PROFINET-Topologie

PROFINET-Topologie für Flexibilität im Netzwerk

PROFINET hat sich als offener Industrial-Ethernet-Standard etabliert. Neben dem Aufbau von einer reinen PROFINET-Topologie ist auch die Kombination von PROFINET- und PROFIBUS-Komponenten möglich. Das ist vorteilhaft, wenn es um die Erweiterung und Leistungssteigerung vorhandener PROFIBUS-Installationen geht. PROFINET-Geräte können bei entsprechender Auslegung leichter ausgetauscht und adressiert werden, wodurch der Aufwand bei Änderungen des Netzwerkes sinkt. Der PROFINET-Standard erlaubt neben der klassischen Linien-Topologie auch Ring-, Stern- und Baum-Topologien. PROFINET wurde in den Normen IEC 61158 und IEC 61784 spezifiziert.

PROFINET CBA und PROFINET IO

Bei den Informationen und Angaben über PROFINET ist zwischen PROFINET CBA und PROFINET IO zu unterscheiden. Mit den beiden PROFINET-Varianten werden unterschiedliche Ansätze verfolgt. PROFINET CBA (Component based Automation) wur2001 spezifiziert und geht von einer Verteilung der Automatisierungsaufgabe auf mehrere ausreichend intelligente Geräte aus. In der Praxis durchgesetzt hat sich PROFINET IO. PROFINET IO bildet die Kommunikation zwischen einer zentralen Steuerung und den dezentralen Feldgeräten mit einem Provider-Consumer-Modell ab. In 2020 zählte Profibus & PROFINET International (PI) weltweit 32,4 Millionen PROFINET-Knoten. PROFINET IO ist führender Standard im Bereich der Industrial-Ethernet-Netzwerke und baut seine Position weiter aus.

Geräteklassen in der PROFINET-Topologie

Der PROFINET-Standard unterscheidet drei Geräteklassen. Eine SPS, die zur Steuerung der Automatisierungsaufgabe in einer PROFINET-Topologie eingesetzt wird, wird als IO-Controller bezeichnet. Das IP-Netzwerk einer PROFINET-Topologie kann mehrere IO-Controller umfassen. Die eingebundenen Feldgeräte werden als IO-Device bezeichnet und kommunizieren entsprechend der PROFINET-Topologie mit den zugeordneten IO-Controllern. Die dritte Geräteklasse, IO-Supervisor, beinhaltet die Engineering-Werkzeuge für Parametrierung und Diagnose der IO-Devices. Programmierung, Parametrierung und Diagnose erfordern für den Nutzer einen Bildschirm und Eingabewerkzeuge, wie Tastatur, Maus, Touchpad und Touchscreen. In Frage kommen mobile und feste Geräte, wie PC, Laptop, Programmiergerät und HMI-System (Human-Machine-Interface).

IO-Device - managed Switch mit 6 Ports. Montage im Schaltschrank (IP20).

Datenverkehr - zyklisch und azyklisch

Für den Transport der Daten im Rahmen der Kommunikation zwischen den Netzwerkteilnehmern unterscheidet PROFINET die Arten des Datenverkehrs. Als Grundlage der Kommunikation werden zwischen dem IO-Controller und den IO-Devices in einstellbaren Abständen I/O-Daten und Statusinformationen ausgetauscht. Diese Kommunikation wird mit zyklischer Datenverkehr bezeichnet. Er kann zu einer hohen Netzlast führen. Zur Reduzierung der Netzlast kann der Datenquerverkehr eingesetzt werden. Für Konfiguration, Parametrierung und Diagnose der PROFINET-Geräte wird der azyklische, nur gelegentlich auftretende Datenverkehr genutzt. Eine spezielle Form der Kommunikation ist der ereignisgesteuerte Datenverkehr, der das Alarmkonzept des Standards umsetzt. Alarmmeldungen sind schnell, mit hoher Priorität und unter Bereitstellung der nötigen Speicherkapazitäten in den Netzwerkknoten zu transportieren, um eine sichere Umsetzung des Ereignisses zu gewährleisten.

