Profinet ( normalmente denominado PROFINET , como acrónimo de Process Field Net work) es un estándar técnico industrial para la comunicación de datos a través de Ethernet industrial , diseñado para recopilar datos y controlar equipos en sistemas industriales , con una fortaleza particular en la entrega de datos . bajo estrictas limitaciones de tiempo. El estándar es mantenido y respaldado por Profibus y Profinet International, una organización coordinadora con sede en Karlsruhe, Alemania .
Profinet implementa la interfaz con periféricos . [1] [2] Define la comunicación con dispositivos periféricos conectados en campo. Su base es un concepto de tiempo real en cascada. Profinet define todo el intercambio de datos entre los controladores (llamados "IO-Controllers") y los dispositivos (llamados "IO-Devices"), así como la parametrización y el diagnóstico. Los controladores IO suelen ser un PLC , DCS o IPC ; mientras que los dispositivos IO pueden ser variados: bloques de E/S, unidades, sensores o actuadores. El protocolo Profinet está diseñado para el rápido intercambio de datos entre dispositivos de campo basados en Ethernet y sigue el modelo proveedor-consumidor. [1] Los dispositivos de campo de una línea Profibus subordinada se pueden integrar sin problemas en el sistema Profinet a través de un IO-Proxy (representante de un sistema de bus subordinado). [3]
Las aplicaciones con Profinet se pueden dividir según la norma internacional IEC 61784-2 en cuatro clases de conformidad:
Un sistema Profinet consta de los siguientes dispositivos: [1] : 3
Un sistema IO Profinet mínimo consta de al menos un controlador IO que controla uno o más dispositivos IO. Además, si es necesario, se pueden conectar temporalmente uno o más IO-Supervisors para la ingeniería de los IO-Devices.
Si dos IO-Systems están en la misma red IP , los IO-Controllers también pueden compartir una señal de entrada como entrada compartida, en la que tienen acceso de lectura al mismo submódulo en un IO-Device. [1] : 3 [2] Esto simplifica la combinación de un PLC con un controlador de seguridad o control de movimiento independiente . Del mismo modo, un dispositivo IO completo se puede compartir como un dispositivo compartido, [1] : 11, en el que los submódulos individuales de un dispositivo IO se asignan a diferentes controladores IO.
Cada dispositivo de automatización con interfaz Ethernet puede cumplir simultáneamente la funcionalidad de un controlador IO y un dispositivo IO. Si un controlador de un controlador asociado actúa como IO-Device y al mismo tiempo controla su periferia como IO-Controller, las tareas entre controladores se pueden coordinar sin dispositivos adicionales.
Se establece una relación de aplicación (AR) entre un controlador IO y un dispositivo IO. Estos AR se utilizan para definir Relaciones de Comunicación (CR) con diferentes características para la transferencia de parámetros, intercambio cíclico de datos y manejo de alarmas. [1] : 4
La ingeniería de proyecto [1] : 5 [2] de un sistema IO es casi idéntica a la de Profibus en términos de "apariencia":
Profinet también se utiliza cada vez más en aplicaciones críticas. Siempre existe el riesgo de que no se puedan cumplir las funciones requeridas. Este riesgo puede reducirse mediante medidas específicas identificadas mediante análisis de confiabilidad [6] . Los siguientes objetivos están en primer plano:
Estos objetivos pueden interferir o complementarse entre sí.
Profisafe [7] define cómo los dispositivos relacionados con la seguridad ( botones de parada de emergencia , rejillas fotoeléctricas, dispositivos de prevención de sobrellenado, ...) se comunican con los controladores de seguridad a través de Profinet de una manera tan segura que pueden usarse en tareas de automatización relacionadas con la seguridad hasta Nivel de integridad de seguridad 3 (SIL) según IEC 61508 , Nivel de rendimiento "e" (PL) según ISO 13849 o Categoría 4 según EN 954-1.
