Industrielle Kommunikation mit PROFINET

PROFINET

PROFINET ist mehr als nur ein Datenübertragungsprotokoll, das auf der Ethernet-Technik basiert. Es ist ein Standard, der hoch performante Netzwerke aufbaut und infolgedessen effiziente Automation in smarten Fabriken ermöglicht. PROFINET ist in industrieller Umgebung nicht mehr wegzudenken.

Sie wollen erfahren, wie Datenkommunikation mit PROFINET aussieht, welche Anforderungen zu erfüllen sind und was Sie bei der Produktauswahl beachten müssen? Praktischerweise können wir Ihre Fragen direkt im nachstehenden Text beantworten.

 

Ethernet und PROFINET – einfach erklärt

Was ist Ethernet?

Ethernet ist eine Datenübertragungstechnik für kabelgebundene Netzwerke und der Standard zur Übermittlung von Datenpaketen in lokalen Heim- oder Büro-Netzwerken (LAN).

Daten werden also über Ethernet gesendet und empfangen. Ethernet funktioniert nicht kabellos wie WLAN, sondern nur kabelgebunden.

Der Berufsverband IEEE hat dieses Netzwerkprotokoll sowie den Aufbau seiner Pakete mit der IEEE-Spezifikation 802.3 definiert und standardisiert.

Ethernet bildet die Basistechnologie für das größte Netzwerk der Welt – das Internet, und ist somit auch der meist benutzte Standard der Welt.

 

Was ist Industrial Ethernet?

Die Eigenschaften des klassisches Ethernets aus dem Gebäudeverkabelungsbereich sind jedoch für industrielle Umgebungen nicht ausreichend. In Büroumgebungen sollen Datenpakete zuverlässig gesendet und empfangen werden können. Kleinere, zeitliche Verzögerungen spielen hier aber keine elementare Rolle.

Im Industriebereich wird Industrial Ethernet (IE) eingesetzt. Mit Hilfe des Industrial Ethernet ist es nun möglich, die Office-Welt mit der Industrie-Welt zu verbinden. D. h., um die einzelnen Maschinen sowohl in der Fertigungs- als auch in der Prozessautomatisierung mit der Steuerungsebene zu vernetzen. Über Industrial Ethernet können Datenpakete zum exakt erforderlichen Zeitpunkt versandt und empfangen werden (Determinismus). Denn gerade in Automatisierungssystemen mit harten Echtzeitanforderungen sind Paketverzögerungen schlichtweg nicht hinnehmbar und verursachen teils gravierende Konflikte.

Außerdem sind die Umweltbedingungen im Industriebereich wesentlich anspruchsvoller als im Büro. In der Fertigung ist mit Öl, oft hohen Temperaturen und Feuchtigkeit zu rechnen. Auch sind hohe dynamische Anforderungen zu erfüllen, dort wo Leitungen ständig bewegt werden. Die eingesetzten Komponenten müssen entsprechend robust gebaut sein, um hier dauerhaft und zuverlässig zu funktionieren.

Das gesamte System sollte des Weiteren so einfach in der Anwendung sein, dass es durch nicht-IT-Experten, nämlich Automatisierer, planbar installierbar und wartbar ist.

 

Und wie reiht sich PROFINET da ein?

ICON CERT PROFINET 4c

PROFINET (Process Field Network) ist ein auf dem Industrial-Ethernet-Protokoll basierender Datenübertragungsstandard. Ein spezielles Kommunikationssystem, das für den Einsatz in industriellen Netzwerken ideal geeignet ist und in Europa führend ist.

PROFINET ist für jede Automatisierungstechnik und in jeder Branche einsetzbar.

Während Industrial Ethernet nur die Anforderungen des Datenübertragungsprotokolls regelt, beschreibt der PROFINET-Standard mehr als nur die Datenübertragung. Der Standard trifft auch Aussagen über den zulässigen Aufbau und die Farbe von Kabelaußenmantel und Adern, definiert Steckgesichter von Steckverbindern und vieles mehr.

Übrigens: PROFINET ist nicht zu verwechseln mit dem sehr ähnlichen klingenden PROFIBUS , dem Protokollstandard für die Feldbuskommunikation.

 

PROFINET – Entstehung und Normung

Das Industrial-Ethernet-System PROFINET wurde von der Siemens AG in Zusammenarbeit mit der PROFIBUS- & PROFINET- Nutzerorganisation (PNO) entwickelt. Mittlerweile ist diese Nutzerorganisation weltweit tätig und hat Hunderte von Mitgliedern.

Auch LAPP beteiligt sich durch aktive Mitarbeit an den jeweiligen Arbeitsgruppen.

