Omfattande analys av PROFINETs protokollarkitektur, arbetsprincip, fördelar och nackdelar

PROFINET är ett kommunikationsprotokoll som används av industriella automationssystem. Det är ett Ethernet-baserat protokoll som tillåter kommunikation mellan industriella styrsystem och enheter som sensorer, ställdon och andra styrenheter. Utvecklat av PROFIBUS International, är PROFINET ett allmänt använt protokoll inom tillverkning och industriell automation. För närvarande har PROFINET blivit ett av de vanliga kommunikationsprotokollen inom området industriell automation och har använts i stor utsträckning i olika industriella automationsutrustningar och system. Enligt statistik, från och med 2019, finns det mer än 250 000 PROFINET IO-noder och mer än 5 miljoner PROFINET IO-enheter i bruk runt om i världen. PROFINET används också mer och mer allmänt inom olika industrier, såsom tillverkning, fordonsindustri, livsmedels- och dryckesindustri, energi- och vattenreningsindustri, etc.

Arkitektur av PROFINET

PROFINET använder skiktad arkitektur, inklusive fysiskt skikt, datalänkskikt, nätverksskikt och applikationslager. Det fysiska lagret av PROFINET använder standard Ethernet-kablar och kontakter för att stödja flera överföringshastigheter och avstånd. Datalänkslagret i PROFINET använder PROFINET IO-protokollet, som stöder dataöverföring i realtid och nätverkshantering. Nätverkslagret i PROFINET använder TCP/IP-protokoll och stöder olika nätverkstopologier och routingstrategier. Applikationsskiktet i PROFINET använder PROFINET-protokollet för att stödja kommunikation och samarbete mellan olika enheter och styrenheter.

Hur PROFINET fungerar

Enhetsanslutning och automatisk identifiering: Enheterna i PROFINET-nätverket är anslutna via det fysiska Ethernet-lagret och stöder automatisk identifiering och automatiska konfigurationsfunktioner. När en enhet ansluter sig till PROFINET-nätverket kan PROFINET-styrenheten automatiskt identifiera den nya enhetens typ, adress, attribut och annan information och automatiskt konfigurera IP-adress, MAC-adress, nätverksparametrar etc. för den.

Kommunikationsprotokoll och dataöverföring: PROFINET kommunikationsprotokoll är baserat på Ethernet-Teknik, antar TCP/IP-protokollstack, och optimerar och expanderar utifrån detta. PROFINET kommunikationsprotokoll stöder överföring av olika datatyper, såsom icke-realtidsdata, realtidsdata, styrdata och feldiagnosdata. I PROFINET-nätverket kan dataöverföring realiseras på tre sätt: IO-datakommunikation, TCP/IP-datakommunikation och realtidsdatakommunikation.

Kommunikationsmekanism i realtid: PROFINET använder en kommunikationsmekanism i realtid, som kan realisera höghastighets, pålitlig och exakt realtidsdataöverföring. PROFINET stöder två kommunikationsmekanismer i realtid, nämligen PROFINET RT och PROFINET IRT. PROFINET RT är lämplig för överföring av data med låg latens och hög hastighet i realtid, såsom applikationer för rörelsekontroll; PROFINET IRT är lämplig för högprecisionsstyrning och övervakningsapplikationer, såsom temperaturkontroll, flödeskontroll, etc. Realtidskommunikationsmekanismen kan implementeras genom periodisk kommunikation mellan PROFINET IO-enheter och PROFINET I/O-styrenheter.

Nätverkstopologi och redundansmekanism: PROFINET-nätverket stöder flera topologier, såsom stjärna, buss, ring, träd, etc. Olika topologier kan uppfylla olika applikationskrav och nätverksprestandakrav. Samtidigt stöder PROFINET även redundansmekanismer, som kan förbättra nätverkets tillförlitlighet och stabilitet, såsom enhetsredundans, sökvägsredundans och portredundans.

Som ett industriellt automationskommunikationsprotokoll har PROFINET följande fördelar och nackdelar:

fördel:

Effektivitet: PROFINET är baserat på Ethernet-teknik, och har optimerats och utökats utifrån detta, så det har hög effektivitet. Den stöder höghastighets, tillförlitlig och exakt realtidsdataöverföring och nätverkskommunikation, och kan uppfylla kommunikationskraven i realtid och icke-realtid inom området industriell automation.

