Profinet

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 controladores (llamados "controladores de E/S") y los dispositivos (llamados "dispositivos de E/S"), así como la configuración de parámetros y el diagnóstico. Los controladores de E/S suelen ser un PLC , DCS o IPC ; mientras que los dispositivos de E/S pueden variar: bloques de E/S, variadores, sensores o actuadores. El protocolo Profinet está diseñado para el intercambio rápido de datos entre dispositivos de campo basados ​​en Ethernet y sigue el modelo proveedor-consumidor. ^{[ 1 ]} Los dispositivos de campo en una línea Profibus subordinada se pueden integrar en el sistema Profinet sin problemas a través de un proxy de E/S (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:

• En la Clase de Conformidad A (CC-A) , solo se certifican los dispositivos. Un certificado del fabricante es suficiente para la infraestructura de red. Por ello, también se puede utilizar cableado estructurado o una red de área local inalámbrica para usuarios móviles. Las aplicaciones típicas se encuentran en infraestructuras (por ejemplo, túneles de autopistas o ferrocarriles) o en la automatización de edificios .
• La Clase de Conformidad B (CC-B) estipula que la infraestructura de red también incluye productos certificados y está estructurada según las directrices de Profinet. Los cables blindados aumentan la robustez y los conmutadores con funciones de gestión facilitan el diagnóstico de la red y permiten capturar la topología de la red según se desee para controlar una línea de producción o una máquina. La automatización de procesos requiere una mayor disponibilidad, que se puede lograr mediante la redundancia de medios y sistemas . Para que un dispositivo cumpla con la Clase de Conformidad B, debe comunicarse correctamente a través de Profinet y ser compatible con SNMP .
• Con la conformidad de clase C (CC-C) , los sistemas de posicionamiento pueden implementarse con reserva de ancho de banda adicional y sincronización de aplicaciones. Los dispositivos de conformidad de clase C también se comunican mediante Profinet IRT.
• Para la clase de conformidad D (CC-D) , Profinet se utiliza mediante redes sensibles al tiempo (TSN). Se pueden lograr las mismas funciones que con CC-C. A diferencia de CC-A y CC-B, la comunicación completa (cíclica y acíclica) entre el controlador y el dispositivo se realiza en la capa 2 de Ethernet. La interfaz de servicio remoto (RSI) se introdujo para este propósito.

Un sistema Profinet consta de los siguientes dispositivos: ^{[ 1 ] : 3}

• El controlador de E/S , que controla la tarea de automatización.
• El dispositivo de E/S , que es un dispositivo de campo, es supervisado y controlado por un controlador de E/S. Un dispositivo de E/S puede constar de varios módulos y submódulos.
• El IO-Supervisor es un software que normalmente se ejecuta en un PC para configurar parámetros y diagnosticar dispositivos de E/S individuales.

Un sistema Profinet IO mínimo consta de al menos un controlador IO que controla uno o más dispositivos IO. Además, si es necesario, se pueden activar temporalmente uno o más supervisores IO para la configuración de los dispositivos IO.

Si dos sistemas de E/S están en la misma red IP , los controladores de E/S también pueden compartir una señal de entrada como entrada compartida, en la que tienen acceso de lectura al mismo submódulo en un dispositivo de E/S. ^{[ 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 de E/S completo puede ser compartido como un dispositivo compartido, ^{[ 1 ] : 11} en el que los submódulos individuales de un dispositivo de E/S se asignan a diferentes controladores de E/S.

Cada dispositivo de automatización con interfaz Ethernet puede funcionar simultáneamente como controlador de E/S y dispositivo de E/S. Si un controlador asociado actúa como dispositivo de E/S y, al mismo tiempo, controla su periferia como controlador de E/S, las tareas entre controladores se pueden coordinar sin necesidad de dispositivos adicionales.

