PROFINET

PROFINET steht für „Process Field Network“ und ist der Industrial-Ethernet-Standard der Nutzerorganisation PROFIBUS & PROFINET International. Vereinfacht gesagt: Es nimmt das ganz normale Ethernet, das du aus dem Büronetz kennst, und macht es tauglich für die Steuerung von Maschinen.

Warum überhaupt Ethernet? Lange Zeit liefen Anlagen über klassische Feldbusse – serielle Systeme mit eigenen Kabeln, eigenen Steckern und begrenzter Datenrate. Der bekannteste Vertreter im deutschsprachigen Raum war PROFIBUS. Solche Feldbusse funktionieren zuverlässig, stoßen aber an Grenzen, wenn größere Datenmengen, höhere Geschwindigkeiten oder die Anbindung an übergeordnete IT-Systeme gefragt sind. (PROFIBUS wird in einem eigenen Beitrag behandelt – hier reicht, dass du ihn als seriellen Vorgänger einordnest.) Bei der Modernisierung einer bestehenden Anlage – einem sogenannten Retrofit – werden in der Praxis häufig die alten violetten PROFIBUS-Leitungen durch die grünen PROFINET-Leitungen ersetzt, etwa um die Anlage durchgängig bis ins firmeneigene Leitsystem anzubinden.

Ethernet bringt von Haus aus 100 Mbit/s oder mehr, ist weltweit verbreitet, günstig und lässt sich nahtlos mit der Bürowelt verbinden. Genau diese Durchgängigkeit von der Maschine bis zur Leitebene ist der große Vorteil.

Das Problem: Standard-Ethernet wurde nie für die Anlage entworfen. Es ist nicht deterministisch – das heißt, es garantiert nicht, dass ein Datenpaket in einer fest vorhersagbaren Zeit ankommt. Im Büro stört es niemanden, wenn eine E-Mail eine Zehntelsekunde später eintrifft. Bei einer Maschine, die im Millisekundentakt Achsen koordiniert, ist eine unvorhersehbare Verzögerung dagegen ein echtes Problem. Dazu kommen industrielle Anforderungen wie Robustheit gegen elektromagnetische Störungen, Vibration und Temperatur.

PROFINET schließt diese Lücke. Es behält die Ethernet-Hardware bei – Switches, RJ45, Standard-Netzwerkkarten – ergänzt aber ein Echtzeitkonzept und ein klares Rollenmodell, damit Determinismus und Robustheit entstehen. Man kann sich PROFINET als ein Regelwerk vorstellen, das auf der vorhandenen Ethernet-Infrastruktur aufsetzt, statt sie zu ersetzen.

Bei PROFINET hat jedes Gerät eine klar definierte Rolle. Es gibt drei davon, und wer sie versteht, hat das halbe System verstanden.

Der IO-Controller ist der aktive Teilnehmer, der den Datenaustausch steuert. In der Praxis ist das fast immer die SPS. Er fordert Eingangsdaten an und gibt Ausgangsdaten vor – er ist der Dirigent.

Das IO-Device ist ein dezentrales Feldgerät: eine Ein-/Ausgabebaugruppe, ein Antrieb, ein Sensor- oder Aktorblock. Es liefert dem Controller seine Eingangswerte und setzt dessen Ausgangsbefehle um. Ein Netzwerk hat meist einen Controller und viele Devices.

Der IO-Supervisor ist ein Programmiergerät oder PC, der zur Inbetriebnahme, Parametrierung und Diagnose verwendet wird. Er greift nicht in den laufenden Steuerungsbetrieb ein, sondern beobachtet und konfiguriert. Typisch ist das der Laptop mit dem Engineering-Tool.

Damit Controller und Device überhaupt geordnet Daten tauschen, wird beim Anlauf eine logische Verbindung aufgebaut. Diese Gesamtbeziehung heißt Application Relation (AR). Innerhalb einer AR gibt es eine oder mehrere Communication Relations (CR) – das sind die einzelnen „Kanäle“ für bestimmte Datenarten. Man unterscheidet dabei vor allem zwei Datenflüsse:

Der zyklische Datenaustausch läuft ununterbrochen im festen Takt. Hier wandern die Prozessdaten – Eingänge und Ausgänge – ständig hin und her, ohne dass jedes Mal eine neue Anforderung nötig wäre. Das ist das Herz der Steuerung.

Der azyklische Datenaustausch geschieht nur bei Bedarf: Parameter schreiben, Diagnosedaten abrufen, einen Datensatz lesen. Diese Daten sind nicht zeitkritisch und werden bei Gelegenheit übertragen.