Profisafe implementa una comunicación segura a través de un perfil [8] , es decir, a través de un formato especial de los datos del usuario y un protocolo especial. Está diseñado como una capa separada encima de la capa de aplicación del bus de campo para reducir la probabilidad de errores en la transmisión de datos. Los mensajes Profisafe utilizan cables y mensajes de bus de campo estándar. No dependen de los mecanismos de detección de errores de los canales de transmisión subyacentes y, por lo tanto, admiten la seguridad de rutas de comunicación completas, incluidas las placas posteriores dentro de los controladores o las E/S remotas . [9] El protocolo Profisafe utiliza mecanismos de detección de errores y fallas tales como:
y está definido en la norma IEC 61784 -3-3.
La alta disponibilidad [10] es uno de los requisitos más importantes en la automatización industrial, tanto en fábrica como en automatización de procesos. La disponibilidad de un sistema de automatización se puede aumentar agregando redundancia para elementos críticos. Se puede distinguir entre redundancia de sistema y redundancia de medios.
La redundancia del sistema también se puede implementar con Profinet para aumentar la disponibilidad . En este caso se configuran dos controladores IO que controlan el mismo dispositivo IO. El controlador IO activo marca sus datos de salida como primarios. Los datos de salida que no están marcados son ignorados por un dispositivo IO en un sistema IO redundante. De este modo, en caso de error, el segundo controlador IO puede tomar el control de todos los dispositivos IO sin interrupción marcando sus datos de salida como primarios. La forma en que los dos controladores IO sincronizan sus tareas no está definida en Profinet y los distintos fabricantes que ofrecen sistemas de control redundantes lo implementan de forma diferente.
Profinet ofrece dos soluciones de redundancia de medios. El Media Redundancy Protocol (MRP) permite la creación de una topología de anillo independiente del protocolo con un tiempo de conmutación inferior a 50 ms. Esto suele ser suficiente para la comunicación estándar en tiempo real con Profinet. Para conmutar la redundancia en caso de error sin demora, se debe utilizar la "Redundancia de medios para la duplicación planificada" (MRPD) como concepto de redundancia de medios sin interrupciones. En el MRPD, los datos cíclicos en tiempo real se transmiten en ambas direcciones en la topología en forma de anillo. Una marca de tiempo en el paquete de datos permite al receptor eliminar los duplicados redundantes.
El concepto de seguridad TI [11] para Profinet supone un enfoque de defensa en profundidad [12] . De este modo, la planta de producción está protegida contra ataques, especialmente desde el exterior, mediante un perímetro de varios niveles, que incluye cortafuegos. Además, es posible una mayor protección dentro de la instalación dividiéndola en zonas mediante cortafuegos . Además, una prueba de componentes de seguridad garantiza que los componentes de Profinet sean resistentes a la sobrecarga en un grado definido. [13] Este concepto se apoya en medidas organizativas en la planta de producción en el marco de un sistema de gestión de seguridad según ISO 27001 .
Para una interacción fluida de los dispositivos involucrados en una solución de automatización, deben corresponder en sus funciones y servicios básicos. La estandarización se logra mediante "perfiles" [14] con especificaciones vinculantes para funciones y servicios. Las posibles funciones de comunicación con Profinet están limitadas y se prescriben especificaciones adicionales sobre el funcionamiento del dispositivo de campo. Estas pueden ser propiedades de clases cruzadas, como un comportamiento relevante para la seguridad (perfiles de aplicaciones comunes) o propiedades específicas de clases de dispositivos (perfiles de aplicaciones específicas). [15] Se hace una distinción entre
PROFIdrive [16] es el perfil de dispositivo modular para dispositivos de accionamiento . Fue desarrollado conjuntamente por fabricantes y usuarios en los años 90 y desde entonces, junto con Profibus y, a partir de la versión 4.0, también con Profinet, cubre toda la gama, desde las soluciones de accionamiento más sencillas hasta las más exigentes.