Se establece una relación de aplicación (RA) entre un controlador de E/S y un dispositivo de E/S. Estas RA se utilizan para definir relaciones de comunicación (RC) con diferentes características para la transferencia de parámetros, el intercambio cíclico de datos y el manejo de alarmas. ^{[ 1 ] : 4}

La ingeniería del proyecto ^{[ 1 ] : 5 [ 2 ]} de un sistema de E/S es casi idéntica a la de Profibus en términos de "apariencia y sensación":

• Las propiedades de un dispositivo de E/S se describen mediante un archivo GSD (General Station Description), proporcionado por el fabricante. El lenguaje utilizado es GSDML (GSD Markup Language), un lenguaje basado en XML . El archivo GSD sirve como entorno de ingeniería para planificar la configuración de un sistema de E/S Profinet.
• Todos los dispositivos de campo Profinet identifican a sus vecinos. ^{[ 1 ] : 8} Esto significa que los dispositivos de campo pueden reemplazarse en caso de falla sin necesidad de herramientas adicionales ni conocimientos previos. Al leer esta información, la topología de la planta puede visualizarse gráficamente para mayor claridad.
• La ingeniería puede ser apoyada por herramientas como PROFINET Commander ^{[ 4 ]} o PRONETA. ^{[ 5 ]}

Profisafe ^{[ 7 ]} define cómo los dispositivos relacionados con la seguridad ( botones de parada de emergencia , rejillas de luz, 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 el Nivel de Integridad de Seguridad 3 (SIL) según IEC 61508 , el Nivel de Rendimiento "e" (PL) según ISO 13849 o la Categoría 4 según EN 954–1.

Profisafe implementa una comunicación segura mediante un perfil, ^{[ 8 ]} es decir, mediante un formato especial de los datos del usuario y un protocolo especial. Está diseñado como una capa separada sobre la capa de aplicación del bus de campo para reducir la probabilidad de errores en la transmisión de datos. Los mensajes de 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, incluidos los backplanes dentro de los controladores o las E/S remotas . ^{[ 9 ]} El protocolo Profisafe utiliza mecanismos de detección de errores y fallos tales como:

• Numeración consecutiva
• Monitoreo de tiempo de espera
• Autenticación de origen/destino
• Verificación de redundancia cíclica (CRC)

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 la automatización de fábricas como de procesos. La disponibilidad de un sistema de automatización puede incrementarse añadiendo redundancia a los elementos críticos. Se puede distinguir entre redundancia de sistema y redundancia de medios.

El concepto de seguridad informática ^{[ 11 ]} para Profinet adopta un enfoque de defensa en profundidad ^{[ 12 ]} . En este enfoque, la planta de producción se protege contra ataques, especialmente externos, mediante un perímetro multinivel que incluye cortafuegos. Además, es posible una mayor protección dentro de la planta dividiéndola en zonas mediante cortafuegos . Asimismo, una prueba de componentes de seguridad garantiza que los componentes de Profinet sean resistentes a la sobrecarga hasta un nivel definido ^{[ 13 ]} . Este concepto se apoya en medidas organizativas en la planta de producción dentro del marco de un sistema de gestión de seguridad conforme a la norma ISO 27001 .

PROFIdrive ^{[ 16 ]} es el perfil de dispositivo modular para dispositivos de accionamiento . Fue desarrollado conjuntamente por fabricantes y usuarios en la década de 1990 y, desde entonces, junto con Profibus y, a partir de la versión 4.0, también con Profinet, ha cubierto toda la gama, desde las soluciones de accionamiento más simples hasta las más exigentes.

Otro perfil es PROFIenergy , que incluye servicios para la monitorización en tiempo real de la demanda energética. Este perfil fue solicitado en 2009 por el grupo AIDA de fabricantes de automóviles alemanes ( Audi , BMW , Mercedes-Benz , Porsche y Volkswagen ), que deseaban contar con una forma estandarizada de gestionar activamente el consumo energético en sus plantas. Los dispositivos y subsistemas de alto consumo energético, como robots, láseres e incluso líneas de pintura, son el objetivo de este perfil, que ayudará a reducir los costes energéticos de una planta al activar de forma inteligente los modos de "reposo" para tener en cuenta las interrupciones de producción, tanto previstas (por ejemplo, fines de semana y paradas) como imprevistas (por ejemplo, averías).

Los dispositivos de proceso modernos poseen inteligencia propia y pueden asumir parte del procesamiento de información o la funcionalidad general en los sistemas de automatización. Para la integración en un sistema Profinet, ^{[ 17 ] [ 18 ]} se requiere una conexión Ethernet de dos hilos, además de una mayor disponibilidad.

