PROFINET چیست؟ از PROFIBUS تا اترنت صنعتی با RT و IRT
سازمانی که PROFIBUS را توسعه داد، در اوایل دههٔ ۲۰۰۰ به این نتیجه رسید که آیندهٔ ارتباطات صنعتی روی اترنت است. نتیجهٔ این تصمیم PROFINET بود: استانداردی که مفاهیم آشنای PROFIBUS را با سرعت، انعطاف و زیرساخت اترنت ترکیب میکند. امروز PROFINET در بسیاری از پروژه‌های جدید جای PROFIBUS را گرفته است. در این مقاله معماری PROFINET، تفاوت RT و IRT، نکات راهاندازی و مسیر مهاجرت از PROFIBUS را بررسی می‌کنیم.
اجزای اصلی شبکهٔ PROFINET IO
PROFINET IO مدل ارتباطی آشنای PROFIBUS DP را حفظ کرده، اما نام نقش‌ها را تغییر داده است. هر سیستم PROFINET از سه نقش تشکیل میشود:
IO Controller
معمولاً PLC که برنامهٔ کنترلی را اجرا میکند و دادهٔ ورودی و خروجی IO Deviceها را به‌صورت چرخهای مبادله میکند. معادل Master کلاس ۱ در PROFIBUS است.
IO Device
تجهیزات میدانی مانند Remote I/O، درایو، ترمینال شیر یا گیت‌وی. معادل Slave در PROFIBUS است و می‌تواند همزمان با بیش از یک Controller تبادل داده داشته باشد (Shared Device).
IO Supervisor
ابزار مهندسی، HMI یا نرم‌افزار تشخیص عیب که برای راهاندازی و پایش به شبکه وصل میشود. معادل Master کلاس ۲ در PROFIBUS است.
سه کانال ارتباطی: NRT، RT و IRT
مزیت اصلی PROFINET این است که ترافیک اداری و صنعتی می‌توانند روی یک شبکه کنار هم باشند، بی‌آنکه دادهٔ کنترلی تأخیر بگیرد. این کار با سه کانال ارتباطی انجام میشود:
| کانال | مسیر انتقال | زمان چرخهٔ رایج | کاربرد |
|---|---|---|---|
| NRT (TCP/IP و UDP/IP) | پشتهٔ استاندارد IP | غیرقطعی | پیکربندی، خواندن پارامتر، وب، OPC UA |
| RT | فریم اترنت با EtherType اختصاصی و اولویت VLAN، بدون پشتهٔ IP | از ۱ میلیثانیه به بالا | I/O، درایوهای معمولی، بیشتر کاربردها |
| IRT | زمانبندی سختافزاری و پهنای باند رزروشده در سوئیچها | کمتر از ۱ میلیثانیه، تا ۳۱٫۲۵ میکروثانیه | کنترل حرکت هماهنگ و سروو |
در پروژه‌های جدید، PROFINET روی TSN (Time-Sensitive Networking) هم تعریف شده است تا زمانبندی قطعی با استانداردهای IEEE انجام شود. با این حال، بیشتر کاربردهای فرایندی و کارخانه‌ای با همان RT به‌خوبی کار می‌کنند.
کلاس‌های انطباق (Conformance Class)
PI قابلیتهای دستگاهها و شبکه را در چند کلاس انطباق دسته‌بندی کرده است تا طراح بداند هر تجهیز چه امکاناتی دارد:
- CC-A: ارتباط RT پایه، آلارم و تشخیص عیب. سوئیچهای استاندارد با اولویتبندی قابل استفادهاند.
- CC-B: افزودن تشخیص توپولوژی با LLDP و SNMP، تعویض دستگاه بدون نرم‌افزار مهندسی و افزونگی حلقه با MRP. نسخهٔ CC-B(PA) برای صنایع فرایندی، افزونگی سیستمی را هم دارد.
