Profinet Nedir? Kablosu, Soketi ve Çalışma Mantığı

Profinet nedir, ne işe yarar?

Profinet, PLC gibi bir kontrolör ile sahadaki sensör, sürücü ve giriş/çıkış birimleri arasındaki veri alışverişini endüstriyel Ethernet üzerinden düzenleyen haberleşme standardıdır. Adı “Process Field Network” sözcüklerinden gelir. Standardı PROFIBUS & PROFINET International (PI) yönetir; Profinet IO, IEC 61158 ve IEC 61784-2’nin parçasıdır.

Fiziksel katmanda IEEE 802.3 Ethernet kullanılır ve tipik hız 100 Mbit/s’dir. Gerçek zamanlı Profinet trafiği, aynı kablo üzerinde standart TCP/IP trafiğiyle birlikte akabilir. İlk Profinet IO spesifikasyonu 2003’te yayımlandı, 2006’da da IEC standartlarına girdi.

Profinet nasıl çalışır?

Profinet ağında üç rol vardır ve haberleşme sağlayıcı-tüketici (provider-consumer) modeline dayanır: çıkış verisinin sağlayıcısı kontrolör, girişlerin sağlayıcısı saha cihazlarıdır.

Rol	Görevi	Örnek
IO-Controller	Otomasyon görevini yürütür, saha cihazlarını kontrol eder	PLC, dağıtık kontrol sistemi (DCS), endüstriyel PC
IO-Device	Kontrol edilen saha cihazı; modül ve alt modüllerden oluşabilir	Giriş/çıkış bloğu, sürücü, sensör, aktüatör
IO-Supervisor	Parametre ayarı ve tanılama; gerektiğinde geçici olarak bağlanır	PC tabanlı yazılım

Bir IO-Device’ın kontrolör tarafından devreye alınması dört adımda olur:

1. Ad ve adres: Her IO-Device’a mühendislikte kullanıcının belirlediği bir istasyon adı verilir; ad 240 karaktere kadar olabilir. Kontrolör cihazı ağda bu adla bulur ve ona önceden yapılandırılmış IP adresini atar. Ad ve adres atamada DCP (Discovery and basic Configuration Protocol) kullanılır; DHCP seçenektir.
2. Bağlantı: Kontrolör bir bağlantı isteği gönderir ve iki cihaz arasında bir uygulama ilişkisi (Application Relation, AR) kurulur. Parametreler, döngüsel veri ve alarmlar bu ilişkinin içinde ayrı kanallardan taşınır.
3. Parametreler: Kontrolör, her alt modülün parametrelerini cihazın GSDML dosyasına göre yazar.
4. Veri alışverişi: Ardından döngüsel veri başlar. Veri belirli süre yenilenmezse bekçi zamanlayıcı (watchdog) bağlantıyı sonlandırır; bağlantı kasıtlı olarak kesilmediyse kontrolör onu yeniden kurmayı dener.

Gerçek zamanlı döngüsel veri ve alarmlar ara katmanlara (IP, UDP) uğramadan doğrudan Ethernet çerçevesiyle gider; parametre okuma ve yazma gibi döngüsel olmayan işler UDP/IP üzerinden yürür. Her IO-Device tanılamayı ve alarm iletimini desteklemek, kendisini tek olarak tanıtan I&M 0 kimlik verisini taşımak zorundadır.

Profinet cihazları LLDP ile komşularını da belirler. Ağ topolojisi biliniyorsa ve cihazlar isteğe bağlı otomatik adreslemeyi destekliyorsa, yeni takılan cihaz adını topolojideki yerinden alır; bu durumda arızalı cihaz ek ayar yapılmadan değiştirilebilir.

