PROFINET – Industrial Ethernet für die Automatisierung¶
Übersicht¶
PROFINET (Process Field Net) ist ein offener Industrial-Ethernet-Standard für Echtzeitkommunikation in der industriellen Automatisierung. Er wurde von der Profibus & Profinet International (PI) Organisation entwickelt und ist der Nachfolger von PROFIBUS.
PROFINET verbindet klassische Feldgeräte (z. B. Sensoren, Aktoren, SPS) über Ethernet-basierte Netzwerke mit Leitsystemen und ermöglicht:
- deterministische Kommunikation (Echtzeit),
- hohe Skalierbarkeit (vom Sensor bis zur Cloud),
- Integration in bestehende IT- und OT-Strukturen.
Varianten¶
PROFINET unterscheidet sich je nach Echtzeitanforderung in drei Varianten:
| Variante | Echtzeitniveau | Verwendung |
|---|---|---|
| PROFINET NRT (Non-Real-Time) | Standard TCP/IP-Kommunikation | Geräteparametrierung, Engineering |
| PROFINET RT (Real-Time) | <10 ms (zyklisch) | Prozessdatenübertragung (z. B. SPS <-> IO) |
| PROFINET IRT (Isochronous Real-Time) | <1 ms, deterministisch | Hochpräzise Antriebsregelung (Motion Control) |
Technische Details¶
| Merkmal | Details |
|---|---|
| Protokollbasis | Ethernet IEEE 802.3 |
| Transportprotokolle | Ethernet (Layer 2), TCP/UDP für Engineering (NRT) |
| OSI Layer | Layer 2 (RT/IRT), Layer 3/4 (TCP/UDP für Parametrierung) |
| Ports | UDP 34964 (DCP), TCP 34962/34963 (RPC) |
| Topologie | Linien-, Stern-, Ring- und Baumstrukturen möglich |
| Geräteklassen | IO-Controller (z. B. SPS), IO-Devices (Sensoren/Aktoren), IO-Supervisor (z. B. PC/HMI) |
Kommunikationstypen¶
- Zyklisch (RT/IRT): Regelmäßiger Datenaustausch mit festen Takten.
- Azyklisch (NRT): Konfigurationsdaten, Diagnosen, Alarme.
- Broadcast / Multicast: Geräteerkennung via DCP.
Gerätekommunikation¶
PROFINET nutzt einen sogenannten GSDML-Gerätestammdatei (XML-basiert), die das Geräteverhalten beschreibt und vom Engineering-Tool verarbeitet wird. So wird die Inbetriebnahme vereinfacht.
Kommunikationsprinzip:¶
- Engineering-Tool konfiguriert Netz und Teilnehmer.
- IO-Controller lädt Konfiguration in IO-Devices.
- Zyklische Datenübertragung beginnt (RT/IRT).
- Fehler und Diagnosen werden azyklisch gemeldet.
Echtzeitmechanismen¶
PROFINET RT¶
- Priorisierung im Ethernet Stack.
- Keine Synchronisation notwendig.
- Genügt für viele Standardanwendungen.
PROFINET IRT¶
- Zeitsynchronisation über IEEE 1588 (PTP).
- Zeitschlitze für Kommunikation (Time Scheduling).
- Notwendig bei hochpräziser Antriebstechnik.
Sicherheit¶
PROFINET selbst ist nicht verschlüsselt. Sicherheit wird durch Netzwerksegmentierung und Firewalls gewährleistet. Ergänzende Technologien:
- VLANs zur Trennung von Netzbereichen
- ACLs (Access Control Lists)
- PROFINET Security Class 1-3 (nach IEC 62443)
- TLS-basierte Erweiterungen in Entwicklung
Vorteile¶
| Vorteil | Beschreibung |
|---|---|
| Echtzeitfähig (RT/IRT) | Reaktionszeiten <1 ms mit deterministischem Verhalten |
| Ethernet-basiert | Integration in Standard-Netzwerke möglich |
| Skalierbarkeit | Vom Sensor bis zur Leitebene |
| Diagnosefähigkeit | Umfangreiche Fehlerdiagnose und Selbstprüfung |
| Gerätehersteller-unabhängig | Offener Standard mit breiter Herstellerunterstützung |
Nachteile¶
| Nachteil | Erklärung |
|---|---|
| Höherer Aufwand bei IRT | Synchronisation und spezieller Switch-Hardware nötig |
| Keine native Verschlüsselung | Sicherheitsfunktionen müssen extern realisiert werden |
| Komplexität bei Inbetriebnahme | Je nach Netzstruktur und Echtzeitanforderungen |
Typische Einsatzbereiche¶
- Maschinen- und Anlagenbau
- Fertigungsautomatisierung
- Antriebstechnik und Motion Control
- Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie
- Infrastruktur (z. B. Tunnel, Energieverteilung)
Vergleich mit ähnlichen Protokollen¶
| Merkmal | PROFINET | EtherNet/IP | Modbus TCP |
|---|---|---|---|
| Echtzeitfähigkeit | RT & IRT (bis <1 ms) | CIP Sync (moderat) | Nein |
| Topologie | Flexibel | Flexibel | Einfach, meist Stern |
| Antriebssynchronisation | Ja (mit IRT) | Eingeschränkt | Nein |
| Engineering-Toolbindung | Stark (GSDML) | EDS-Dateien | Kaum standardisiert |
| Verbreitung in Europa | Sehr hoch | Mittel | Gering |
Fazit¶
PROFINET ist ein leistungsfähiges und weit verbreitetes Industrial-Ethernet-Protokoll für die Echtzeitkommunikation in der Automatisierung. Es vereint die Offenheit von Ethernet mit der Echtzeitfähigkeit klassischer Feldbusse. Durch die verschiedenen Leistungsstufen (NRT, RT, IRT) eignet es sich für einfache Sensor-Aktor-Kommunikation bis hin zu anspruchsvoller Motion-Control-Antriebstechnik.
Für eine moderne, deterministische und hochverfügbare Automatisierungslandschaft ist PROFINET ein zentraler Baustein.