- CC-C: افزودن IRT برای کاربردهای زمانبحرانی و کنترل حرکت.
- CC-D: اجرای PROFINET روی TSN.
نام دستگاه، آدرس IP و فایل GSDML
در PROFIBUS، آدرس هر ایستگاه با کلید یا نرم‌افزار روی خود دستگاه تنظیم می‌شد. در PROFINET، شناسهٔ اصلی هر IO Device نام دستگاه (NameOfStation) است؛ مثلاً pump-station-io1. روند راهاندازی این است:
- فایل GSDML دستگاه (یک فایل XML که سازنده ارائه میکند) در نرم‌افزار مهندسی وارد میشود و دستگاه با نام دلخواه به پروژه اضافه میشود.
- تکنسین با ابزار مهندسی و پروتکل DCP، همان نام را روی دستگاه واقعی می‌نویسد.
- هنگام روشن شدن، IO Controller دستگاه را با نامش پیدا میکند و آدرس IP پروژه را به آن اختصاص میدهد.
- در کلاس CC-B، اگر دستگاهی تعویض شود، Controller بر اساس همسایه‌های توپولوژی، نام را به‌طور خودکار به دستگاه جدید میدهد.
توپولوژی، کابل‌کشی و افزونگی
- توپولوژی خطی، ستاره‌ای، درختی و حلقه
- کابل اترنت صنعتی، معمولاً با روکش سبز، حداکثر ۱۰۰ متر بین دو ایستگاه
- سوئیچ دوپورتی داخلی در بیشتر IO Deviceها برای کابل‌کشی خطی
- افزونگی حلقه با MRP و زمان بازیابی کمتر از ۲۰۰ میلیثانیه
- MRPD برای افزونگی بدون وقفه در کاربردهای IRT
- فیبر نوری برای فاصله‌های طولانی و محیط‌های پرنویز
در توپولوژی خطی، هر IO Device با سوئیچ داخلی خود فریم را به دستگاه بعدی می‌فرستد. بنابراین خاموش شدن یک دستگاه میانی، ارتباط دستگاه‌های بعدی را قطع میکند. اگر برای نگهداری لازم است دستگاهها جداگانه خاموش شوند، توپولوژی ستاره‌ای یا حلقه با MRP را انتخاب کنید.
مهاجرت از PROFIBUS به PROFINET
تعویض یکجای یک شبکهٔ PROFIBUS در کارخانه‌ای که در حال تولید است، معمولاً عملی نیست. PROFINET برای این وضعیت مفهوم Proxy را تعریف کرده است: یک دستگاه که در سمت PROFINET یک IO Device است و در سمت دیگر یک Master برای سگمنت PROFIBUS DP. از دید IO Controller، هر Slave PROFIBUS پشت Proxy مانند یک دستگاه PROFINET دیده میشود.
با این روش میتوان PLC و شبکهٔ اصلی را به PROFINET ارتقا داد و تجهیزات میدانی PROFIBUS را تا پایان عمر مفیدشان نگه داشت. سگمنت‌های PROFIBUS PA هم از طریق کوپلر DP/PA و Proxy، یا مستقیم با گیت‌وی‌های PA به PROFINET، در همین معماری باقی می‌مانند. جزئیات لایهٔ فیزیکی PROFIBUS را در راهنمای جامع PROFIBUS DP و PA توضیح داده‌ایم.
PROFINET و تجهیزات Modbus و آنالوگ
در یک پروژهٔ PROFINET، همهٔ سیگنال‌ها لزوماً از دستگاه‌های PROFINET نمی‌آیند. سیگنال‌های ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر و دما از طریق کارت‌های آنالوگ Remote I/O خوانده میشوند و تجهیزات Modbus RTU از طریق گیت‌وی Modbus به PROFINET به شبکه می‌پیوندند. ماژول‌های Modbus RTU دلیجه ارتباط پویا با رابط RS-485 ایزوله، در این معماری با یک گیت‌وی استاندارد قابل استفادهاند و داده‌های دما و جریان را در اختیار IO Controller قرار می‌دهند.