GSDML dosyası: IO-Device’ın özelliklerini üreticinin hazırladığı XML tabanlı bir dosya tanımlar; bu dosya Profibus’taki GSD’nin Profinet karşılığıdır ve dili GSDML’dir (GSD Markup Language). Dosyada cihazın giriş/çıkış verisi, kanalları, parametreleri ve alarmları bulunur; yapısı ISO 15745’e uyar. GSDML mühendislik yazılımına yüklenir ve cihazın modülleri orada yapılandırılır. Başlangıçta kontrolör cihaza beklediği modülleri bildirir; takılı modüller farklıysa cihaz hata mesajı gönderir.

Profinet RT, IRT ve TSN nedir, uygunluk sınıfları nelerdir?

RT, IRT ve TSN, Profinet’in zaman kritik veriyi taşıdığı üç gerçek zamanlı haberleşme yoludur.

• RT (Real-Time): Değiştirilmemiş standart Ethernet üzerinde çalışır; A ve B sınıfı uygulamalarda çevrim süresi 1-10 ms aralığındadır.
• IRT (Isochronous Real-Time): Sürücü teknolojisi gibi 1 ms’nin altında çevrim süresi gereken uygulamalar içindir. 100 Mbit/s bant genişliğinin bir bölümü yalnız gerçek zamanlı veriye ayrılır; anahtarlar dahil tüm cihazların saatleri IEEE 1588 (PTP) ile en çok 1 µs sapmayla eşlenir. PI’ye göre V2.3 spesifikasyonundaki eklerle çevrim süresi 31,25 µs’ye kadar iner; PI North America bu değer için 1 µs titreşim (jitter) verir.
• TSN (Time-Sensitive Networking): IEEE’nin zaman duyarlı ağ mekanizmalarıyla IRT’nin hizmetlerinin aynısını sağlar.

Uygunluk sınıfları (Conformance Class): Her Profinet cihazının sınıfına göre zorunlu bir özellik seti vardır ve sınıflar birbirinin üstüne kurulur; CC-C, CC-A ve CC-B’nin bütün işlevlerini içerir. PI North America’nın sayfası üç sınıf sayar (A, B, C); Wikipedia ve Hilscher dört sınıf verir. Wikipedia’ya göre dördüncü sınıf CC-D, 2019’da TSN ile eklendi.

Sınıf	Öne çıkan işlevler	Tipik uygulama (Wikipedia)
CC-A	RT haberleşme, döngüsel giriş/çıkış, parametre, alarm, topoloji bilgisi	Altyapı tesisleri, bina otomasyonu
CC-B	CC-A’ya ek olarak SNMP ile ağ tanılama ve topoloji tespiti; sistem yedekliliği proses otomasyonunda zorunlu	Fabrika ve proses otomasyonu
CC-C	CC-B’ye ek olarak IRT ile bant genişliği ayırma ve senkronizasyon	Hareket kontrolü
CC-D	CC-C’nin işlevleri, TSN mekanizmalarıyla	Genel

Profinet kablosu nasıl olmalı?

Profinet kablosu bakır ya da fiber optik bir endüstriyel Ethernet kablosudur. Profinet IEEE 802.3 Ethernet’e dayandığı için standart Ethernet kablosu da çalışır; fakat ofis kablosu fabrika koşullarında kolay hasar görebildiği için ekranlı, sağlam kılıflı endüstriyel kablolar yaygın seçimdir. Profinet için üretilen kabloların kılıfı çoğunlukla yeşildir.

Özellik	Bakır kablo	Fiber optik kablo
Yapı	En yaygını 4 damarlı, ekranlı	İki paralel fiber
Hız	100 Mbit/s, tam çift yönlü; 8 damarlı kabloda 1 Gbit/s	100 Mbit/s’ye kadar, tam çift yönlü
Segment uzunluğu	100 m	Kilometrelerce
Elektriksel yalıtım ve girişim	Yalıtım sağlamaz; elektromanyetik girişime açıktır	Tesis bölümleri arasında tam yalıtım; girişimden etkilenmez
Hareket tipleri	A, B, R, C	B, C

Bakır segment 100 m’yi aşamaz. Hattı uzatmak için araya anahtar (switch) gibi aktif bir düğüm eklenir ya da o bölümde fiber kullanılır.

