PROFINET چیست؟ بررسی کامل پروتکل، نحوه عملکرد و کاربرد آن

زمان مطالعه: 12-15 دقیقه

پروفی‌نت PROFINET چیست؟

پروفی‌نت (PROFINET) یک پروتکل ارتباطی صنعتی مبتنی بر اترنت (Ethernet-based Industrial Communication Protocol) است که برای ارتباط سریع و قابل‌اعتماد میان تجهیزات اتوماسیون صنعتی طراحی شده است. این پروتکل امروزه یکی از پرکاربردترین شبکه‌های صنعتی مبتنی بر Industrial Ethernet در جهان به شمار می‌رود.

PROFINET توسط مجموعه‌ای از شرکت‌ها توسعه داده شد و هدایت و توسعه استاندارد آن بر عهده سازمان PROFIBUS & PROFINET International (PI) قرار دارد. سناکو نیز در حوزه شبکه‌های صنعتی، با بهره‌گیری از کارشناسان دارای مدارک رسمی PI در زمینه PROFIBUS و PROFINET، در حوزه آموزش، عیب‌یابی و بهره‌برداری از شبکه‌های صنعتی فعالیت می‌کند.

امروزه PROFINET به‌عنوان یک استاندارد باز و نوآورانه برای انواع کاربردهای اتوماسیون صنعتی مبتنی بر Industrial Ethernet شناخته می‌شود.

هر کارخانه یا مجموعه صنعتی که به ارتباطات سریع، پایدار و قابل‌اعتماد میان تجهیزات نیاز داشته باشد، می‌تواند از PROFINET استفاده کند. توسعه این فناوری از دهه ۱۹۹۰ آغاز شده و قابلیت‌های آن هم‌زمان با نیازهای جدید اتوماسیون صنعتی، شبکه‌های صنعتی و سیستم‌های کنترل در طول سال‌ها توسعه پیدا کرده است.

قابلیت‌ها و عملکردهای PROFINET در استانداردهای زیر تعریف شده‌اند:

• IEC 61158
• IEC 61784
• ISO 15745

نکات مهم درباره PROFINET

• PROFINET بر پایه Industrial Ethernet توسعه یافته و به‌عنوان یک پروتکل مستقل برای اتوماسیون صنعتی طراحی شده است.
• بسته به نوع ارتباط، PROFINET می‌تواند از Ethernet Frames و همچنین پروتکل‌های استاندارد TCP/IP و UDP/IP استفاده کند.
• PROFINET امکان ارتباط هم‌زمان تجهیزات اتوماسیون صنعتی را با استفاده از مکانیزم‌های مختلف Real-Time فراهم می‌کند.
  

  نحوه تبادل پیام در شبکه PROFINET

  در یک شبکه صنعتی، داده‌ها بین انواع مختلف تجهیزات و یک یا چند کنترلر مبادله می‌شوند. تجهیزات فیلد (Field Devices) داده‌های ورودی را به کنترلر ارسال می‌کنند و کنترلر پس از پردازش این اطلاعات، متناسب با وضعیت فرآیند، فرمان‌های لازم را به تجهیزات ارسال می‌کند.

  در معماری PROFINET IO، تجهیزات و کنترلرها معمولاً در دو گروه اصلی قرار می‌گیرند:

  • IO Controller
  • IO Device

  IO Controller چیست؟

  IO Controller وظیفه کنترل فرآیند، مدیریت داده‌ها و تبادل اطلاعات با تجهیزات فیلد را بر عهده دارد.

  نمونه‌هایی از تجهیزاتی که می‌توانند نقش IO Controller را ایفا کنند عبارت‌اند از:

  • PLCها (Programmable Logic Controllers)
  • DCSها (Distributed Control Systems)
  • PACها (Programmable Automation Controllers)

  IO Device چیست؟

  IO Device تجهیزاتی هستند که داده‌های فرآیند را دریافت یا برای IO Controller ارسال می‌کنند.