Planung der PROFINET-Topologie

Die Planung des Automatisierungsvorhabens läuft in mehreren Schritten ab. Eine detaillierte Beschreibung findet sich in der Planungsrichtlinie der PROFIBUS Nutzerorganisation. Die systematische Planung erleichtert spätere Erweiterungen des Netzwerkes und erhöht die Investitionssicherheit. Sie schafft eine solide Grundlage, um frühzeitig über den Einsatz hochwertiger Komponenten, wie managed Switches, zu entscheiden, die die Anpassung des Netzwerkes auf eine höhere Verfügbarkeit ermöglichen.

PROFINET-Topologie aus Grundformen aufbauen

Wurden im vorangegangenen Planungsschritt die Komponenten der Anlage bestimmt, wie IO-Controller und IO-Devices, kann mit der Planung der PROFINET-Topologie begonnen werden. Die Topologien Linie, Baum, Ring und Stern werden von PROFINET unterstützt. Sie können in einer Installation zu komplexen Netzwerkstrukturen kombiniert werden. Jede dieser Grundformen hat ihre Vor- und Nachteile, die bei der Planung der PROFINET-Topologie zu berücksichtigen sind.

Fertigungseinrichtungen sind je nach Produkt hochgradig individuell aufgebaut. Maschinen und Fördereinrichtungen mit unterschiedlichen Abmessungen müssen in räumlich begrenzten Verhältnissen untergebracht werden. Dadurch entsteht eine große Vielfalt von Anordnungen, die mit dem Netzwerk anzubinden sind. PROFINET bietet durch die einfache Kombination der Grundtopologien Stern, Baum, Linie und Ring die Möglichkeit, auf alle diese Anforderungen an die Topologie angemessen zu reagieren.

IO-Device - managed Switch mit 5 Ports. Montage im Feld (IP67).

Linien-Topologie

Die Linien-Topologie bietet sich in weitläufigen Werkhallen mit linienartig angeordneten Maschinen an. Die Knoten der Linien-Topologie sind in Form einer Linie miteinander verbunden. Sie bilden eine Folge von Punkten, durch die das Signal fließt. An den Knoten sind PROFINET-Switches (externe Switches) anzubringen, die das Signal an den nächsten Abschnitt der Linien-Topologie weiterleiten und gleichzeitig der Anbindung des PROFINET-Feldgerätes dienen. Wenn das anzubindende PROFINET-Feldgerät über einen integrierten Switch verfügt, kann auf den externen Switch verzichtet werden. Die Zahl der Komponenten im Netzwerk reduziert sich und der Installations- und Pflegeaufwand wird vermindert. Dieser Vorteil sollte bei der Kalkulation berücksichtigt werden. Der geringere Verkabelungsaufwand macht die Linien-Topologie zusätzlich interessant. Die Gesamtlänge der zu verlegenden Kabel ist bei einer Stern-Topologie mit weit auseinander liegenden Endknoten viel größer als bei einer Verbindung per Linien-Topologie.

Ring-Topologie

Die Ring-Topologie ergibt sich durch eine einfache Verbindung des Endpunktes der Linien-Topologie mit dem übergeordneten Netzwerkknoten. Mit der standardisierten PROFINET-Topologie ist der Aufbau einer Ringredundanz möglich, die die Verfügbarkeit gegenüber der Linien-Topologie steigert. Die Redundanzunterstützung erfordert den Einsatz von managed Switches. Dies ist bei der Planung der einzusetzenden PROFINET-Komponenten zu beachten. Ring-Topologien lassen sich auch in Baumstrukturen abbilden, um ein hochverfügbares System aufzubauen. Jeder Verteilerknoten mit einem Switch erhält in diesem Fall einen weiteren Netzwerkknoten zugeordnet, der aus einem als Redundanzmanager konfigurierten managed Switch besteht und mit separaten, redundanten Leitungen angeschlossen ist.

