt Daten mit der Steuerung aus, damit Greifer und Achsen genau im richtigen Moment reagieren.
Motion Control und Antriebe
Wenn mehrere Motoren perfekt gleichzeitig laufen müssen, etwa in Druck- oder Verpackungsmaschinen, sorgt die taktsynchrone Variante IRT dafür, dass alle Achsen auf die Mikrosekunde genau zusammenspielen.
Prozessanlagen
In der Chemie- oder Lebensmittelindustrie überwacht PROFINET Temperaturen, Drücke und Füllstände und meldet Werte laufend an die Leittechnik, den zentralen Ueberwachungs-Computer.
Verketteter Maschinenpark
Mehrere Maschinen einer Produktionslinie hängen am selben Netzwerk. Ueber PROFINET stimmen sie sich ab, sodass Teile ohne Stau von Station zu Station wandern.
Ferndiagnose und Wartung
Weil PROFINET auf normalem Ethernet und TCP/IP aufsetzt, kann ein Techniker über denselben Draht Störungen auslesen und Geräte einrichten, oft sogar aus der Ferne.
Gut geeignet für
- Fabrikautomation mit vielen Geräten. PROFINET ist genau dafür gebaut: Es tauscht die Daten aller I/O-Module, Antriebe und Sensoren im festen Takt aus.
- Zeitkritische Steuerung. Reaktionen kommen zuverlässig im Millisekunden-Takt, weil der bevorzugte RT-Kanal wichtige Daten im Switch vorzieht.
- Taktgenaue Bewegung. Mehrere Motoren laufen exakt synchron, weil die IRT-Variante alle Achsen auf denselben Takt koppelt.
- Ein Kabel für alles. Steuerung, Konfiguration und Diagnose laufen über dasselbe Netz, weil PROFINET auf Standard-Ethernet setzt und Echtzeit sowie normales TCP/IP nebeneinander trägt.
- Herstellerübergreifende Anlagen. Geräte verschiedener Marken spielen zusammen, weil PROFINET ein offener, international genormter Standard mit GSDML-Steckbrief je Gerät ist.
Weniger geeignet für
- Sehr weite Strecken oder Funk. PROFINET ist für verkabelte Anlagen auf kurzen Distanzen gedacht. Für grosse Distanzen oder Funk passt Funktechnik besser, etwa LoRaWAN oder Mobilfunk fürs IoT (die gleiche Art Netz wie beim Handy).
- Einfache Punkt-zu-Punkt-Sensoren. Für den Anschluss eines einzelnen simplen Sensors ist PROFINET zu aufwendig. Hier reicht oft IO-Link, das Sensoren direkt und günstig anbindet.
- Reine IT- oder Cloud-Datenwege. Zum Verschicken von Messwerten an eine Cloud oder eine Datenbank ist PROFINET nicht gemacht. Dafür eignen sich Messaging-Techniken wie MQTT oder der Fabrik-Standard OPC UA.
- Bestandsanlagen ohne Ethernet. Wo nur alte serielle Leitungen liegen, lässt sich PROFINET nicht direkt nutzen. Dann bleibt der serielle Vorgänger PROFIBUS oder Modbus RTU die Wahl, bis auf Ethernet umgerüstet wird.
Fakten
- IEC 61158 und IEC 61784, ein offener international genormter Standard
- Siemens und der Organisation PI (PROFIBUS und PROFINET International)
- läuft über Standard-Ethernet, meist 100 Mbit pro Sekunde, mit normalem Switch
- IO-Controller (die SPS), IO-Devices (die Feld-Geräte) und IO-Supervisor (PC zum Einrichten und Diagnostizieren)
- zyklischer I/O-Austausch nach dem Provider/Consumer-Modell, jeder sendet im festen Takt
- RT (Real-Time, per Vorrang-Kennzeichen im Datenpaket vom Switch bevorzugt) und IRT (Isochronous Real-Time, taktsynchron für Motion Control)
- RT typisch 1 bis 10 Millisekunden, IRT unter 1 Millisekunde, bis hinab zu rund 31 Mikrosekunden (etwa 30.000 Aktualisierungen pro Sekunde)
- GSDML-Datei, ein digitaler Steckbrief je Gerät im XML-Format
Im Detail
Der zyklische I/O-Austausch: alle reden im Takt
Das Herz von PROFINET IO ist der zyklische Datenaustausch zwischen einem IO-Controller und mehreren IO-Devices. Der IO-Controller ist meist eine SPS, also der Steuerungs-Computer der Anlage. Die IO-Devices sind die Geräte draussen an der Maschine, zum Beispiel I/O-Module, an denen Sensoren und Antriebe hängen.