Das PROFINET-System ist international in der IEC 61918 „Industrial communication networks – Installation of communication networks in industrial premises” für die Verkabelung innerhalb und zwischen Automation Islands bzw. Fertigungsinseln spezifiziert. Die spezifische Infrastruktur für PROFINET-Verkabelungs- und Anschlusslösungen ist wiederum in der IEC 61784-5-3 standardisiert. Sie umfasst sowohl die kupferbasierten als auch die optischen Übertragungsmedien sowie die kabellose Übertragung. Die „PROFINET Cabling and Interconnection Technology Guideline“ wird von einer Arbeitsgruppe innerhalb der PNO erstellt. Diese Guideline gibt die IEC 61784-5-3 wieder.

 

Welche Vorteile bietet PROFINET?

PROFINET bringt die Vorteile vieler anderer Protokollstandards unter einen Hut:

  1. 100%ige Ethernet-Kompatibilität
  2. Flexibilität im Funktionsumfang dank modularem Aufbau nach Konformitätsklassen
  3. Interoperabilität der PROFINET-konformen Komponenten dank Standardisierung
  4. Leicht erweiterbare Anlagen
  5. Einfache Integration von Feldbus-Systemen
  6. Hochgradig verfügbare Anlagen
  7. Geringer Wartungsbedarf des Netzwerks
  8. Bewährte Sicherheits- und Diagnosekonzepte
  9. Skalierbare Echtzeitkommunikation
  10. Zertifizierungspflichtige Komponenten garantieren eine hohe Zuverlässigkeit des Systems

 

Welche PROFINET-Varianten gibt es?

Das am meisten favorisierte PROFINET-System ist PROFINET IO (Input/Output) aus dem Jahr 2006. Das Kommunikationssystem PROFINET IO ist modular gestaltet und in verschiedenen Varianten aufbaubar. Die variierenden Funktionsumfänge erlauben es, ein Unternehmensnetzwerk auf vielfältige Weise zu gestalten. Weil jede Automatisierungsanlage eigene Anforderungen an die Datenübertragung stellt, entscheidet der Anlagenbetreiber auf Basis von sogenannten Konformitätsklassen, welche Funktionalität benötigt wird.

Welche unterschiedlichen Conformance Classes bietet PROFINET?

Die möglichen Anwendungen werden in vier Konformitätsklassen eingeteilt, die beispielsweise die einsetzbaren Gerätetypen (Controller, Device, Supervisor), das verwendete Übertragungsmedium und die Art der Kommunikation festlegen. So wird sichergestellt, dass die Komponenten einer Klasse immer kompatibel sind und die nötigen Anforderungen erfüllen. Eine Klasse ergänzt den Funktionsumfang der darunterliegenden Klasse um weitere Funktionalitäten.

Die Konformitätsklassen auf einen Blick:

Conformance Class Verwendetes Übertragungsmedium Typische Einsatzmöglichkeiten Beispiele des Funktionsumfangs
CC-A Kupferleiter
Lichtwellenleiter
Wireless
Für Infrastruktur-Netzwerke und Gebäudeautomation
  • Zyklische Echtzeitkommunikation über RT
  • Azyklische Kommunikation über TCP/IP
CC-B Kupferleiter und Lichtwellenleiter Für Fertigungs- und Prozessautomatisierung
  • Nachbarschaftserkennung über LLDP
  • Netzwerkdiagnose über SNMP
  • Redundante Kommunikation durch zwei IO-Controller
CC-C Kupferleiter und Lichtwellenleiter Für Motion-Control-Anwendungen
  • Isochrone Kommunikation über IRT für Taktsynchronität
  • Bandbreitenreservierung
CC-D Kupferleiter und Lichtwellenleiter Für diverse Anwendungen
  • Funktionsumfang wie CC-C, jedoch erfolgen die Aktionen über Time-Sensitive Networking (TSN)-Standards

Hinweis: Achten Sie bei der Auswahl Ihrer Komponenten darauf, dass diese zur Conformance Class passen, die Sie für Ihre Automatisierungsanlage gewählt haben.

 

Wie erfolgt die Verkabelung im PROFINET-Netzwerk?

Die Guideline for PROFINET spezifiziert den Aufbau sowie die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Kupferleitungen, Kupfer-Hybridleitungen und Lichtwellenleitern, die in PROFINET-Netzwerken verwendet werden dürfen. Darunter fallen, abhängig von der Leitungsart, auch Anforderungen bezüglich

  • Kabelbeschriftung,
  • Aderidentifikationsfarben,
  • Schirmungsart,
  • Farbe des Außenmantels,
  • Widerstandswerte,
  • Dämpfungswerte,
  • Frequenzbereiche,
  • Temperaturbeständigkeit,
  • Flammwidrigkeit und vieles mehr.

 

 

Welche Kabel sind für PROFINET geeignet?