Hareket tipleri: Bakır kablo dört tiptir. A tipi sabit kurulum içindir ve devreye almadan sonra hareket etmemelidir; B tipi arada bir hareket ya da titreşim görebilen esnek kurulumlar, R tipi robotlar içindir; C tipi ise döner makineler gibi hareketli ve dinamik ortamlardaki özel uygulamalara yöneliktir. Fiberde B tipi sabit ya da esnek kullanım, C tipi sürekli hareket, titreşim ya da burulma için tasarlanır.

Kategori seçimi: Cat 5e, 6, 6a ve 7 kablolar da kullanılabilir; ancak kategori yalnız iletim performansını tanımlar, kablonun endüstriyel ortam için Profinet gereklerini de karşılaması gerekir. En yaygın olanı Cat 5e’dir. Yalnız 10 Mbit/s taşıyabilen bazı eski Cat 5 kablolar 100 Mbit/s’yi karşılamadığı için uygun değildir.

Girişim: Bakır kabloyu güç kablolarının ve frekans sürücüsü (VFD) gibi önemli girişim kaynaklarının yakınından geçirirken dikkat etmek gerekir.

Profinet soketi ve konnektörü nasıl bağlanır?

Profinet cihazlarında iki bağlantı tipi öne çıkar: pano içinde IP20 sınıfı RJ45, sahada D kodlu M12. 100 Mbit/s için ikisinde de 4 kutup yeterlidir; 1 Gbit/s’de ise RJ45’in 8 kutbu da kullanılır. Toza ve suya açık yerler için IP67 muhafazalı RJ45 sürümleri de vardır.

Aşağıdaki tablo Beckhoff’un EtherCAT/Ethernet altyapı notundaki genel 4 damarlı Fast Ethernet (100 Mbit/s) bağlantısıdır; damar renkleri EN 61918’e göredir. Aynı notta 4 kutuplu M12 bağlantının yalnız Fast Ethernet’i desteklediği, RJ45’te de 1, 2, 3 ve 6 numaralı uçları kullanan 4 damarlı bağlantının Fast Ethernet için yeterli olduğu yazar. Kullanılan konnektör ve kablonun kendi bağlantı şeması esas alınır.

Sinyal	Görev	RJ45 pini	M12 pini (D kodlu)	Damar rengi
TD+	Gönderilen veri +	1	1	Sarı
TD-	Gönderilen veri -	2	3	Turuncu
RD+	Alınan veri +	3	2	Beyaz
RD-	Alınan veri -	6	4	Mavi
Ekran	Ekranlama	Gövde	Gövde	-

Aynı sinyal RJ45 ve M12’de farklı pin numaralarına düştüğü için M12-RJ45 dönüşüm kablosu hazırlanırken pinler numaraya göre değil sinyale göre eşlenir. Ekran kablodan konnektöre geçerken kesintisiz sürmeli; ekran malzemesi konnektör gövdesine düşük empedansla, geniş bir yüzeyle ve kabloyu 360° saracak şekilde bağlanır. Profinet’te bütün bağlantılarda otomatik çapraz bağlantı algılama (autocrossover) zorunlu olduğu için çapraz (crossover) kablo gerekmez.

Profinet ağ topolojisi nasıl kurulur?

Profinet’te hat, yıldız ve halka topolojileri kullanılır ve hepsinde bağlantıyı anahtarlar kurar. Cihazların yan yana dizildiği uzun tesislerde, örneğin bir konveyör hattında, hat topolojisi pratiktir: cihazın içindeki anahtar bağlantıyı bir sonraki cihaza geçirir; bunun için cihazda 2 portlu bir anahtar bulunması önerilir. Cihazların bir merkezi anahtar etrafında toplandığı dar alanlarda çoğunlukla yıldız topoloji kullanılır; kesintiye dayanıklılık gereken yerlerde halka kurulur. Her bakır segment yine 100 m ile sınırlıdır.