Profinet utiliza los siguientes protocolos en las diferentes capas ^{[ 2 ] : 15} del modelo OSI :

Capas 1-2: Se recomienda principalmente dúplex completo con 100  Mbit/s eléctricos ( 100BASE-TX ) u ópticos ( 100BASE-FX ) según IEEE 802.3 ^{[ 21 ]} como conexiones de dispositivos. El cruce automático es obligatorio para todas las conexiones para evitar el uso de cables cruzados . De IEEE 802.1Q se utiliza VLAN con etiquetado de prioridad. Todos los datos en tiempo real reciben la máxima prioridad posible (6) y, por lo tanto, son reenviados por un conmutador con un retardo mínimo.

El protocolo Profinet se puede grabar y visualizar con cualquier herramienta de análisis Ethernet. Wireshark es capaz de decodificar los telegramas Profinet.

El Protocolo de Descubrimiento de Capa de Enlace (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 3-6: Para el establecimiento de la conexión y los servicios acíclicos se utiliza el protocolo de Interfaz de Servicio Remoto (RSI) o el protocolo de Llamada a Procedimiento Remoto (RPC). El protocolo RPC se utiliza mediante el Protocolo de Datagramas de Usuario (UDP) y el Protocolo de Internet (IP) con el uso de direcciones IP . El Protocolo de Resolución de Direcciones (ARP) se extiende para este propósito 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). No se utilizan direcciones IP con el protocolo RSI. Por lo tanto, IP se puede utilizar en el sistema operativo del dispositivo de campo para otros protocolos como la Arquitectura Unificada OPC (OPC UA).

Capa 7: Se definen varios protocolos ^{[ 1 ]} para acceder a los servicios de la capa de aplicación del bus de campo (FAL). El protocolo RT (tiempo real) se utiliza para aplicaciones de clase A y B con tiempos de ciclo de entre 1 y 10 ms. El protocolo IRT (tiempo real isócrono) 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 mediante redes sensibles al tiempo (TSN).

Las funcionalidades de Profinet IO se implementan con diferentes tecnologías y protocolos:

La función básica del Profinet es el intercambio cíclico de datos entre el controlador de E/S como productor y varios dispositivos de E/S como consumidores de los datos de salida, y los dispositivos de E/S como productores y el controlador de E/S como consumidor de los datos de entrada. ^{[ 1 ]} Cada relación de comunicación de datos de E/S CR entre el controlador de E/S y un dispositivo de E/S define la cantidad 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 en cada dispositivo Profinet mediante la relación de comunicación acíclica Record Data CR . Todos los dispositivos Profinet deben instalar el conjunto de datos para la identificación única de un dispositivo de E/S, el Conjunto de Datos de Identificación y Mantenimiento 0 (I&M 0). Opcionalmente, se puede almacenar información adicional 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. Para la transmisión de datos acíclicos se utiliza UDP/IP.

Además de las funciones básicas de Clase A, los dispositivos de Clase B deben admitir funcionalidades adicionales. ^{[ 1 ]} Estas funcionalidades principalmente respaldan la puesta en marcha, operación y mantenimiento de un sistema Profinet IO y están destinadas a aumentar la disponibilidad del sistema Profinet IO.

Es obligatorio el soporte para el diagnóstico de red mediante el Protocolo simple de administración de red (SNMP). Asimismo, todos los dispositivos de Clase B deben ser compatibles con el Protocolo de descubrimiento de capa de enlace (LLDP) para la detección de vecinos, incluidas las extensiones para Profinet. Esto también incluye la recopilación y el suministro de estadísticas relacionadas con los puertos Ethernet para el mantenimiento de la red. Con estos mecanismos, se puede consultar la topología de una red Profinet IO en cualquier momento y supervisar 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 de dispositivos durante el mantenimiento, ya que no es necesario realizar más configuraciones.

La alta disponibilidad del sistema de E/S es fundamental para aplicaciones de automatización e ingeniería de procesos. Por ello, se han definido procedimientos especiales para dispositivos de Clase B con las relaciones y protocolos existentes. Esto permite la redundancia del sistema , con dos controladores de E/S accediendo simultáneamente a los mismos dispositivos. Además, existe un procedimiento de reconfiguración dinámica (RD) que permite modificar la configuración de un dispositivo de E/S mediante estas relaciones redundantes sin perder el control sobre el mismo.