Spezifikation für Kupferleitungen

Für Kupferleitungen wurden vier Leitungstypen definiert, sowohl für 2- als auch für 4-paarige Leitungen.

Die Anforderungen an Kupferleitungen (nur Signalübertragung) auf einen Blick:

Leitungstyp Verlegung Leiter Aufbau
Typ A
  • für feste Installation
  • keine Bewegung nach Installation
Massivleiter 2-paarig: AWG22/1

4-paarig: min. AWG23/1

Typ B
  • für flexible Installation
  • gelegentliche Bewegung der Leitung nach Installation
Flexibler Litzenleiter, 7-drähtig 2-paarig: AWG22/7

4-paarig: min. AWG23/7

Typ C
  • für spezielle Anwendungen
  • z. B. Einsatz in Schleppketten oder Einsatz mit Torsionsbelastung
Massivdraht oder flexibler Litzenleiter, bis 19-drähtig 2-paarig: AWG22/1 … 19

4-paarig: min. AWG24/1 … 19

Typ R
  • für Roboteranwendungen
Massivdraht oder flexibler Litzenleiter, bis 19-drähtig 2-paarig: AWG22/1 … 19
ETHERLINE Cat.5

Neben den symmetrischen Leitungsaufbauten erlaubt PROFINET ebenso hybride Leitungsaufbauten (Typ B und C), wie unsere ETHERLINE® Cat.5 FRNC HYBRID (Typ B). Hybridleitungen enthalten Adern sowohl zur Signalübertragung als auch zur Energieversorgung.

Fast Connect für PROFINET

Viele unserer PROFINET-Datenleitungen besitzen einen “Fast Connect”-Aufbau mit speziellem Innenmantel sowie einem Trennkreuz anstelle von geschirmten Aderpaaren (erkennbar am FC im Produktnamen). Bei der Konfektionierung der Datenleitung mit einem geeigneten Steckverbinder entfällt somit die ansonsten beschwerliche Entfernung der Paarschirmung.

Ein Fast-Connect-System steht für eine ganzheitliche Lösung von der Leitung über die Steckerlösung bis zum passenden Werkzeug.

Mit FC-Produkten gewinnen Sie eine bis zu 50 %ige Zeitersparnis bei der Konfektionierung Ihrer Datenleitung. Das klingt nicht nur toll, sondern ist es auch.

Überzeugen Sie sich, wie UNumständlich das Fast-Connect-System ist und wie viel schneller Sie damit die Leitungskonfektionierung durchführen.

 

Spezifikation für Lichtwellenleiter

Für POF-, PCF- und GOF- Lichtwellenleiter wurden jeweils zwei Kabeltypen bestimmt.

Die Anforderungen an Lichtwellenleiter (optische Signalübertragung) auf einen Blick:

Leitungstyp Verlegung Aufbau Durchmesser Kern/ Mantel
Typ B
  • für feste Installation oder
  • für flexible Installation
  • 2 POF-Fasern: Kern und Mantel aus Kunststoff
  • 2 PCF-Fasern: Kern aus Glas, Mantel aus Kunststoff
  • 2 GOF-Fasern: Kern und Mantel aus Glas
POF: 980/1000 µm

PCF: 200/230 µm

GOF singlemode: 9/125 µm

GOF multimode: 50/125 µm oder  62,5/125 µm

Typ C
  • für spezielle Anwendungen
  • z. B. Einsatz in Schleppketten oder Einsatz mit Torsionsbelastung
  • 2 POF-Fasern: Kern und Mantel aus Kunststoff
  • 2 PCF-Fasern: Kern aus Glas, Mantel aus Kunststoff
  • 2 GOF-Fasern: Kern und Mantel aus Glas
POF: 980/1000 µm

PCF: 200/230 µm

GOF singlemode: 9/125 µm

GOF multimode: 50/125 µm oder  62,5/125 µm

 

Alles im grünen Bereich?

Die Farbe des Außenmantels von PROFINET-Leitungen ist übrigens fest vorgegeben und ein ziemlich eindeutiges Erkennungsmerkmal (zumindest für Typ A- und Typ B-Leitungen): Grün RAL6018.

Für Typ C und Typ R ist sie bevorzugt zu verwenden.

 

Welche Steckverbinder sind für PROFINET geeignet?

Die PROFINET-Guideline spezifiziert für die Anschlusstechnik verschiedene Steckverbindertypen – sowohl für die Verkabelung in geschützten Bereichen wie im Schaltschrank, wo eine niedrige Schutzart verlangt wird, aber auch für die Verkabelung im Feld mit höheren Anforderungen an schmutz- und feuchtigkeitsresistente Steckverbinder.

Spezifikation für Kupfersteckverbinder

Für die Datenübertragung von Industrial Ethernet im PROFINET-System haben sich auf Seiten der Kupfersteckverbinder zwei Standards etabliert – RJ45 und M12.

