PROFINET protokolli arhitektuuri, tööpõhimõtte, eeliste ja puuduste põhjalik analüüs

PROFINET on tööstusautomaatikasüsteemides kasutatav sideprotokoll. See on Etherneti-põhine protokoll, mis võimaldab sidet tööstuslike juhtimissüsteemide ja seadmete, näiteks andurite, ajamite ja muude kontrollerite vahel. PROFIBUS Internationali väljatöötatud PROFINET on laialdaselt kasutatav protokoll tootmises ja tööstusautomaatikas. Praegu on PROFINETist saanud üks peamisi sideprotokolle tööstusautomaatika valdkonnas ning seda on laialdaselt kasutatud erinevates tööstusautomaatika seadmetes ja süsteemides. Statistika kohaselt oli 2019. aasta seisuga kogu maailmas kasutusel üle 250 000 PROFINET IO sõlme ja üle 5 miljoni PROFINET IO seadme. PROFINETi kasutatakse üha laialdasemalt ka erinevates tööstusharudes, näiteks tootmises, autotööstuses, toidu- ja joogitööstuses, energia- ja veetöötlustööstuses jne.

PROFINETi arhitektuur

PROFINET kasutab kihilist arhitektuuri, mis hõlmab füüsilist kihti, andmesidekihti, võrgukihti ja rakenduskihti. PROFINETi füüsiline kiht kasutab standardseid Etherneti kaableid ja ühendusi, et toetada mitut edastuskiirust ja vahemaad. PROFINETi andmesidekiht kasutab PROFINET IO protokolli, mis toetab reaalajas andmeedastust ja võrguhaldust. PROFINETi võrgukiht kasutab TCP/IP protokolli ja toetab erinevaid võrgutopoloogiaid ja marsruutimisstrateegiaid. PROFINETi rakenduskiht kasutab PROFINET protokolli, et toetada erinevate seadmete ja kontrollerite vahelist suhtlust ja koostööd.

Kuidas PROFINET töötab

Seadme ühendus ja automaatne tuvastamine: PROFINETi võrgus olevad seadmed on ühendatud Etherneti füüsilise kihi kaudu ning toetavad automaatse tuvastamise ja automaatse konfigureerimise funktsioone. Kui seade liitub PROFINETi võrguga, saab PROFINETi kontroller automaatselt tuvastada uue seadme tüübi, aadressi, atribuudid ja muu teabe ning konfigureerida selle jaoks automaatselt IP-aadressi, MAC-aadressi, võrguparameetrid jne.

Sideprotokoll ja andmeedastus: PROFINET-i sideprotokoll põhineb Etherneti tehnoloogial, kasutab TCP/IP protokolli pinu ning on selle põhjal optimeeritud ja laienenud. PROFINET-i sideprotokoll toetab mitmesuguste andmetüüpide, näiteks mitte-reaalajaliste andmete, reaalajas andmete, juhtimisandmete ja rikke diagnoosimise andmete edastamist. PROFINET-võrgus saab andmeedastust teostada kolmel viisil: IO-andmeside, TCP/IP-andmeside ja reaalajas andmeside.

Reaalajas sidemehhanism: PROFINET kasutab reaalajas sidemehhanismi, mis võimaldab realiseerida kiiret, usaldusväärset ja täpset reaalajas andmeedastust. PROFINET toetab kahte reaalajas sidemehhanismi, nimelt PROFINET RT ja PROFINET IRT. PROFINET RT sobib madala latentsusega ja kiireks reaalajas andmeedastuseks, näiteks liikumisjuhtimise rakenduste jaoks; PROFINET IRT sobib suure täpsusega juhtimis- ja jälgimisrakenduste jaoks, näiteks temperatuuri reguleerimiseks, voolu reguleerimiseks jne. Reaalajas kommunikatsioonimehhanismi saab rakendada perioodilise kommunikatsiooni abil PROFINET IO seadmete ja PROFINET I/O kontrollerite vahel.

Võrgu topoloogia ja redundantsusmehhanism: PROFINET võrk toetab mitut topoloogiat, näiteks täht, siin, ring, puu jne. Erinevad topoloogiad võivad vastata erinevatele rakenduste nõuetele ja võrgu jõudlusnõuetele. Samal ajal toetab PROFINET ka redundantsusmehhanisme, mis võivad parandada võrgu töökindlust ja stabiilsust, näiteks seadme redundantsus, tee redundantsus ja pordi redundantsus.