Flexibilitet: PROFINET stöder en mängd olika nätverkstopologier, inklusive stjärna, buss, ring, träd, etc., som kan väljas flexibelt enligt olika applikationskrav och krav på nätverksprestanda. Samtidigt stöder PROFINET även flera redundansmekanismer, såsom enhetsredundans, sökvägsredundans, portredundans, etc., för att förbättra nätverkets tillförlitlighet och stabilitet.

Skalbarhet: PROFINET är ett skalbart kommunikationsprotokoll som kan stödja många olika enheter och applikationer, såsom sensorer, ställdon, robotar, automationssystem, etc. Samtidigt kan det också stödja en mängd olika datatyper och protokoll, inklusive icke -realtidsdata, realtiddata, styrdata och feldiagnosdata.

Lätt att integrera: Enheter i PROFINET-nätverket kan snabbt integreras och konfigureras genom automatisk identifiering och automatiska konfigurationsfunktioner, vilket minskar svårigheten med enhetsinstallation och felsökning, och förbättrar produktionseffektiviteten och arbetseffektiviteten.

brist:

Komplexitet: Som ett avancerat kommunikationsprotokoll har PROFINET högre inlärnings- och implementeringskostnader än andra enkla protokoll. Dessutom kräver konfigurationen och underhållet av PROFINET-nätverk också hög kompetens och erfarenhet, och professionella ingenjörer och tekniker krävs för support och ledning.

Kostnad: PROFINET-nätverket kräver höga hård- och mjukvarukostnader, inklusive PROFINET-kontroller, PROFINET IO-enheter, nätverksväxlar etc. Samtidigt måste PROFINET-enheter och applikationer också autentiseras och auktoriseras, och motsvarande avgifter måste betalas.

Säkerhet: Säkerheten för PROFINET-nätverkskommunikation kräver speciell konfiguration och hantering, inklusive brandvägg, datakryptering, autentisering, etc. Om säkerhetsåtgärder inte är på plats kan PROFINET-nätverk utsättas för säkerhetshot och attacker.

Sammanfattningsvis har PROFINET-protokollet fördelarna med hög prestanda, hög tillförlitlighet, interoperabilitet och visualisering, men det har också nackdelar som komplexiteten i konfiguration och underhåll, behovet av specialutrustning, säkerhetsproblem och begränsningar i driftsättningen. När du använder PROFINET-protokollet är det nödvändigt att noggrant överväga dess fördelar och nackdelar och välja ett lämpligt tillämpningsscenario och faktiska behov.

I framtiden omfattar utvecklingsriktningen för PROFINET huvudsakligen följande aspekter:

Anpassa sig till industri 4.0:s behov: Med den snabba utvecklingen av industri 4.0 kommer PROFINET att ägna mer och mer uppmärksamhet åt sammankopplingen mellan enheter och delning av data, och kommer att ägna mer uppmärksamhet åt interoperabilitet och mångsidighet, vilket ger mer flexibel, effektiv och intelligent lösning.

Stärk säkerheten: Med den kontinuerliga utvecklingen av industriell automation blir nätverkssäkerhetshot och attacker allt vanligare. PROFINET kommer att ägna mer uppmärksamhet åt säkerheten för nätverkskommunikation och tillhandahålla mer omfattande säkerhetsåtgärder.

Förbättring av realtidsprestanda och prestanda: PROFINET kommer att fortsätta att förbättra realtidsprestanda och prestanda, tillhandahålla högre dataöverföringshastigheter och lägre latens för att möta realtids- och prestandakraven för industriell automationsutrustning och -system.

Stärka intelligens och visualisering: PROFINET kommer att ytterligare förbättra intelligens- och visualiseringsfunktionerna, tillhandahålla fler övervaknings-, diagnos- och prediktionsfunktioner och realisera intelligent hantering och underhåll av utrustning och system.

Utöka tillämpningsområdet: PROFINET kommer att utöka tillämpningsområdet ytterligare och involvera fler industrier och områden, såsom medicin, flyg, robotteknik, etc.

Kort sagt, som ett avancerat kommunikationsprotokoll för industriell automation kommer PROFINET att fortsätta att spela en viktig roll i framtiden och främja kontinuerlig innovation och utveckling inom området industriell automation.