Stern-Topologie

Die Stern-Topologie ergibt sich aus dem Anschluss mehrerer PROFINET-Geräte an einen zentralen Switch, der als Verbindungsglied zu den übergeordneten Netzwerksegmenten dient. Die Zahl der anzuschließenden PROFINET-Geräte ist durch die Anzahl der freien Steckplätze am Switch begrenzt. Bei großen Installationen mit vielen Teilnehmern kann die Stern-Topologie von Vorteil sein, um die Linientiefe gegenüber der Anordnung der Teilnehmer in einer Linien-Topologie zu verringern.

Baum-Topologie

Die Baum-Topologie ermöglicht die Abbildung funktionaler Zusammenhänge zwischen Teilen der Anlage. Die Gliederung von Maschinen und Anlagen in Fertigungsinseln ist eine bewährte Maßnahme bei der Einrichtung einer Produktionsstätte. Mit einer Baumstruktur, die einer Verkettung von PROFINET-Switches mit untergeordneten Stern-Topologien entspricht, können die einzelnen Fertigungsinseln in der physikalischen Struktur des Netzwerkes abgebildet werden. Ein wichtiger Vorteil liegt in der einfachen Erweiterbarkeit von Segmenten der Baum-Topologie. PROFINET teilt den Nachrichtenstrom entsprechend der Adressierung auf.

Nachrichten werden nur dann an einen untergeordneten Sternknoten im Baum weitergeleitet, wenn das adressierte PROFINET-Gerät in diesem Segment enthalten ist.

Anforderungen an die PROFINET-Topologie

Die Gestaltung der Topologie des mit PROFINET in der konkreten Anwendung betriebenen Netzwerkes richtet sich nach einer Reihe von Anforderungen, die zu befriedigen sind, um einen reibungslosen Ablauf und die nötige Datenqualität sicherzustellen.

Räumliche Anordnung der PROFINET-Geräte

Die Anordnung der Netzwerkkomponenten in der Fertigungshalle richtet sich nach den Gegebenheiten vor Ort. Fahr- und Transportwege müssen überbrückt werden. Ausreichende Abstände von Maschinen und Werkstücken mit hohen Temperaturen sind einzuhalten, um die empfindlichen Komponenten zu schützen. Soweit keine Versorgung der Komponenten per PoE (Power over Ethernet) möglich ist, also über das Netzwerkkabel, ist der räumliche Abstand zur Stromversorgung ein Kriterium.

Hochbelastbare PROFINET-Komponenten, wie I/O-Module mit Metallgehäuse, ermöglichen das Verlegen des Netzwerkes bis in Fertigungsbereiche, in denen Schweißspritzer und aggressive Medien die Netzwerkkomponenten beanspruchen.

Abbildung MVK PROFINET Kompaktmodul, Metallausführung

Zur Planung gehört die Prüfung der Linientiefe, d.h. die Zahl der Switches zwischen einem IO-Controller und dem betrachteten IO-Device. Jeder Switch verzögert die Datenübertragung durch seine internen Abläufe. Eine hohe Linientiefe kann zu inakzeptablen Übertragungszeiten der Daten vom IO-Device zum IO-Controller führen.

Primäre Kommunikationsstrecke einrichten

In der Planungsrichtlinie des Dachverbandes PI (PROFIBUS & PROFINET International) wird empfohlen, eine primäre Kommunikationsstrecke einzurichten, die die Hauptlast der PROFINET-Kommunikation trägt. Auf der primären Kommunikationsstrecke sollten managed Switches mit PROFINET-Zertifikat eingesetzt werden.