Otro perfil es PROFIenergy que incluye servicios de seguimiento en tiempo real de la demanda energética. Esto lo solicitó en 2009 el grupo AIDA de fabricantes de automóviles alemanes ( Audi , BMW , Mercedes-Benz , Porsche y Volkswagen ) que deseaban disponer de una forma estandarizada de gestionar activamente el uso de energía en sus plantas. Dispositivos y subsistemas de alta energía como robots, láseres e incluso líneas de pintura son el objetivo de este perfil, que ayudará a reducir los costos energéticos de una planta al cambiar inteligentemente los dispositivos a modos de "suspensión" para tener en cuenta las interrupciones de producción, ambas previstas. (p. ej. fines de semana y paradas) e imprevistos (p. ej. averías).
Los dispositivos de proceso modernos tienen su propia inteligencia y pueden hacerse cargo de parte del procesamiento de información o de la funcionalidad general en los sistemas de automatización. Para la integración en un sistema Profinet, [17] [18] se requiere una Ethernet de dos hilos además de una mayor disponibilidad.
El perfil Dispositivos PA [19] define para diferentes clases de dispositivos de proceso todas las funciones y parámetros típicamente utilizados en dispositivos de proceso para el flujo de señal desde la señal del sensor del proceso hasta el valor de proceso preprocesado, que se lee en el sistema de control. junto con un estado del valor medido. El perfil de dispositivos PA contiene hojas de datos de dispositivos para
Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) [20] describe una capa física para la tecnología de comunicación Ethernet que está especialmente desarrollada para los requisitos de las industrias de procesos. El desarrollo de Ethernet-APL estuvo determinado por la necesidad de comunicación a altas velocidades y a largas distancias, el suministro de energía y señales de comunicación a través de un cable común de par trenzado (2 hilos), así como medidas de protección para el uso seguro. dentro de áreas con riesgo de explosión. Ethernet APL abre la posibilidad de incorporar Profinet en instrumentos de proceso.
Profinet utiliza los siguientes protocolos en las diferentes capas [2] : 15 del modelo OSI :
Capas 1-2: Como conexiones de dispositivos se recomienda principalmente full-duplex con 100 MBit/s eléctrico ( 100BASE-TX ) u óptico ( 100BASE-FX ) según IEEE 802.3 [21] . El cruce automático es obligatorio para todas las conexiones para evitar el uso de cables cruzados . A partir de IEEE 802.1Q se utiliza la VLAN con etiquetado de prioridad. De este modo, todos los datos en tiempo real reciben la mayor prioridad 6 posible y, por lo tanto, se transmiten a través de un conmutador con un retraso mínimo.
El protocolo Profinet se puede registrar y mostrar con cualquier herramienta de análisis de Ethernet. Wireshark es capaz de decodificar telegramas Profinet.
El Link Layer Discovery Protocol (LLDP) se ha ampliado con parámetros adicionales, de modo que además de la detección de vecinos, se puede comunicar el tiempo de propagación de las señales en las líneas de conexión.
Capas 3 a 6: se utiliza el protocolo de interfaz de servicio remoto (RSI) o el protocolo de llamada a procedimiento remoto (RPC) para la configuración de la conexión y los servicios acíclicos. El protocolo RPC se utiliza a través del Protocolo de datagramas de usuario (UDP) y el Protocolo de Internet (IP) con el uso de direcciones IP . Para ello se amplía el protocolo de resolución de direcciones (ARP) con la detección de direcciones IP duplicadas. El Protocolo de Descubrimiento y Configuración Básica (DCP) es obligatorio para la asignación de direcciones IP. Opcionalmente, también se puede utilizar el protocolo de configuración dinámica de host (DHCP) para este fin. No se utilizan direcciones IP con el protocolo RSI. Por tanto, IP se puede utilizar en el sistema operativo del dispositivo de campo para otros protocolos como OPC Unified Architecture (OPC UA).
Capa 7: Se definen diversos protocolos [1] para acceder a los servicios de la Capa de Aplicación Fieldbus (FAL). El protocolo RT (tiempo real) para aplicaciones de clase A y B con tiempos de ciclo en el rango de 1 a 10 ms. El protocolo IRT (Isochronous Real-Time) para aplicaciones de clase C permite tiempos de ciclo inferiores a 1 ms para aplicaciones de tecnología de accionamiento. Esto también se puede lograr con los mismos servicios a través de Time-Sensitive Networking (TSN).