  نمونه‌هایی از IO Deviceها عبارت‌اند از:

  • IO Blocks
  • RFID Readers
  • Drives
  • Encoders
  • Process Instruments
  • Sensors
  • Actuators
  • Valves
    برای درک بهتر نحوه ارتباط و تبادل داده در یک شبکه PROFINET، در ویدیوی زیر می‌توانید به‌صورت بصری نحوه ارتباط IO Controller، IO Device و Switchهای صنعتی و جریان انتقال داده در شبکه را مشاهده کنید:

  • ویدیو1: نحوه تبادل پیام در شبکه PROFINET و PROFIBUS

انتقال داده در PROFINET چگونه انجام می‌شود؟

پروفی‌نت از ارتباط Full-Duplex استفاده می‌کند که امکان ارسال و دریافت هم‌زمان داده را فراهم می‌کند.

در شبکه‌های PROFINET، تجهیزات معمولاً از طریق Switchهای صنعتی به یکدیگر متصل می‌شوند. داده‌ها به‌صورت فریم‌های اترنت در شبکه منتقل شده و Switch با استفاده از اطلاعات موجود در فریم، آن را به پورت مناسب هدایت می‌کند.

در صورت اشباع موقت لینک یا پورت، فریم‌ها ممکن است برای مدت کوتاهی در Buffer ذخیره شوند. اگر حجم ترافیک از ظرفیت Buffer و قابلیت پردازش Switch فراتر برود، احتمال Packet Loss یا Frame Loss افزایش پیدا می‌کند.

به همین دلیل، انتخاب Switch مناسب، طراحی صحیح توپولوژی شبکه و کنترل Network Load از عوامل مهم در عملکرد پایدار یک شبکه پروفی‌نت هستند.

PROFINET؛ ارتباط سریع و Deterministic

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های PROFINET، قابلیت انتقال داده با سرعت بالا و در کاربردهای Real-Time، با زمان‌بندی قابل پیش‌بینی است.

سرعت و Cycle Time مورد نیاز بسته به نوع کاربرد متفاوت است. برای مثال، تجهیزات اندازه‌گیری فرآیندی (Process Instruments) ممکن است داده‌ها را در بازه‌های چند صد میلی‌ثانیه‌ای به‌روزرسانی کنند، در حالی که برخی تجهیزات کارخانه‌ای به زمان‌های به‌روزرسانی بسیار سریع‌تر، حتی کمتر از ۱۰ میلی‌ثانیه، نیاز دارند.

در سیستم‌های Motion Control، نیاز به همگام‌سازی و زمان‌بندی دقیق‌تر است و به همین دلیل از مکانیزم‌های پیشرفته‌تر Real-Time استفاده می‌شود.

Determinism به این مفهوم اشاره دارد که زمان انتقال و پردازش پیام‌ها تا حد زیادی قابل پیش‌بینی و کنترل باشد؛ موضوعی که در فرآیندهای حساس و سیستم‌های کنترل صنعتی اهمیت بالایی دارد.

اهمیت Switchها در شبکه PROFINET

در یک شبکه I/O Controller ،PROFINET می‌تواند از تجهیزات درخواست داده کند، داده ارسال کند و اطلاعات دریافتی را پردازش کند. تجهیزات نیز متناسب با نوع ارتباط و پیکربندی شبکه، داده‌های خود را با Controller مبادله می‌کنند.

در شبکه‌های مبتنی بر Switch ،Ethernetها وظیفه مهمی در مدیریت و هدایت ترافیک شبکه بر عهده دارند. Switch فریم‌های ورودی را بررسی کرده و بر اساس اطلاعات مقصد، آن‌ها را به پورت مناسب ارسال می‌کند.

بنابراین انتخاب یک Industrial Ethernet Switch مناسب برای PROFINET تنها به تعداد پورت‌ها محدود نمی‌شود و عواملی مانند ظرفیت Backplane، میزان Network Load، قابلیت‌های Redundancy، کیفیت سرویس (QoS) و امکانات Diagnostics نیز می‌توانند در عملکرد شبکه مؤثر باشند.

نکات مهم

• PROFINET از ارتباط Full-Duplex Ethernet پشتیبانی می‌کند.
• در ارتباطات Real-Time، داده‌ها با زمان‌بندی مشخص و قابل پیش‌بینی منتقل می‌شوند.
• IO Controller وظیفه کنترل فرآیند و مدیریت تبادل داده با IO Deviceها را بر عهده دارد.
• Switchهای صنعتی نقش مهمی در هدایت و مدیریت ترافیک شبکه PROFINET دارند.