Die Einrichtung der primären Kommunikationsstrecke als zentraler Teil des gesamten Netzwerkes mit leistungsfähigen Switches vereinfacht und sichert die langfristige Nutzung und die einfache Anbindung zusätzlicher Netzwerksegmente. Managed Switches ermöglichen die Übertragung von Diagnoseinformationen per OpenVPN. Die Fähigkeit der primären Kommunikationsstrecke, Diagnoseinformationen zu übertragen, sichert den zukünftigen Ausbau der Netzwerkinfrastruktur, selbst wenn zu Beginn noch keine Diagnose durchgeführt wird.

Multiprotokoll-Komponenten schaffen Flexibilität und Investitionssicherheit

Neben PROFINET hat sich EtherNet/IP zu einem der bedeutenden Industrial Ethernet-Protokolle entwickelt. Komponenten, wie I/O-Module, die sowohl PROFINET wie auch EtherNet/IP unterstützen, schaffen Flexibilität bei der Verwendung in verschiedenen Netzwerken. Ist eine spätere Umstellung auf ein anderes Netzwerkprotokoll nicht auszuschließen, steigt die Investitionssicherheit durch den Einsatz von Multiprotokoll-Komponenten.

Abbildung I/O-Modul SOLID67 IOL8 60mm M12L 5P

PROFINET-Topologie und IO-Link

Die einfache Einbindung von IO-Link-Geräten in das PROFINET kann mit Verteilern durchgeführt werden, die beide Standards unterstützen.

Abbildung PROFINET, Kompaktmodul, IO-Link

Entfernungen und Leitungslängen

Die Auswahl der Topologie für die gesamte Struktur eines PROFINET-basierten Netzwerkes wie für einzelne Segmente muss die maximal unterstützte Übertragungslänge der ausgewählten Leitertechnologie berücksichtigen. Für Kupferkabel mit maximal vier Steckverbindungen liegt sie bei 100 m (PROFINET-End-to-End-Link). Zu den Steckverbindungen zählen Stecker an Geräten innerhalb und außerhalb des Schaltschrankes und Kupplungen, beispielsweise Stecker-Buchse-Verbindungen in Steckdosen zur Wanddurchführung von Netzwerkkabeln.

Abbildung RJ45 Heavy Duty Stecker 90° oben 8pol. PROFINET

Angaben zur Berechnung der zulässigen Leitungslängen für verschiedene Channel-Klassen (Class D, Class E, Class F) sind in ISO/IEC 11801 Table 21 zu finden. Die Länge der Patchkabel verringert die zur Verfügung stehende Länge des Installationskabels (Verlegekabel). Mit Lichtwellenleitern (LWL) sind wesentlich größere Übertragungslängen zu erzielen. Je nach geplanter Installation und zu überbrückenden Strecken ist über die Mehrkosten für LWL-Verbindungen zu entscheiden.

Bei der Budgetplanung für die Netzwerkinfrastruktur sind Einsparungen, die durch erhöhte Leistungsfähigkeit der eingesetzten PROFINET-Komponenten erreicht werden können, einzukalkulieren. Sind beispielsweise Motoren über das Netzwerk an die Steuerung anzubinden, reduzieren sich die Aufwände für Schaltkästen, die im Feld in der Nähe der Motoren eingespart werden können.

Abbildung Cube67+ E/A Erweiterungsmodul MOVIMOT

PROFINET-Topologie und EMV

Die gemeinsame Verlegung von Energie- und Datenleitungen ist eine Option, die zur Verringerung der Kosten der Netzwerkinfrastruktur und zur verbesserten Ausnutzung vorhandener Kabelschächte und -trassen eingesetzt werden kann. Bestehen die PROFINET-Leitungen aus Kupfer, sind die Hinweise in der PROFINET-Montagerichtlinie der PI zur gemeinsamen Verlegung mit Energieleitungen umzusetzen.

Potenzialtrennung in der PROFINET-Topologie

Hohe Potenzialunterschiede in Teilen des Netzwerkes können störende Ausgleichsströme über die Erdung der Schirmung der PROFINET-Kupferkabel hervorrufen. Wirksame Maßnahmen zur Potenzialtrennung sind deshalb Bestandteil der sorgfältigen Planung. Die PROFINET-Topologie kann Abschnitte mit Lichtwellenleitern (LWL) enthalten, die die notwendige Potenzialtrennung bewirken.