Las funcionalidades de Profinet IO se realizan con diferentes tecnologías y protocolos:
La función básica de Profinet es el intercambio cíclico de datos entre el IO-Controller como productor y varios IO-Devices como consumidores de los datos de salida y los IO-Devices como productores y el IO-Controller como consumidor de los datos de entrada. [1] Cada relación de comunicación IO data CR entre el IO-Controller y un IO-Device define el número de datos y los tiempos de ciclo.
Todos los dispositivos Profinet IO deben admitir el diagnóstico del dispositivo y la transmisión segura de alarmas a través de la relación de comunicación para alarmas Alarm CR .
Además, los parámetros del dispositivo se pueden leer y escribir con cada dispositivo Profinet a través de la relación de comunicación acíclica Record Data CR . El conjunto de datos para la identificación única de un dispositivo IO, el conjunto de datos de identificación y mantenimiento 0 (I&M 0), debe estar instalado en todos los dispositivos IO Profinet. Opcionalmente, se puede almacenar más información en un formato estandarizado como I&M 1-4.
Para datos en tiempo real (datos cíclicos y alarmas), los telegramas Profinet Real-Time (RT) se transmiten directamente a través de Ethernet. UDP/IP se utiliza para la transmisión de datos acíclicos.
La relación de aplicación (AR) se establece entre un controlador IO y cada dispositivo IO que se va a controlar. Dentro de los AR se definen los CR requeridos. El ciclo de vida de Profinet AR consta de resolución de direcciones, establecimiento de conexión, parametrización, intercambio de datos de E/S de proceso/manejo de alarmas y terminación.
Además de las funciones básicas de Clase A, los dispositivos de Clase B deben admitir funcionalidades adicionales. [1] Estas funcionalidades apoyan principalmente la puesta en marcha, operación y mantenimiento de un sistema Profinet IO y están destinadas a aumentar la disponibilidad del sistema Profinet IO.
La compatibilidad con el diagnóstico de red con el Protocolo simple de administración de red (SNMP) es obligatoria. Asimismo, todos los dispositivos de Clase B deben admitir el Protocolo de descubrimiento de capa de enlace (LLDP) para la detección de vecindad, incluidas las extensiones para Profinet. Esto también incluye la recopilación y provisión de estadísticas relacionadas con el puerto Ethernet para el mantenimiento de la red. Con estos mecanismos se puede leer en cualquier momento la topología de una red Profinet IO y controlar el estado de las conexiones individuales. Si se conoce la topología de la red, se puede activar el direccionamiento automático de los nodos según su posición en la topología. Esto simplifica considerablemente la sustitución del dispositivo durante el mantenimiento, ya que no es necesario realizar más ajustes.
La alta disponibilidad del sistema IO es especialmente importante en aplicaciones de automatización e ingeniería de procesos. Por este motivo se han definido procedimientos especiales para dispositivos Clase B con las relaciones y protocolos existentes. Esto permite la redundancia del sistema con dos controladores IO que acceden a los mismos dispositivos IO simultáneamente. Además, existe un procedimiento prescrito de Reconfiguración Dinámica (DR), mediante el cual se puede cambiar la configuración de un IO-Device con ayuda de estas relaciones redundantes sin perder el control sobre el IO-Device.
Para las funcionalidades de Conformance Class C (CC-C) se utiliza principalmente el protocolo Isochronous Real-Time [1] (IRT).
Con la reserva de ancho de banda , una parte del ancho de banda de transmisión disponible de 100 MBit/s se reserva exclusivamente para tareas en tiempo real. Se utiliza un procedimiento similar al método de multiplexación en el tiempo . El ancho de banda se divide en tiempos de ciclo fijos, que a su vez se dividen en fases. La fase roja está reservada exclusivamente para datos de clase C en tiempo real , en la fase naranja se transmiten los mensajes críticos en el tiempo y en la fase verde los demás mensajes Ethernet se transmiten de forma transparente. Para que todavía se pueda transmitir de forma transparente el máximo de telegramas Ethernet, la fase verde debe tener una longitud mínima de 125 μs. Por lo tanto, en combinación con Ethernet constante no son posibles tiempos de ciclo inferiores a 250 μs.