Halka ve MRP: Hattaki bütün cihazlar isteğe bağlı yedeklilik protokolünü destekliyorsa hat halkaya çevrilir ve bir düğüm arızalansa da ağ çalışmaya devam eder. Profinet’te halka için IEC 62439-2’de standartlaştırılan MRP (Media Redundancy Protocol) kullanılır. Normal çalışmada halka yöneticisinin (MRM) iki portundan biri bloke edilir (yalnız MRP denetim çerçevelerini geçirir) ve fiziksel halka mantıksal olarak bir hat gibi çalışır; bir bağlantı koptuğunda yönetici iki portunu da iletime açar. Halkanın yeniden kurulma süresi IEC 62439-2’deki ayara ve halkadaki anahtar sayısına bağlıdır: Wikipedia’nın MRP maddesine göre en kötü durumda 50 anahtara kadar halkalarda 500, 200 ya da 30 ms, 14 anahtara kadar halkalarda 10 ms. Gecikmesiz geçiş gereken IRT uygulamaları için MRPD vardır: döngüsel veri halkada iki yönde birden gönderilir, alıcı fazla kopyayı atar.

Sistem yedekliliği: Proses tesislerinde erişilebilirliği artırmak için aynı IO-Device’ları kontrol eden iki kontrolör yapılandırılabilir; hata olduğunda ikinci kontrolör kontrolü kesintisiz devralır.

Profinet ile Profibus arasındaki fark nedir?

İki standardı da PI yönetir; ayrıldıkları yer fiziksel katmandır: Profibus verisini RS-485 ya da MBP gibi seri hatlar taşır, Profinet verisini ise Ethernet. İlk Profinet IO spesifikasyonu Profibus DP’nin uygulama arayüzünü temel aldı; Profinet IO sisteminin mühendisliği de Profibus’a görünüm ve kullanım bakımından çok benzer. Cihaz tanım dosyası Profibus’ta GSD, Profinet’te XML tabanlı GSDML’dir. Mevcut bir Profibus hattındaki saha cihazları Profinet sistemine bir IO-Proxy üzerinden bağlanabilir. Ayrıntılı karşılaştırma tablosu Profibus nedir rehberindedir.

Profinet, Modbus TCP ve EtherNet/IP arasındaki fark nedir?

Üçü de Ethernet üzerinde çalışır; fark, verinin nasıl taşındığında ve cihazın sisteme nasıl tanıtıldığındadır.

• Modbus TCP: Modbus mesajını TCP/IP üzerinden, 502 numaralı port üzerinden taşır ve istemci-sunucu modeliyle çalışır: her işlem için istemci istek gönderir, sunucu cevap verir.
• Profinet: Döngüsel giriş/çıkış verisini gerçek zamanlı çerçevelerle doğrudan Ethernet katmanında, sağlayıcı-tüketici modeliyle taşır; her cihaz verisini karşı tarafı beklemeden gönderir. PROFINET University sitesi, PLC kodunda programlanan Modbus TCP haberleşmesinin karşısında Profinet’i “yapılandırılan haberleşme” olarak tarif eder: cihaz, üreticinin GSD dosyasıyla mühendislik yazılımına alınıp yapılandırılır.
• EtherNet/IP: ODVA’nın yönettiği, Common Industrial Protocol’ü (CIP) standart Ethernet’e uyarlayan protokoldür. Temel giriş/çıkış verisini UDP üzerinden “implicit”, parametre ve reçete gibi verileri TCP üzerinden “explicit” mesajlaşmayla taşır.

Bir cihazın bu ağlardan birine doğrudan bağlanabilmesi için o protokolü desteklemesi gerekir; farklı protokoller arasında veri aktarmak için ağ geçitleri (gateway) kullanılır. Modbus RTU ile Modbus TCP’nin ayrıntıları için Modbus nedir rehberine bakabilirsiniz.

