Uitgebreide analyse van de PROFINET-protocolarchitectuur, werkingsprincipe, voor- en nadelen

PROFINET is een communicatieprotocol dat wordt gebruikt door industriële automatiseringssystemen. Het is een op Ethernet gebaseerd protocol dat communicatie mogelijk maakt tussen industriële besturingssystemen en apparaten zoals sensoren, actuatoren en andere controllers. PROFINET is ontwikkeld door PROFIBUS International en is een veelgebruikt protocol in de productie en industriële automatisering. Momenteel is PROFINET een van de belangrijkste communicatieprotocollen op het gebied van industriële automatisering geworden en wordt het veel gebruikt in verschillende industriële automatiseringsapparatuur en -systemen. Volgens statistieken zijn er in 2019 meer dan 250.000 PROFINET IO-knooppunten en meer dan 5 miljoen PROFINET IO-apparaten in gebruik over de hele wereld. PROFINET wordt ook steeds breder gebruikt in verschillende industrieën, zoals de productie, de auto-industrie, de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, de energie- en waterzuiveringsindustrie, enz.

Architectuur van PROFINET

PROFINET maakt gebruik van gelaagde architectuur, waaronder fysieke laag, datalinklaag, netwerklaag en applicatielaag. De fysieke laag van PROFINET gebruikt standaard Ethernet-kabels en -connectoren om meerdere transmissiesnelheden en afstanden te ondersteunen. De datalinklaag van PROFINET gebruikt het PROFINET IO-protocol, dat realtime gegevensoverdracht en netwerkbeheer ondersteunt. De netwerklaag van PROFINET gebruikt het TCP/IP-protocol en ondersteunt verschillende netwerktopologieën en routeringsstrategieën. De applicatielaag van PROFINET gebruikt het PROFINET-protocol om communicatie en samenwerking tussen verschillende apparaten en controllers te ondersteunen.

Hoe PROFINET werkt

Apparaatverbinding en automatische identificatie: De apparaten in het PROFINET-netwerk zijn verbonden via de fysieke Ethernet-laag en ondersteunen automatische identificatie- en automatische configuratiefuncties. Wanneer een apparaat zich aansluit bij het PROFINET-netwerk, kan de PROFINET-controller automatisch het type, adres, kenmerken en andere informatie van het nieuwe apparaat identificeren en automatisch het IP-adres, MAC-adres, netwerkparameters, enz. configureren.

Communicatieprotocol en gegevensoverdracht: PROFINET-communicatieprotocol is gebaseerd op Ethernet-technologie, neemt TCP/IP-protocolstack over en optimaliseert en breidt op deze basis uit. PROFINET-communicatieprotocol ondersteunt de overdracht van verschillende gegevenstypen, zoals niet-realtimegegevens, realtimegegevens, besturingsgegevens en foutdiagnosegegevens. In het PROFINET-netwerk kan gegevensoverdracht op drie manieren worden gerealiseerd: IO-gegevenscommunicatie, TCP/IP-gegevenscommunicatie en realtimegegevenscommunicatie.

Realtimecommunicatiemechanisme: PROFINET neemt realtimecommunicatiemechanisme over, dat snelle, betrouwbare en nauwkeurige realtimegegevensoverdracht kan realiseren. PROFINET ondersteunt twee realtimecommunicatiemechanismen, namelijk PROFINET RT en PROFINET IRT. PROFINET RT is geschikt voor realtimegegevensoverdracht met lage latentie en hoge snelheid, zoals toepassingen voor bewegingsbesturing; PROFINET IRT is geschikt voor zeer nauwkeurige regel- en bewakingstoepassingen, zoals temperatuurregeling, flowregeling, enz. Het realtime communicatiemechanisme kan worden geïmplementeerd door periodieke communicatie tussen PROFINET IO-apparaten en PROFINET I/O-controllers.

Netwerktopologie en redundantiemechanisme: PROFINET-netwerk ondersteunt meerdere topologieën, zoals ster, bus, ring, boom, enz. Verschillende topologieën kunnen voldoen aan verschillende toepassingsvereisten en netwerkprestatievereisten. Tegelijkertijd ondersteunt PROFINET ook redundantiemechanismen, die de betrouwbaarheid en stabiliteit van het netwerk kunnen verbeteren, zoals apparaatredundantie, padredundantie en poortredundantie.

Als een industrieel automatiseringscommunicatieprotocol heeft PROFINET de volgende voor- en nadelen:

voordeel:

Efficiëntie: PROFINET is gebaseerd op Ethernet-technologie en is op deze basis geoptimaliseerd en uitgebreid, waardoor het een hoge efficiëntie heeft. Het ondersteunt snelle, betrouwbare en nauwkeurige realtime gegevensoverdracht en netwerkcommunicatie en kan voldoen aan de realtime en niet-realtime communicatievereisten op het gebied van industriële automatisering.