PROFINET nutzt nicht für alle Daten denselben Weg. Je nachdem, wie zeitkritisch eine Information ist, kommt eine andere Übertragungsart zum Einsatz. Man unterscheidet drei Echtzeitklassen.

NRT (Non-Real-Time) is der gewöhnliche TCP/IP-Verkehr. Hierüber laufen alle unkritischen Daten: Parametrieren, Diagnose abrufen, Zugriff auf den Webserver eines Geräts, Datenaustausch mit übergeordneten Systemen. Der vollständige TCP/IP-Stack sorgt für gesicherte Übertragung, kostet aber Zeit und ist nicht determiniert. Für Aufgaben im Bereich von einigen hundert Millisekunden völlig ausreichend.

RT (Real-Time) ist der Standard-Echtzeitkanal für die Prozessdaten. Der Trick: Die Frames laufen nicht durch den schwerfälligen TCP/IP-Stack, sondern werden direkt auf Ethernet-Ebene mit einer eigenen Kennung priorisiert behandelt. Dadurch fällt der Overhead weg und die Daten kommen schneller und planbarer an. RT deckt den Großteil der typischen Steuerungsaufgaben ab, mit Zykluszeiten im Bereich weniger Millisekunden.

IRT (Isochronous Real-Time) ist die höchste Klasse und wird gebraucht, wenn es auf Takt-Synchronität ankommt – etwa bei Motion Control, wo mehrere Achsen exakt im Gleichschritt fahren müssen. Hier wird der Sendezyklus fest in Zeitabschnitte unterteilt: Ein reservierter Bereich ist ausschließlich für die hochpräzisen IRT-Frames vorgesehen, der übrige Bereich bleibt für RT- und NRT-Verkehr offen. Dadurch entsteht echte Isochronität – die Daten kommen nicht nur schnell, sondern zu einem exakt vorhersagbaren Zeitpunkt. IRT erreicht Zykluszeiten von unter einer Millisekunde mit sehr geringem Jitter, erfordert aber spezielle Hardware in den Geräten.

Die Grundidee dahinter: Je deterministischer es sein muss, desto mehr weicht PROFINET vom „offenen“ Ethernet-Verhalten ab und reserviert feste Zeitfenster.

Damit Geräte sich im Netz finden, brauchen sie eine eindeutige Identität. PROFINET arbeitet dabei mit drei Ebenen, von denen eine die zentrale Besonderheit ist.

Die MAC-Adresse ist die fest eingebrannte Hardware-Adresse jeder Ethernet-Schnittstelle. Sie ist weltweit eindeutig und wird vom Hersteller vergeben – daran lässt sich nichts ändern.

Die IP-Adresse ist die logische Netzwerkadresse, über die TCP/IP-Kommunikation läuft. Bei PROFINET wird sie aber in der Regel nicht von Hand am Gerät eingestellt, sondern automatisch vom Controller zugewiesen.

Der eigentliche Schlüssel ist der PROFINET-Gerätename. Anders als bei reinem Ethernet identifiziert PROFINET seine Teilnehmer in erster Linie über einen eindeutigen Namen, nicht über die IP-Adresse. Dieser Name wird über das DCP (Discovery and Configuration Protocol) vergeben und im Gerät gespeichert. Der Ablauf beim Anlauf: Der IO-Controller sucht im Netz nach dem projektierten Gerätenamen, findet das passende Gerät, weist ihm anhand der Projektierung die IP-Adresse zu und baut die Kommunikation auf. Der Name ist also das, was Projektierung und reale Hardware verbindet – ein Gerät ohne korrekten Namen wird vom Controller schlicht nicht erkannt.

Genau hier kommt die GSDML-Datei ins Spiel. GSDML steht für „General Station Description Markup Language“. Es handelt sich um eine Gerätebeschreibungsdatei im XML-Format, die der Gerätehersteller mitliefert. Sie beschreibt maschinenlesbar alles, was das Engineering-System über das Gerät wissen muss: welche Module und Submodule es besitzt, welche Ein- und Ausgangsdaten es bereitstellt, welche Parameter einstellbar sind, welche Diagnosemöglichkeiten existieren und welche Echtzeitklassen unterstützt werden.

Zur eindeutigen Zuordnung enthält die GSDML Identifikationsnummern, vor allem die Vendor ID (Herstellerkennung) und die Device ID (Gerätekennung). Über diese beiden Nummern erkennt das Engineering-System zweifelsfrei, um welches Gerät es sich handelt.