Der Austausch läuft nach dem Provider/Consumer-Modell. Das heisst: Wer Daten hat, stellt sie von selbst bereit (Provider), wer sie braucht, empfängt sie (Consumer). Die IO-Devices liefern ihre Eingangswerte laufend an den Controller, und der Controller liefert seine Ausgangswerte laufend an die Devices. Niemand muss den anderen einzeln fragen, jeder sendet stur in seinem festen Takt.
Weil dieser Takt fest ist, weiss die Steuerung jederzeit, wie aktuell jeder Wert ist. Genau das macht eine Anlage berechenbar. Bleibt ein erwartetes Paket aus, erkennt das System sofort, dass ein Gerät nicht mehr sauber liefert.
Zwei Spuren im selben Netz: Echtzeit neben TCP/IP
PROFINET läuft über ganz normales Ethernet. Das Besondere ist, wie es dieses Netz aufteilt. Zeitkritische Daten laufen über den RT-Kanal, kurz für Real-Time. Diese Ethernet-Pakete tragen ein Vorrang-Kennzeichen, sodass ein handelsüblicher Switch sie vor dem normalen Netzverkehr durchlässt. RT umgeht dabei den Umweg über TCP/IP und ist deshalb schnell genug für Taktzeiten von 1 bis 10 Millisekunden.
Alles, was nicht auf die Millisekunde ankommt, läuft daneben ganz gewöhnlich über TCP/IP, also die übliche Internet-Sprache. Dazu gehört das Einrichten der Geräte, das Laden von Parametern und das Auslesen von Störungen. So teilen sich Dringendes und Gemächliches denselben Draht, ohne sich zu behindern. Zum Vergleich: Ein Lidschlag dauert rund 100 Millisekunden, PROFINET reagiert also viele Male schneller als ein Wimpernschlag.
Für besonders anspruchsvolle Aufgaben gibt es IRT, kurz für Isochronous Real-Time, auf Deutsch taktsynchrone Echtzeit. Hier reservieren die Geräte feste Zeitfenster im Netz und hören alle auf dieselbe zentrale Uhr. Das erlaubt Taktzeiten unter einer Millisekunde und macht IRT zur Wahl für Motion Control, also das exakt gleichzeitige Bewegen mehrerer Motoren. IRT braucht allerdings spezielle, dafür geeignete Switches.
Der GSDML-Steckbrief: damit die Steuerung jedes Gerät kennt
Damit eine Steuerung ein fremdes Gerät überhaupt ansprechen kann, muss sie wissen, was das Gerät kann. Diese Information liefert der Hersteller in einer GSDML-Datei mit. GSDML steht für GSD Markup Language, es ist eine Datei im XML-Format, also ein maschinenlesbarer Text mit klarer Struktur.
In dieser Datei steht der digitale Steckbrief des Geräts: welche Ein- und Ausgänge es hat, welche Parameter man einstellen kann und welche Diagnose-Meldungen es kennt. Für einen Temperatur-Sensor stünde darin zum Beispiel: Ich liefere einen Messwert in Grad Celsius und kann Alarm geben, wenn es zu heiss wird. Der Techniker lädt die GSDML in sein Planungswerkzeug, zieht das Gerät in die Anlagen-Konfiguration und schon weiss die Steuerung, wie sie mit ihm reden muss.
Weil jeder Hersteller diese Datei nach demselben Muster liefert, passen Geräte verschiedener Marken in dieselbe Anlage. Das ist der Vorteil eines offenen, genormten Standards, gepflegt von PI, der Organisation PROFIBUS und PROFINET International.