Proses ölçüm cihazları Profinet ağına nasıl bağlanır?

Bir ölçüm cihazının Profinet ağına nasıl bağlanacağı, cihazın sahip olduğu çıkışa ya da haberleşme arayüzüne bağlıdır. Genel olarak dört yol vardır:

1. Doğrudan Profinet arayüzü: PI’nin PA Devices profili; basınç ve fark basıncı, seviye, sıcaklık ve debi, analiz cihazları gibi proses cihazı sınıfları için tipik işlevleri ve parametreleri tanımlar. Proses tesislerinin, 4-20 mA’daki gibi iki telli ve uzun mesafeli bir bağlantı ihtiyacı için Ethernet-APL geliştirildi. APL, IEEE 802.3’teki 10BASE-T1L’ye dayanır; Phoenix Contact’a göre iki tel üzerinden 10 Mbit/s ile 1.000 m’ye kadar ana hat ve 200 m’ye kadar dal hattı sağlar ve saha cihazları APL saha anahtarının dal portlarına bağlanır. Saha cihazı haberleşmeyle aynı kablo çifti üzerinden beslenebilir; Phoenix Contact bu beslemeyi isteğe bağlı olarak tanımlar.
2. 4-20 mA: Analog çıkışlı transmitter, Profinet ağına bağlanabilen bir uzak giriş/çıkış biriminin analog girişine bağlanır; ölçüm değeri Profinet’e bu birim üzerinden aktarılır. Akım döngüsünün nasıl çalıştığı için 4-20 mA nedir, akımın üzerine bindirilen dijital haberleşme için HART protokolü nedir rehberine bakabilirsiniz.
3. Profibus PA: Henüz Profinet arayüzü olmayan saha veri yolu cihazları proxy cihazlarıyla Profinet ağına bağlanır; PI’ye göre PA segmentleri de proxy teknolojisiyle doğrudan Profinet’e bağlanabilir.
4. RS-485 üzerinden Modbus RTU: Seri hat, protokolü dönüştüren bir ağ geçidiyle Profinet’e bağlanır. Bu tür ağ geçitlerinde RS-485 gibi seri portlar ve Modbus ile Profinet arasında protokol dönüştürme bulunur.

Befa Proses cihazlarında Profinet var mı?

Hayır. Befa Proses’in sattığı ölçüm cihazlarında Profinet, Modbus TCP (Ethernet) ya da EtherNet/IP arayüzü yoktur. Cihazlarımız modele göre 4-20 mA analog çıkış, HART, RS-485 üzerinden Modbus ya da şalter ve röle çıkışıyla bağlanır; HART, RS-485 Modbus ve Profibus, siparişte modele göre seçilen seçeneklerdir. Ürünlerimiz arasında Profibus PA seçeneği yalnız Smart Basınç Transmitteri T2906-G modelinde var. Müşterilerimiz ölçüm verisini en çok 4-20 mA analog çıkışla (PLC ya da SCADA’ya) ve RS-485 üzerinden Modbus RTU ile alıyor.

Bu sinyallerin Profinet kullanan bir sisteme aktarılması, yukarıda anlatılan genel yollarla (uzak giriş/çıkış birimi, proxy ya da ağ geçidi) yapılır. Teklif isterken cihazın bağlanacağı sistemin hangi sinyali ya da haberleşmeyi kabul ettiğini belirtmeniz, doğru çıkış seçeneğinin belirlenmesini kolaylaştırır. Model bazında çıkış ve haberleşme seçeneklerini basınç transmitteri ve debimetre gruplarındaki ürün sayfalarında bulabilirsiniz. Ölçüm cihazının seçimi, montajı ve devreye alınması (cihazın çalıştırılıp ilk ayarlarının yapılması) hizmetlerimiz arasındadır; ayrıntılar hizmetlerimiz sayfasındadır.