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PROFINET

PROFINETの概要

PROFINETはPI(PROFIBUS & PROFINET International)が産業用オートメーションのために開発したEthernetベースの通信規格です。

PROFINETはEthernetのIEEE規格のIEEE802.3に適合しています。一般のEthernet通信と同様に、伝送媒体は銅線、光ファイバのどちらも使えます。トポロジもライン、リング、スターなど自由に選択できます。さらに、WLAN(Wireless LAN)などの無線も使用できます。このようにPROFINETは工場のオートメーションのあらゆる要求に応えることができます。

 

表1 PROFINETの通信仕様(IEEE802に準拠)

伝送種類 100BASE-TX(IEEE802.3u)、
オプション:1000BASE-T(IEEE802.3ab)等
伝送速度 100Mbits/s、
オプション:1Gbits/s等 (銅線の場合)
通信距離 100m(銅線の場合)
伝送ケーブル 銅線、光ファイバ、無線
トポロジ ライン、リング、スター、ツリー
最大接続台数 制限なし

 

PROFINETは、標準のEthernetをベースにしており、TCP/IPをサポートしています。現場機器がWebサーバ機能をもっている場合には、特別な対応をすることなくそのままアクセスすることができます。このようにPROFINETでは、PROFINETのリアルタイム通信とTCP/IP通信を共存させることができます(図1)。

 

図1 EtherCATデータフレームの流れ

図1 TCP/IPとリアルタイム性の共存

 

 

PROFINETの通信には、周期データ通信(リアルタイム通信)と非周期データ通信(NRT)があり、さらにリアルタイム通信には、RT(Real-time)とIRT(Isochronous Real-time)の2種類が規格化されています。リアルタイムデータ(RTとIRT)は標準のEthernetフレーム内のEthertypeの値[0x8892]を用いて、他の通信フレームと区別し、リアルタイム通信を実現します(ちなみにIP通信のEthertypeは[0x0800]です)。

 

(1)NRT(Non Real-time)[図1の@参照]
TCP/IPのプロトコルを使用して、リアルタイム性を要求しない非周期データ通信を行います。NRTではパラメータの読み書き、診断結果の読み出し、機器情報(I&M : Identification and Maintenance)情報の読み出しなどを行います。


(2)RT(Real-time)[図1のA参照]
RTは標準のEthernetハードウェア上にソフトウェアプロトコルを追加して、リアルタイム通信を実現します。具体的には、RTフレームはEthernetフレーム内のVALNタグ(IEEE803.1Q)を用いて優先度を定義し、NRTのフレームや一般のTCP/IPフレームよりも高い優先度で通信します。多くのフィールドバスと同等のパフォーマンスである10ms程度の周期のリアルタイム通信を実現します。


(3)IRT(Isochronous Real-time)[図1のB参照]
IRTは、高精度の同期制御で重要となる等時性とジッタ(ゆらぎ)を、RTよりさらに高いレベルで保証するリアルタイム通信です。例えば、150軸の多軸同期制御において、通信周期1ms以下、ジッタ(ゆらぎ)1μs以下を実現できます。これを実現するために、ハードウェアはスイッチ機能内蔵の専用ASICを使用し、図2に示すように通信サイクルをIRTチャネルとオープンチャネルに分け、1サイクルの中でリアルタイムデータと非リアルタイムデータの時分割通信を行います。この帯域分割は、PROFINET IRT機能を搭載するASICで実行されるため、機器に依存せずにIRT通信を実現できます。IRTの最小更新時間の初期値は250μsに決められていますが、最新の技術で最小更新時間を31.25μsまで低減できるようになりました。

 

図1 EtherCATデータフレームの流れ

図2 リアルタイム通信のコンセプト

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