Para lograr tiempos de ciclo más cortos, de hasta 31,25 μs, los telegramas Ethernet de la fase verde se dividen opcionalmente en fragmentos. Estos fragmentos cortos ahora se transmiten a través de la fase verde. Este mecanismo de fragmentación es transparente para los demás participantes de Ethernet y, por tanto, no es reconocible.
Para implementar estos ciclos de bus para la reserva de ancho de banda, se requiere una sincronización precisa del reloj de todos los dispositivos participantes, incluidos los conmutadores, con una desviación máxima de 1 μs. Esta sincronización de reloj se implementa con el Precision Time Protocol (PTP) según el estándar IEEE 1588-2008 (1588 V2) . Por lo tanto, todos los dispositivos implicados en la reserva de ancho de banda deben estar en el mismo dominio temporal.
Para aplicaciones de control de posición para varios ejes o para procesos de posicionamiento según el perfil de accionamiento PROFIdrive [16] de las clases de aplicación 4 - 6, no sólo la comunicación debe ser oportuna, sino que las acciones de los distintos accionamientos en un Profinet también deben coordinarse y sincronizarse. . La sincronización horaria del programa de aplicación con el ciclo del bus permite implementar funciones de control que se ejecutan de forma síncrona en dispositivos distribuidos.
Si se conectan varios dispositivos Profinet en una línea ( en cadena ), es posible optimizar aún más el intercambio cíclico de datos con Dynamic Frame Packing (DFP). Para ello, el controlador coloca todos los datos de salida de todos los dispositivos en un único marco IRT. Al pasar la trama IRT, cada dispositivo extrae los datos destinados al dispositivo, es decir, la trama IRT se vuelve cada vez más corta. Para los datos de los diferentes dispositivos al controlador, el marco IRT se ensambla dinámicamente. La gran eficiencia del DFP reside en que la trama IRT es siempre tan extensa como sea necesaria y que los datos del controlador a los dispositivos se pueden transmitir en dúplex completo al mismo tiempo que los datos de los dispositivos al controlador.
La Clase D ofrece al usuario los mismos servicios que la Clase C, con la diferencia de que estos servicios se brindan utilizando los mecanismos de Time-Sensitive Networking (TSN) definidos por IEEE.
La interfaz de servicio remoto (RSI) se utiliza como reemplazo del conjunto de protocolos de Internet . Así, esta aplicación clase D se implementa independientemente de las direcciones IP . La pila de protocolos será más pequeña e independiente de futuras versiones de Internet ( IPv6 ).
El TSN no es una definición de protocolo consistente y autónoma, sino una colección de diferentes protocolos con diferentes características que pueden combinarse casi arbitrariamente para cada aplicación. Para su uso en automatización industrial , se compila un subconjunto en el estándar IEC/IEEE 60802 "Joint Profile TSN for Industrial Automation". Se utiliza un subconjunto en la especificación Profinet versión 2.4 para implementar la clase D. [22]
En esta especificación se distingue entre dos aplicaciones:
Para el intercambio de datos isócrono los relojes de los participantes deben estar sincronizados. Para ello se adaptan en consecuencia las especificaciones del Precision Time Protocol según IEC 61588 para la sincronización horaria con TSN [23] .
Los telegramas se organizan en colas según las prioridades proporcionadas en la etiqueta VLAN . El Time-Aware Shaper (TAS) [24] ahora especifica un pulso de reloj con el que se procesan las colas individuales en un conmutador. Esto conduce a un procedimiento de intervalo de tiempo en el que los datos cíclicos isócronos se transmiten con la máxima prioridad, los datos cíclicos con la segunda prioridad antes que todos los datos acíclicos. Esto reduce el tiempo de latencia y también la fluctuación de los datos cíclicos. Si un telegrama de datos con prioridad baja dura demasiado, puede ser interrumpido por un telegrama de datos cíclico con prioridad alta y transmitirse posteriormente. Este procedimiento se llama Frame Preemption [25] y es obligatorio para CC-D.