Tööstusautomaatika kommunikatsiooniprotokollina on PROFINETil järgmised eelised ja puudused:

eelis:

Tõhusus: PROFINET põhineb Etherneti tehnoloogial ning on selle põhjal optimeeritud ja laiendatud, mistõttu on sellel kõrge efektiivsus. See toetab kiiret, usaldusväärset ja täpset reaalajas andmeedastust ja võrgukommunikatsiooni ning suudab täita tööstusautomaatika valdkonna reaalajas ja mitte-reaalajalise kommunikatsiooni nõudeid. Paindlikkus: PROFINET toetab mitmesuguseid võrgutopoloogiaid, sealhulgas täht-, siin-, rõngas-, puu- jne, mida saab paindlikult valida vastavalt erinevatele rakendusnõuetele ja võrgu jõudlusnõuetele. Samal ajal toetab PROFINET ka mitmeid koondamismehhanisme, näiteks seadme koondamist, tee koondamist, pordi koondamist jne, et parandada võrgu töökindlust ja stabiilsust. Skaleeritavus: PROFINET on skaleeritav sideprotokoll, mis suudab toetada paljusid erinevaid seadmeid ja rakendusi, näiteks andureid, ajameid, roboteid, automaatikasüsteeme jne. Samal ajal suudab see toetada ka mitmesuguseid erinevaid andmetüüpe ja protokolle, sealhulgas mitte-reaalajalisi andmeid, reaalajasandmed, juhtimisandmed ja rikkediagnostika andmed.

Lihtne integreerida: PROFINET-võrgu seadmeid saab automaatse tuvastamise ja automaatse konfigureerimise funktsioonide abil kiiresti integreerida ja konfigureerida, mis vähendab seadmete paigaldamise ja silumise raskust ning parandab tootmise ja töö efektiivsust.

puudus:

Keerukus: Täiustatud sideprotokollina on PROFINETil kõrgemad õppimis- ja rakenduskulud kui teistel lihtsatel protokollidel. Lisaks nõuab PROFINET-võrkude konfigureerimine ja hooldus ka kõrgeid oskusi ja kogemusi ning toe ja haldamise jaoks on vaja professionaalseid insenere ja tehnikuid.

Maksumus: PROFINET-võrk nõuab suuri riist- ja tarkVarakulusid, sealhulgas PROFINET-kontrollerid, PROFINET IO-seadmed, võrgulülitid jne. Samal ajal tuleb ka PROFINET-seadmed ja -rakendused autentida ja autoriseerida ning maksta vastavad tasud.

Turvalisus: PROFINET-võrgu side turvalisus nõuab spetsiaalset konfigureerimist ja haldamist, sealhulgas tulemüüri, andmete krüptimist, autentimist jne. Kui turvameetmed puuduvad, võivad PROFINET-võrgud sattuda turvaohtude ja rünnakute ohvriks.

Kokkuvõttes on PROFINET-protokolli eelised kõrge jõudluse, kõrge töökindluse, koostalitlusvõime ja visualiseerimise näol, kuid sellel on ka puudusi, nagu konfigureerimise ja hoolduse keerukus, vajadus spetsiaalse varustuse järele, turvaprobleemid ja juurutamise piirangud. PROFINET-protokolli kasutamisel on vaja põhjalikult kaaluda selle eeliseid ja puudusi ning valida sobiv rakendusstsenaarium ja tegelikud vajadused.

PROFINETi arendussuund hõlmab tulevikus peamiselt järgmisi aspekte:

Kohandumine Tööstus 4.0 vajadustega: Tööstus 4.0 kiire arenguga pöörab PROFINET üha enam tähelepanu seadmete omavahelisele ühendamisele ja andmete jagamisele ning pöörab suuremat tähelepanu koostalitlusvõimele ja mitmekülgsusele, pakkudes paindlikumat, tõhusamat ja intelligentsemat lahendust.

Turvalisuse tugevdamine: Tööstusautomaatika pideva arenguga muutuvad võrgu turvalisuse ohud ja rünnakud üha tavalisemaks. PROFINET pöörab üha rohkem tähelepanu võrgukommunikatsiooni turvalisusele ja pakub ulatuslikumaid turvameetmeid.

Reaalajas jõudluse ja toimivuse parandamine: PROFINET jätkab reaalajas jõudluse ja toimivuse parandamist, pakkudes suuremat andmeedastuskiirust ja madalamat latentsust, et täita tööstusautomaatika seadmete ja süsteemide reaalajas ja toimivuse nõudeid.

Intellekti ja visualiseerimise tugevdamine: PROFINET täiustab veelgi intelligentsuse ja visualiseerimise funktsioone, pakub rikkalikumaid jälgimis-, diagnoosimis- ja ennustusfunktsioone ning realiseerib seadmete ja süsteemide intelligentset haldamist ja hooldust.

Laienda rakendusala: PROFINET laiendab rakendusala veelgi, hõlmates rohkem tööstusharusid ja valdkondi, nagu meditsiin, lennundus, robootika jne.

Lühidalt öeldes mängib PROFINET täiustatud tööstusautomaatika sideprotokollina olulist rolli ka tulevikus ning edendab pidevat innovatsiooni ja arengut tööstusautomaatika valdkonnas.