Der praktische Ablauf bei der Projektierung sieht so aus: Man lädt die zum Gerät passende GSDML-Datei vom Hersteller herunter und importiert sie in das Engineering-Tool. Damit erscheint das Gerät im Hardware-Katalog des Tools und lässt sich per Drag-and-drop in die Anlagenkonfiguration ziehen, parametrieren und mit einem Gerätenamen versehen. Die GSDML ist damit das Bindeglied zwischen der realen Hardware und der Software-Projektierung – ohne sie kennt das Engineering-System das Gerät nicht.

In der Praxis: Beim Einbinden von Fremdgeräten scheitert die Inbetriebnahme erstaunlich oft nicht an der Verdrahtung, sondern an der GSDML. Typische Fallen: Es wird eine veraltete Version der Datei verwendet, die die tatsächliche Firmware des Geräts nicht abbildet, oder es fehlt die passende GSDML ganz, weil sie nicht vom Hersteller besorgt wurde. Wer vor der Inbetriebnahme prüft, dass die GSDML-Version zur Geräte-Firmware passt, erspart sich an der Maschine viel Sucherei.

Bei der physikalischen Verkabelung zeigen sich einige PROFINET-Besonderheiten, die in der Praxis über Erfolg oder Ärger entscheiden.

Auffällig ist zunächst, dass viele PROFINET-Geräte einen integrierten Switch mit zwei oder mehr Ports besitzen. Das ist der Grund, warum sich Geräte in der Anlage einfach hintereinander „durchschleifen“ lassen, ohne dass an jeder Station ein separater Switch im Schaltschrank stehen muss. Erst diese eingebauten Switches machen die in der Industrie so beliebte Linienverkabelung praktikabel – das Kabel geht von Gerät zu Gerät weiter. (Topologien als allgemeines Konzept gehören zu den Grundlagen industrieller Kommunikation; hier zählt die PROFINET-Eigenheit der integrierten Switches.)

Für hohe Verfügbarkeit lässt sich die Linie zu einem Ring schließen und mit Medienredundanz (MRP, Media Redundancy Protocol) absichern. Im Normalbetrieb ist der Ring an einer Stelle logisch aufgetrennt, sodass keine Schleife entsteht. Fällt eine Leitung oder ein Gerät aus, schaltet der sogenannte Redundanz-Manager den unterbrochenen Pfad in kurzer Zeit frei – die Kommunikation läuft über den anderen Weg weiter. So übersteht die Anlage einen einzelnen Leitungsbruch ohne Stillstand.

Bei den Leitungen und Steckern gelten klare Vorgaben. PROFINET-Leitungen sind üblicherweise an ihrer grünen Mantelfarbe erkennbar. Je nach Verlegung unterscheidet man Typen:

Bei den Steckverbindern trifft man im Wesentlichen auf zwei Bauformen: RJ45 wird im geschützten Schaltschrankbereich (IP20) eingesetzt, während im Feld unter rauen Bedingungen der robustere M12-Steckverbinder verwendet wird. Hier ist die Codierung entscheidend – D-codierte M12-Stecker für die üblichen 100-Mbit/s-Verbindungen, X-codierte M12-Stecker für High-Speed-Anwendungen mit höherer Datenrate.

Für die Diagnose bietet PROFINET mehrere Ebenen. An den Geräten geben LEDs schon vor Ort Auskunft über Verbindungs- und Fehlerzustände. Viele Geräte haben einen integrierten Webserver, den man im Browser aufruft, um Status und Diagnosedaten zu sehen. Im Engineering-Tool selbst lassen sich Diagnosemeldungen zentral auswerten – ein ausgefallenes Modul oder ein gestörter Kanal wird dort gemeldet und lässt sich gezielt eingrenzen.

In der Praxis: Ein Klassiker bei der Fehlersuche ist die falsche Steckercodierung oder der falsche Leitungstyp. Wird zum Beispiel in einer Schleppkette eine starre Typ-A-Leitung statt einer beweglichen Typ-C-Leitung verlegt, bricht der Mantel nach einigen tausend Bewegungszyklen, und es kommt zu sporadischen Verbindungsabbrüchen, die sich nur schwer einkreisen lassen. Ähnlich tückisch: ein D-codierter Stecker, wo ein X-codierter hingehört. Wer beim Aufbau auf den richtigen Leitungstyp und die passende Codierung achtet, vermeidet genau diese schwer auffindbaren Aussetzer.