Para las funcionalidades de la Clase de Conformidad C (CC-C) se utiliza principalmente el protocolo Isócrono en Tiempo Real ^{[ 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 a un método de multiplexación por tiempo . El ancho de banda se divide en tiempos de ciclo fijos, que a su vez se dividen en fases. La fase roja se reserva exclusivamente para datos en tiempo real de clase C , en la fase naranja se transmiten los mensajes críticos en tiempo real y en la fase verde se transmiten de forma transparente los demás mensajes Ethernet. Para garantizar que se puedan transmitir de forma transparente la mayor cantidad posible de telegramas Ethernet, la fase verde debe tener una duración mínima de 125 μs. Por lo tanto, no es posible utilizar tiempos de ciclo inferiores a 250 μs en combinación con Ethernet sin cambios.

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 se transmiten a través de la fase verde. Este mecanismo de fragmentación es transparente para los demás participantes de la red Ethernet y, por lo tanto, no es detectable.

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 se implementa mediante el Protocolo de Tiempo de Precisión (PTP) según la norma IEEE 1588-2008 (1588 V2) . Por lo tanto, todos los dispositivos involucrados en la reserva de ancho de banda deben estar en el mismo dominio temporal.

Para aplicaciones de control de posición en varios ejes o para procesos de posicionamiento según el perfil de accionamiento PROFIdrive ^{[ 16 ]} de las clases de aplicación 4 a 6, no solo debe ser oportuna la comunicación, sino que también deben coordinarse y sincronizarse las acciones de los distintos accionamientos en un Profinet . La sincronización del reloj del programa de aplicación con el ciclo del bus permite implementar funciones de control que se ejecutan de forma síncrona en dispositivos distribuidos.

Si varios dispositivos Profinet están conectados en cadena ( en serie ), es posible optimizar aún más el intercambio cíclico de datos mediante el Empaquetado Dinámico de Tramas (DFP). Para ello, el controlador coloca todos los datos de salida de todos los dispositivos en una única trama IRT. Al pasar la trama IRT, cada dispositivo extrae los datos que le corresponden, es decir, la trama IRT se va acortando progresivamente. La trama IRT se ensambla dinámicamente para los datos que los distintos dispositivos envían al controlador. La gran eficiencia del DFP reside en que la trama IRT siempre tiene la extensión justa y necesaria, y en que los datos del controlador a los dispositivos se pueden transmitir en dúplex completo simultáneamente con 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 proporcionan utilizando los mecanismos de redes sensibles al tiempo (TSN, por sus siglas en inglés) definidos por el IEEE.

La Interfaz de Servicio Remoto (RSI) se utiliza como reemplazo del conjunto de protocolos de Internet . Por lo tanto, esta aplicación de 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 distintas características que pueden combinarse casi arbitrariamente para cada aplicación. Para su uso en automatización industrial , se compila un subconjunto en la norma IEC/IEEE 60802 "Joint Profile TSN for Industrial Automation". Otro subconjunto se utiliza en la versión 2.4 de la especificación Profinet para la implementación de la clase D. ^{[ 22 ]}

En esta especificación se establece una distinción entre dos aplicaciones:

• Intercambio de datos cíclico isócrono con un tiempo de latencia corto y limitado (Isochronous Cyclic Real Time) para aplicaciones en control de movimiento y tecnología de control distribuido.
• Intercambio cíclico de datos con tiempo de latencia limitado (tiempo real cíclico) para tareas de automatización generales.

Para el intercambio de datos isócrono, los relojes de los participantes deben estar sincronizados. Para ello, se adaptan las especificaciones del Protocolo de Tiempo de Precisión según la norma IEC 61588 para la sincronización horaria con TSN ^{[ 23 ] .}

Los telegramas se organizan en colas según las prioridades indicadas en la etiqueta VLAN . El modelador de tiempo (TAS) ^{[ 24 ]} especifica un pulso de reloj con el que se procesan las colas individuales en un conmutador. Esto da lugar a un procedimiento de ranura de tiempo en el que los datos cíclicos isócronos se transmiten con la máxima prioridad, seguidos de los datos cíclicos con la segunda prioridad, antes que todos los datos acíclicos. Esto reduce la latencia y la fluctuación (jitter) de los datos cíclicos. Si un telegrama de datos de baja prioridad se prolonga demasiado, puede ser interrumpido por un telegrama de datos cíclico de alta prioridad y transmitido posteriormente. Este procedimiento se denomina preemption de trama ^{[ 25 ]} y es obligatorio para CC-D.