PROFINET プロトコルのアーキテクチャ、動作原理、利点と欠点の包括的な分析

PROFINET は、産業オートメーション システムで使用される通信プロトコルです。 これは、産業用制御システムとセンサー、アクチュエーター、その他のコントローラーなどのデバイス間の通信を可能にするイーサネット ベースのプロトコルです。 PROFIBUS International によって開発された PROFINET は、製造および産業オートメーションで広く使用されているプロトコルです。 現在、PROFINET は産業オートメーション分野における主流の通信プロトコルの 1 つとなり、さまざまな産業オートメーション機器やシステムで広く使用されています。 統計によると、2019 年の時点で、世界中で 250,000 を超える PROFINET IO ノードと 500 万を超える PROFINET IO デバイスが使用されています。 PROFINET は、製造、自動車産業、食品および飲料産業、エネルギーおよび水処理産業などのさまざまな産業でもますます広く使用されています。

PROFINET のアーキテクチャ

PROFINET は、物理層、データリンク層、ネットワーク層、アプリケーション層を含む階層型アーキテクチャを採用しています。 PROFINET の物理層は、標準のイーサネット ケーブルとコネクタを使用して、複数の伝送速度と距離をサポートします。 PROFINET のデータリンク層は、リアルタイムのデータ送信とネットワーク管理をサポートする PROFINET IO プロトコルを採用しています。 PROFINET のネットワーク層は TCP/IP プロトコルを採用し、さまざまなネットワーク トポロジとルーティング戦略をサポートします。 PROFINET のアプリケーション層は PROFINET プロトコルを採用し、さまざまなデバイスとコントローラ間の通信と連携をサポートします。

PROFINET の仕組み

デバイスの接続と自動識別: PROFINET ネットワーク内のデバイスはイーサネット物理層を介して接続され、自動識別および自動構成機能をサポートします。 デバイスが PROFINET ネットワークに参加すると、PROFINET コントローラは新しいデバイスのタイプ、アドレス、属性、その他の情報を自動的に識別し、そのデバイスの IP アドレス、MAC アドレス、ネットワーク パラメータなどを自動的に設定します。

通信プロトコルとデータ送信: PROFINET 通信プロトコルは Ethernet テクノロジーに基づいており、TCP/IP プロトコル スタックを採用し、これに基づいて最適化および拡張されています。 PROFINET 通信プロトコルは、非リアルタイム データ、リアルタイム データ、制御データ、故障診断データなど、さまざまな種類のデータの送信をサポートします。 PROFINET ネットワークでは、IO データ通信、TCP/IP データ通信、リアルタイム データ通信の 3 つの方法でデータ伝送を実現できます。

リアルタイム通信メカニズム: PROFINET はリアルタイム通信メカニズムを採用しており、高速、信頼性、正確なリアルタイム データ伝送を実現できます。 PROFINET は、PROFINET RT と PROFINET IRT という 2 つのリアルタイム通信メカニズムをサポートしています。 PROFINET RT は、モーション コントロール アプリケーションなどの低遅延、高速リアルタイム データ送信に適しています。 PROFINET IRT は、温度制御、流量制御などの高精度制御および監視アプリケーションに適しています。リアルタイム通信メカニズムは、PROFINET IO デバイスと PROFINET I/O コントローラ間の定期的な通信によって実装できます。

ネットワーク トポロジと冗長性メカニズム: PROFINET ネットワークは、スター、バス、リング、ツリーなどの複数のトポロジをサポートします。異なるトポロジは、異なるアプリケーション要件やネットワーク パフォーマンス要件を満たすことができます。 同時に、PROFINET は、デバイスの冗長性、パスの冗長性、ポートの冗長性など、ネットワークの信頼性と安定性を向上させる冗長性メカニズムもサポートしています。

産業オートメーション通信プロトコルとして、PROFINET には次の利点と欠点があります。

アドバンテージ：

効率: PROFINET は Ethernet テクノロジーに基づいており、これに基づいて最適化および拡張されているため、高い効率を備えています。 高速、信頼性、正確なリアルタイム データ送信とネットワーク通信をサポートし、産業オートメーションの分野におけるリアルタイムおよび非リアルタイムの通信要件を満たすことができます。