Die Anbindung von IO-Devices über I/O-Module mit galvanischer Trennung schützt das Netzwerk vor unerwünschten Einflüssen.

Abbildung MVK PROFINET Kompaktmodul, Metallausführung, galvanische Trennung

Conformance Classes in der PROFINET-Topologie

PROFINET-Geräte werden nach vier Konformitätsklassen (Conformance Classes CC-A, CC-B, CC-C und CC-D) klassifiziert. Das Ziel ist dabei, die Gesamtheit der Funktionsumfänge zu strukturieren und sicherzustellen, dass ein PROFINET-Gerät, das für eine bestimmte Aufgabe im Netzwerk ausgewählt wurde, diese Aufgabe auch erfüllen kann. Die Klassen bauen aufeinander auf und definieren Funktionsumfänge aus Kommunikation, Übertragung, Synchronisation und Verfügbarkeit.

Sicherheitsfunktionen mit PROFIsafe in der PROFINET-Topologie

PROFINET erlaubt die Einbindung von Netzsegmenten mit sicherheitsrelevanten Aufgaben. Mit PROFIsafe können Geräte und Netzwerksegmente für Sicherheitsaufgaben, wie NOT-Aus-Taster, eingebunden werden. Die Kommunikation in der PROFINET-Topologie kann mit PROFIsafe Sicherheitsfunktionen bis zur Sicherheitsstufe 3 (SIL3) unterstützen.

Abbildung MVK PROFINET/PROFIsafe Kompaktmodul, Metall

PROFINET-Topologie für hohe Verfügbarkeit

Netzwerkkomponenten können durch innere und äußere Einwirkungen ausfallen. Handelt es sich dabei um den Switch einer Stern- oder Baumtopologie, fällt die Kommunikation mit den untergeordneten Knoten und Netzsegmenten im schlechtesten Fall aus. Ist Hochverfügbarkeit der Produktionsanlage gefordert, sind die von PROFINET unterstützen Maßnahmen zum Aufbau ausreichender Redundanzen im Netzwerk durchzuführen. Sind in einem Netzwerk oder in einem Netzwerksegment alternative Wege eingebaut, über die die Kommunikation ersatzweise laufen kann, steigt die Ausfallsicherheit des Netzwerkes.

PROFINET unterstützt das Redundanzkonzept. Redundante Kommunikationsleitungen können eingerichtet werden, um die Erreichbarkeit aller Anlagenteile für den Fall sicherzustellen, dass ein Switch (extern oder integriert) ausfällt. Redundante Leitungen sollten nicht in derselben Kabelführung verlegt werden, um das Risiko gleichzeitigen Ausfalls beider Leitungen auszuschließen. Die Anforderungen an den Austausch von defekten Netzwerkteilnehmern entscheiden über die Wahl von externen und integrierten Switches.

Netzlast und Performance in der PROFINET-Topologie

Die durch die PROFINET-Teilnehmer entstehende Netzlast bestimmt die Leistungsfähigkeit des Systems. Die Betrachtung der Performance des PROFINET-basierten Netzwerkes ist ein wesentlicher Planungspunkt. Für die Netzlast sind unter anderem die Aktualisierungszeit und die Zahl der angebundenen PROFINET-Teilnehmer maßgeblich. Die Aktualisierungszeit ist der zeitliche Abstand, in dem das PROFINET-Gerät seine Daten sendet. Mit geringerem Abstand gewinnen die Daten an Aktualität, während die Netzlast steigt. Die Aktualisierungszeit der PROFINET-Geräte kann individuell eingestellt und von Gerät zu Gerät unterschiedlich sein.

Passende und kompatible M12 Stecker sowie RJ45 Stecker können Sie hier finden.