Para la realización [26] de una interfaz Profinet como controlador o dispositivo, no se requieren requisitos de hardware adicionales para Profinet (CC-A y CC-B) que no puedan ser cumplidos por una interfaz Ethernet común ( 100BASE-TX o 100BASE-FX ). . Para permitir una topología de línea más simple, se recomienda la instalación de un conmutador con 2 puertos en un dispositivo.
Para la realización de dispositivos clase C (CC-C), se requiere una extensión del hardware con sincronización horaria con el Precision Time Protocol (PTP) y las funcionalidades de reserva de ancho de banda. Para dispositivos de clase D (CC-D), el hardware debe admitir las funcionalidades requeridas de Time-Sensitive Networking (TSN) según los estándares IEEE .
El método de implementación [27] depende del diseño y rendimiento del dispositivo y de las cantidades esperadas. Las alternativas son
En la asamblea general de la organización de usuarios de Profibus en el año 2000 tuvieron lugar las primeras discusiones concretas sobre un sucesor de Profibus basado en Ethernet . Tan solo un año después, se publicó y presentó en la Feria de Hannover la primera especificación de Automatización basada en componentes (CBA). En 2002, Profinet CBA pasó a formar parte de la norma internacional IEC 61158 / IEC 61784 -1.
Un sistema Profinet CBA [29] consta de diferentes componentes de automatización. Un componente comprende todas las variables mecánicas, eléctricas y de tecnología de la información. Es posible que el componente haya sido creado con las herramientas de programación habituales. Para describir un componente, se crea un archivo de descripción de componentes Profinet (PCD) en XML . Una herramienta de planificación carga estas descripciones y permite crear las conexiones lógicas entre los componentes individuales para implementar una instalación.
La idea básica detrás de Profinet CBA era que en muchos casos es posible dividir un sistema de automatización completo en subsistemas que operan de forma autónoma y, por tanto, gestionables. La estructura y funcionalidad pueden encontrarse en varias plantas de forma idéntica o ligeramente modificada. Los llamados componentes Profinet se controlan normalmente mediante un número manejable de señales de entrada. Dentro del componente, un programa de control escrito por el usuario ejecuta la funcionalidad requerida y envía las señales de salida correspondientes a otro controlador. La comunicación de un sistema basado en componentes se planifica en lugar de programarse. La comunicación con Profinet CBA fue adecuada para tiempos de ciclo de bus de aprox. 50 a 100 ms.
Los sistemas individuales muestran cómo estos conceptos se pueden implementar con éxito en la aplicación. Sin embargo, Profinet CBA no encuentra la aceptación esperada en el mercado y ya no figurará en la norma IEC 61784-1 a partir de la cuarta edición de 2014.
En 2003 se publicó la primera especificación de Profinet IO (IO = Entrada Salida). Se adoptó la interfaz de aplicación del Profibus DP (DP = Decentralized Periphery), que tuvo éxito en el mercado, y se complementó con los protocolos actuales de Internet. Al año siguiente sigue la ampliación con transmisión isócrona, lo que hace que Profinet IO sea adecuado para aplicaciones de control de movimiento. Profisafe está adaptado para que también pueda utilizarse a través de Profinet. Con la clara apuesta de AIDA [30] por Profinet en 2004 se da la aceptación en el mercado. En 2006 Profinet IO pasa a formar parte del estándar internacional IEC 61158 / IEC 61784 -2.
En 2007, según el recuento neutral, ya se habían instalado 1 millón de dispositivos Profinet; al año siguiente esta cifra se duplica hasta los 2 millones. Hasta 2019, se reportan un total de 26 millones [31] de dispositivos vendidos por los distintos fabricantes.
En 2019, la especificación para Profinet se completó con Time-Sensitive Networking (TSN), [32] introduciendo así la clase de conformidad CC-D.