柔軟性: PROFINET は、スター、バス、リング、ツリーなどのさまざまなネットワーク トポロジをサポートしており、さまざまなアプリケーション要件やネットワーク パフォーマンス要件に応じて柔軟に選択できます。 同時に、PROFINET は、ネットワークの信頼性と安定性を向上させるために、デバイス冗長性、パス冗長性、ポート冗長性などの複数の冗長性メカニズムもサポートしています。

スケーラビリティ: PROFINET は、センサー、アクチュエーター、ロボット、オートメーション システムなど、さまざまなデバイスやアプリケーションをサポートできるスケーラブルな通信プロトコルです。同時に、さまざまなデータ タイプやプロトコルもサポートできます。 -リアルタイムデータ、リアルタイムデータ、制御データ、故障診断データ。

統合が容易: PROFINET ネットワーク内のデバイスは、自動識別および自動構成機能を通じて迅速に統合および構成できるため、デバイスのインストールとデバッグの困難さが軽減され、生産効率と作業効率が向上します。

欠点:

複雑さ: 高度な通信プロトコルである PROFINET は、他の単純なプロトコルよりも学習コストと実装コストが高くなります。 また、PROFINET ネットワークの構築や保守にも高いスキルと経験が必要であり、サポートや管理には専門のエンジニアや技術者が必要です。

コスト: PROFINET ネットワークには、PROFINET コントローラー、PROFINET IO デバイス、ネットワーク スイッチなどのハードウェアとソフトウェアのコストが高くつきます。同時に、PROFINET デバイスとアプリケーションも認証および許可される必要があり、対応する料金を支払う必要があります。

セキュリティ: PROFINET ネットワーク通信のセキュリティには、ファイアウォール、データ暗号化、認証などを含む特別な構成と管理が必要です。セキュリティ対策が講じられていない場合、PROFINET ネットワークはセキュリティ上の脅威や攻撃に直面する可能性があります。

要約すると、PROFINET プロトコルには、高性能、高信頼性、相互運用性、視覚化という利点がありますが、構成とメンテナンスの複雑さ、特別な機器の必要性、セキュリティの問題、導入の制限などの欠点もあります。 PROFINET プロトコルを使用する場合は、その利点と欠点を総合的に考慮し、適切なアプリケーション シナリオと実際のニーズを選択する必要があります。

将来の PROFINET の開発方向には主に次の側面が含まれます。

インダストリー 4.0 のニーズへの適応: インダストリー 4.0 の急速な発展に伴い、PROFINET はデバイス間の相互接続とデータの共有にますます注目し、相互運用性と多用途性にもさらに注意を払い、より柔軟で効率的なサービスを提供します。 インテリジェントなソリューション。

セキュリティの強化: 産業オートメーションの継続的な発展に伴い、ネットワーク セキュリティの脅威や攻撃はますます一般的になってきています。 PROFINET は、ネットワーク通信のセキュリティにさらに注意を払い、より包括的なセキュリティ対策を提供します。

リアルタイム パフォーマンスとパフォーマンスの向上: PROFINET は、リアルタイム パフォーマンスとパフォーマンスを向上し続け、より高いデータ転送速度とより低い遅延を提供して、産業用オートメーション機器およびシステムのリアルタイム パフォーマンス要件とパフォーマンス要件を満たします。

インテリジェンスと可視化の強化：PROFINETは、インテリジェンスと可視化機能をさらに強化し、より豊富な監視、診断、予測機能を提供し、機器とシステムのインテリジェントな管理と保守を実現します。

適用範囲の拡大: PROFINET は適用範囲をさらに拡大し、医療、航空宇宙、ロボット工学など、より多くの産業および分野を巻き込むことになります。

つまり、PROFINET は高度な産業オートメーション通信プロトコルとして、今後も重要な役割を果たし続け、産業オートメーションの分野で継続的な革新と開発を促進することになります。