پرسش‌های متداول
PROFINET چیست؟
PROFINET یک استاندارد اترنت صنعتی است که سازمان PROFIBUS & PROFINET International (PI) توسعه داده است. PROFINET IO از اترنت استاندارد ۱۰۰ مگابیتی استفاده میکند و برای تبادل دادهٔ چرخهای با Remote I/O، درایوها و تجهیزات میدانی، کانال بلادرنگی دارد که از پشتهٔ TCP/IP عبور نمی‌کند.
تفاوت PROFINET و PROFIBUS چیست؟
PROFIBUS یک فیلدباس سریال روی RS-485 یا MBP است و دستگاهها با شمارهٔ ایستگاه آدرسدهی میشوند. PROFINET روی اترنت کار میکند، دستگاهها با نام و آدرس IP شناخته میشوند، سرعت و حجم داده بسیار بیشتر است و همزمان میتوان ترافیک IT مانند صفحات وب و OPC UA را روی همان شبکه داشت.
تفاوت PROFINET RT و IRT چیست؟
RT (Real-Time) دادهٔ چرخهای را با اولویت بالا روی سوئیچهای استاندارد منتقل میکند و زمان چرخهٔ رایج آن از ۱ میلیثانیه به بالاست. IRT (Isochronous Real-Time) با زمانبندی سختافزاری در سوئیچها، پهنای باند رزروشدهای برای دادهٔ زمانبحرانی ایجاد میکند و چرخههای کمتر از ۱ میلیثانیه با جیتر کمتر از ۱ میکروثانیه را برای کنترل حرکت فراهم میکند.
نام دستگاه (Device Name) در PROFINET چیست؟
در PROFINET هر IO Device با یک نام یکتا شناخته میشود. این نام در زمان راهاندازی با پروتکل DCP به دستگاه داده میشود و IO Controller هنگام شروع ارتباط، آدرس IP را بر اساس همین نام به دستگاه اختصاص میدهد. اگر نام دستگاه با پیکربندی پروژه یکسان نباشد، ارتباط برقرار نمیشود.
آیا میتوان تجهیزات PROFIBUS را به PLC با شبکهٔ PROFINET وصل کرد؟
بله. با یک PROFINET Proxy مانند IE/PB Link، یک سگمنت PROFIBUS DP کامل به شبکهٔ PROFINET وصل میشود. Slaveهای PROFIBUS برای IO Controller مانند دستگاه‌های PROFINET دیده میشوند و کابل‌کشی و تجهیزات قبلی بدون تغییر باقی می‌مانند.
آیا برای PROFINET میتوان از سوئیچ اترنت معمولی استفاده کرد؟
برای کلاس انطباق CC-A، سوئیچهای اترنت استاندارد با پشتیبانی از اولویتبندی VLAN قابل استفادهاند، هرچند سوئیچهای دارای گواهی PROFINET توصیه میشوند. برای CC-B سوئیچ باید قابلیتهای تشخیص عیب و تشخیص توپولوژی PROFINET را داشته باشد و برای IRT در کلاس CC-C سوئیچ باید از زمانبندی سختافزاری پشتیبانی کند.
جمع‌بندی
PROFINET مفاهیم PROFIBUS را به دنیای اترنت آورده است: تبادل چرخهای قابل پیش‌بینی با RT، کنترل حرکت دقیق با IRT، و هم‌زیستی با ترافیک IT روی یک شبکه. نام دستگاه، فایل GSDML و کلاس انطباق، سه مفهومی هستند که راهاندازی موفق به درک درست آن‌ها وابسته است. برای کارخانه‌هایی که PROFIBUS دارند، Proxy امکان مهاجرت تدریجی و بدون توقف تولید را فراهم میکند.