Flexibiliteit: PROFINET ondersteunt een verscheidenheid aan netwerktopologieën, waaronder ster, bus, ring, boom, enz., die flexibel kunnen worden geselecteerd op basis van verschillende toepassingsvereisten en netwerkprestatievereisten. Tegelijkertijd ondersteunt PROFINET ook meerdere redundantiemechanismen, zoals apparaatredundantie, padredundantie, poortredundantie, enz., om de betrouwbaarheid en stabiliteit van het netwerk te verbeteren.

Schaalbaarheid: PROFINET is een schaalbaar communicatieprotocol dat veel verschillende apparaten en toepassingen kan ondersteunen, zoals sensoren, actuatoren, robots, automatiseringssystemen, enz. Tegelijkertijd kan het ook een verscheidenheid aan verschillende gegevenstypen en protocollen ondersteunen, waaronder niet-realtime gegevens, realtimedata, controledata en foutdiagnosedata.

Eenvoudig te integreren: Apparaten in het PROFINET-netwerk kunnen snel worden geïntegreerd en geconfigureerd via automatische identificatie- en automatische configuratiefuncties, wat de moeilijkheid van apparaatinstallatie en debugging vermindert en de productie-efficiëntie en werkefficiëntie verbetert.

tekortkoming:

Complexiteit: Als geavanceerd communicatieprotocol heeft PROFINET hogere leer- en implementatiekosten dan andere eenvoudige protocollen. Bovendien vereisen de configuratie en het onderhoud van PROFINET-netwerken ook hoge vaardigheden en ervaring, en zijn professionele ingenieurs en technici vereist voor ondersteuning en beheer.

Kosten: PROFINET-netwerk vereist hoge hardware- en softwarekosten, inclusief PROFINET-controllers, PROFINET IO-apparaten, netwerkswitches, enz. Tegelijkertijd moeten PROFINET-apparaten en -toepassingen ook worden geverifieerd en geautoriseerd, en moeten de bijbehorende kosten worden betaald.

Beveiliging: De beveiliging van PROFINET-netwerkcommunicatie vereist speciale configuratie en beheer, inclusief firewall, gegevensversleuteling, authenticatie, enz. Als er geen beveiligingsmaatregelen zijn getroffen, kunnen PROFINET-netwerken te maken krijgen met beveiligingsbedreigingen en aanvallen.

Samenvattend heeft het PROFINET-protocol de voordelen van hoge prestaties, hoge betrouwbaarheid, interoperabiliteit en visualisatie, maar het heeft ook nadelen zoals de complexiteit van configuratie en onderhoud, de noodzaak van speciale apparatuur, beveiligingsproblemen en implementatiebeperkingen. Bij het gebruik van het PROFINET-protocol is het noodzakelijk om de voor- en nadelen ervan uitgebreid te overwegen en een geschikt toepassingsscenario en de werkelijke behoeften te kiezen.

In de toekomst omvat de ontwikkelingsrichting van PROFINET voornamelijk de volgende aspecten:

Aanpassen aan de behoeften van Industrie 4.0: Met de snelle ontwikkeling van Industrie 4.0 zal PROFINET steeds meer aandacht besteden aan de onderlinge verbinding tussen apparaten en het delen van gegevens, en zal het meer aandacht besteden aan interoperabiliteit en veelzijdigheid, waardoor een flexibelere, efficiëntere en intelligentere oplossing wordt geboden.

Versterk de beveiliging: Met de voortdurende ontwikkeling van industriële automatisering worden netwerkbeveiligingsbedreigingen en aanvallen steeds gebruikelijker. PROFINET zal meer aandacht besteden aan de beveiliging van netwerkcommunicatie en uitgebreidere beveiligingsmaatregelen bieden.

Verbetering van realtimeprestaties en -prestaties: PROFINET zal de realtimeprestaties en -prestaties blijven verbeteren, door hogere gegevensoverdrachtsnelheden en lagere latentie te bieden om te voldoen aan de realtime- en prestatievereisten van industriële automatiseringsapparatuur en -systemen.

Versterk intelligentie en visualisatie: PROFINET zal intelligentie- en visualisatiefuncties verder verbeteren, uitgebreidere monitoring-, diagnose- en voorspellingsfuncties bieden en intelligent beheer en onderhoud van apparatuur en systemen realiseren.

Vergroot het toepassingsgebied: PROFINET zal het toepassingsgebied verder uitbreiden, waarbij meer industrieën en velden worden betrokken, zoals medisch, lucht- en ruimtevaart, robotica, enz.

Kortom, als een geavanceerd industrieel automatiseringscommunicatieprotocol zal PROFINET in de toekomst een belangrijke rol blijven spelen en continue innovatie en ontwikkeling op het gebied van industriële automatisering bevorderen.