شکل1: شبکه PROFINET

Full-Duplex در PROFINET چیست؟

پروفی‌نت از ارتباط Full-Duplex (FDX) استفاده می‌کند. در این نوع ارتباط، انتقال داده در هر دو جهت می‌تواند به‌صورت هم‌زمان انجام شود.

این ویژگی با Half-Duplex تفاوت دارد؛ در ارتباط Half-Duplex، ارسال و دریافت داده در یک لحظه به‌صورت هم‌زمان انجام نمی‌شود.

به‌طور ساده، در یک ارتباط Full-Duplex می‌توان دو جریان داده را به‌صورت هم‌زمان منتقل کرد:

• یک جریان داده از فرستنده به گیرنده
• یک جریان داده از گیرنده به فرستنده

مثال ساده از ارتباط Full-Duplex

یکی از نمونه‌های آشنای ارتباط Full-Duplex، مکالمه تلفنی است. در یک مکالمه تلفنی، هر دو طرف می‌توانند به‌صورت هم‌زمان صحبت کنند و صدای یکدیگر را دریافت کنند.

در یک شبکه PROFINET نیز امکان ارسال و دریافت داده به‌صورت هم‌زمان وجود دارد.

PROFINET و Real-Time Ethernet

یکی از چالش‌های Standard Ethernet در کاربردهای صنعتی، عدم تضمین زمان انتقال فریم‌ها در شرایط مختلف شبکه است. ترافیک شبکه، میزان بار، تعداد تجهیزات و نحوه طراحی شبکه می‌توانند روی زمان انتقال داده تأثیر بگذارند.

در محیط‌های صنعتی که به ارتباطات Real-Time نیاز دارند، تغییرات زمان انتقال، تأخیر (Latency) و از دست رفتن فریم‌ها می‌تواند روی عملکرد فرآیند تأثیرگذار باشد.

به همین دلیل PROFINET مکانیزم‌های مختلفی برای انتقال داده با نیازهای زمانی متفاوت ارائه می‌کند.

در PROFINET، بسته به نوع کاربرد، می‌توان از ارتباطات استاندارد TCP/IP یا UDP/IP، Real-Time (RT) و Isochronous Real-Time (IRT) استفاده کرد.

پروتکل‌های Timing در PROFINET

PROFINET برای انتقال اطلاعات در شبکه، مکانیزم‌های مختلفی را در اختیار سیستم کنترل قرار می‌دهد. انتخاب روش مناسب انتقال داده به نوع اطلاعات، حساسیت زمانی و نیازمندی‌های فرآیند بستگی دارد.

برای مثال، باید مشخص شود:

• آیا اطلاعات باید در کوتاه‌ترین زمان ممکن منتقل شوند؟
• آیا اطلاعات مربوط به یک فرآیند Safety-Critical هستند؟
• آیا داده‌ها حجم زیادی دارند و تنها به انتقال استاندارد نیاز دارند؟
• آیا سیستم به Synchronization بسیار دقیق بین تجهیزات نیاز دارد؟

برای پاسخ به این نیازهای متفاوت، PROFINET از چندین مکانیزم ارتباطی استفاده می‌کند که از نظر سرعت، زمان‌بندی و نحوه انتقال داده با یکدیگر تفاوت دارند.

سه روش اصلی ارتباطی در PROFINET عبارت‌اند از:

1. Standard TCP/IP و UDP/IP — Non-Real-Time

این نوع ارتباط برای داده‌هایی استفاده می‌شود که به زمان‌بندی بسیار دقیق و Deterministic نیاز ندارند.مانند عیب‌یابی (Diagnostics)، پیکربندی (Configuration) و پارامترگذاری (Parameterization). دلیل این موضوع، وجود Jitter و Latency اضافی در ارتباطات مبتنی بر IP است.