Die Anforderungen an Steckverbinder für Kupferleitungen auf einen Blick:

ETHERNET Steckverbinder PROFINET
Steckverbindertyp Steckverbinderklasse Schutzart Steckgesicht Übertragungsrate
RJ45 Für geschützte Umgebungen IP 20 Für 2- und 4-paarige Leitungen bis zu 100 Mbit/s

bis zu 10 Gbit/s

M12 D-kodiert Für Anwendungen im Feld IP 67 für 2-paarige Leitungen bis zu 100 Mbit/s
M12 X-kodiert Für Anwendungen im Feld IP 67 für 4-paarige Leitungen bis zu 10 Gbit/s

Das Hauptaugenmerk bei feldkonfektionierbaren Steckverbindern sollte darauf liegen, dass sie möglichst einfach und ohne Spezialwerkzeug anzuschließen sind. Darüber hinaus sollten sich die Steckverbinder mit so vielen Leitungen wie möglich in Verbindung bringen lassen. Das bedeutet, dass sie hinsichtlich Aderquerschnitten und -durchmessern, Leiteraufbau und Leitungsaußendurchmessern ein breites Spektrum abdecken.

Spezifikation für LWL-Steckverbinder

Für die Datenübertragung von Industrial Ethernet im PROFINET-System haben sich auf Seiten der optischen Steckverbinder nachfolgende Standards etabliert.

 

LWL Steckverbinder PROFINET

Die Anforderungen an Steckverbinder für Lichtwellenleiter auf einen Blick:

Steckverbindertyp Steckverbinderklasse Schutzart Fasertyp
SC-RJ Für geschützte Umgebungen IP 20 Für POF, PCF
ST Für geschützte Umgebungen IP 20 Für POF, PCF, jedoch nur für bestehende Installationen
LC DUPLEX Für geschützte Umgebungen IP 20 Für GOF

 

Lust auf mehr?

Ob 4- oder 8-adrige PROFINET-Leitungen der Marke ETHERLINE® oder Lichtwellenleiter als POF-, PCF- oder GOF-Varianten aus unserem HITRONIC® Sortiment – die Lapp Gruppe hat für Ihre PROFINET-Anwendung die richtige Verkabelungslösung. Nachfolgend einige Highlights aus unserem e-Shop:

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Kupferleitungen

ETHERLINE PN Cat.6A FC

Zur festen Verlegung im PROFINET®-Netzwerk (Typ A): Durch ihren Fast-Connect-Aufbau mit Trennkreuz zwischen den Aderpaaren lässt sich die UL-zertifizierte Ethernet-Leitung (Cat. 6A) besonders schnell konfektionieren und überzeugt gleichzeitig durch hervorragende EMV-Eigenschaften. Wählen Sie aus drei verschiedenen Mantelmaterialien.

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ETHERLINE® ROBOT PN Cat.5e

Setzen Sie für Roboterapplikationen auf unsere Industrial-Ethernet-Leitung, die nach einheitlichem PROFINET®-Standard „Typ R“ entwickelt und getestet wurde. Schleppketten-, Torsions- und Wechselbiegeeigenschaften werden ab sofort in nur einer Leitung vereint. Bei der Erarbeitung und Standardisierung der Anforderungen für diese PROFINET®-Netzwerkklasse war LAPP von Anfang an beteiligt.

ETHERLINE® Cat.5-Leitungen für PROFINET-Anwendungen

ETHERLINE® Cat.6A-Leitungen für PROFINET-Anwendungen

ETHERLINE® Cat.7-Leitungen für PROFINET-Anwendungen

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Lichtwellenleiter

HITRONIC® GOF DUPLEX PNB

Der Produktname steht für Glasfaser + PROFINET + Gebäudeinstallation in einem! Das hoch flammwidrige Breakoutkabel mit CPR-Klassifizierung eignet sich für die Schaltschrank- sowie strukturierte Gebäudeverkabelung innerhalb von PROFINET-Netzwerken. Sowohl die Einzelkabel im Inneren wie auch der Außenmantel überzeugen durch halogenfreie Materialien.

HITRONIC GOF DUPLEX PNC

HITRONIC® GOF DUPLEX PNC

Der Produktname steht für Glasfaser + PROFINET + permanente Bewegung in einem! Das Breakoutkabel vereint Schleppketten-, Torsions- und Wechselbiegeeigenschaften und eignet sich für bewegte Anwendungen, Vibration oder Torsion innerhalb von PROFINET-Netzwerken. Dank PUR-Außenmantel erweist sich das Produkt als besonders langlebig und robust.

HITRONIC® POF Kabel für PROFINET-Anwendungen

HITRONIC® PCF Kabel für PROFINET-Anwendungen

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