2. Soft Real-Time — PROFINET IO RT

IO RT رایج‌ترین روش ارتباطی در بسیاری از کاربردهای PROFINET است و برای تبادل داده‌های Real-Time در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شود.در واقع، PROFINET RT هنگام انتقال داده، لایه‌های Network و Transport را دور می‌زند و به این ترتیب، زمان مورد نیاز برای انتقال داده را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. PROFINET RT می‌تواند به Cycle Timeهایی بین ۲۵۰ میکروثانیه تا ۵۱۲ میلی‌ثانیه دست پیدا کند.

3. Isochronous Real-Time — PROFINET IO IRT

IO IRT برای کاربردهایی که به زمان‌بندی بسیار دقیق و Synchronization بین تجهیزات نیاز دارند، مانند برخی سیستم‌های Motion Control، مورد استفاده قرار می‌گیرد.در واقع، PROFINET IRT یک گام فراتر از PROFINET RT عمل می‌کند و با به حداقل رساندن Jitter در کاربردهایی با ترافیک بالای شبکه، دقت و پایداری زمانی بیشتری فراهم می‌کند. PROFINET IRT می‌تواند به Cycle Time برابر با ۳۱.۲۵ میکروثانیه و Jitter تنها ۱ میکروثانیه دست پیدا کند. این فناوری بیشتر در ماشین‌آلات فرآوری مواد مانند ماشین‌آلات سرامیک، چوب و شیشه، دستگاه‌های تزریق پلاستیک و ماشین‌آلات بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

Cycle Time در PROFINET چیست؟

هر تجهیز در یک شبکه PROFINET دارای یک بازه زمانی مشخص برای تبادل داده است که به آن Cycle Time گفته می‌شود.

Cycle Time مشخص می‌کند که داده‌های ورودی و خروجی یک تجهیز با چه تناوبی در شبکه به‌روزرسانی شوند.

برای همه تجهیزات یک شبکه الزاماً به یک Cycle Time یکسان نیاز نیست. تعیین Cycle Time متناسب با نیاز هر تجهیز می‌تواند روش بهینه‌تری باشد؛ زیرا تجهیزات مهم‌تر یا حساس‌تر می‌توانند با تناوب بیشتری داده‌ها را مبادله کنند، در حالی که تجهیزات کم‌اهمیت‌تر با Cycle Time طولانی‌تر کار کنند.

این رویکرد می‌تواند به کاهش Network Load و استفاده بهینه‌تر از ظرفیت شبکه کمک کند.

در طراحی شبکه PROFINET، انتخاب صحیح Cycle Time باید بر اساس نوع فرآیند، تعداد تجهیزات، حجم داده، نیازمندی‌های Real-Time و ظرفیت شبکه انجام شود.

جمع‌بندی

PROFINET چیست؟ PROFINET یک پروتکل ارتباطی صنعتی مبتنی بر Ethernet است که برای اتصال و تبادل داده میان کنترلرها و تجهیزات فیلد در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی طراحی شده است.

پشتیبانی از Real-Time Communication، Full-Duplex، Cycle Timeهای قابل تنظیم، ارتباطات TCP/IP و UDP/IP و مکانیزم‌های RT و IRT باعث شده است PROFINET در طیف گسترده‌ای از کاربردهای اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.

با این حال، عملکرد صحیح یک شبکه PROFINET تنها به انتخاب پروتکل ارتباطی وابسته نیست. طراحی صحیح توپولوژی، انتخاب Industrial Ethernet Switch مناسب، کنترل Network Load، بررسی کیفیت لینک‌ها و استفاده از ابزارهای تخصصی Diagnostics و Monitoring نقش مهمی در پایداری و قابلیت اطمینان شبکه دارند.

به همین دلیل، شناخت صحیح معماری PROFINET و روش‌های عیب‌یابی و مانیتورینگ آن برای مهندسان اتوماسیون، شبکه و نگهداری و تعمیرات (Maintenance) اهمیت زیادی دارد.

محصولات مرتبط:

​

سوئیچ صنعتی مدیریتی PROmesh P20 مشاهده محصول	سوئیچ صنعتی مدیریتی PROmesh P10 مشاهده محصول	PROFINET-INspektor® NT مشاهده محصول	ست کامل تشخیص شبکه پروفینت، PROFINET Diagnostic set مشاهده محصول	کانکتور پروفینت مشاهده محصول