Che cos'è PROFINET?

PROFINET (Process Field Network) è uno standard di comunicazione industriale sviluppato e promosso da PI (PROFIBUS & PROFINET International). Si tratta di un protocollo di comunicazione basato su Ethernet industriale progettato per lo scambio di dati tra dispositivi di automazione in ambienti produttivi.

L'obiettivo di PROFINET è fornire una piattaforma comune che permetta di collegare in rete:

  • PLC e controllori industriali
  • Remote I/O
  • Sensori intelligenti
  • Azionamenti e servoazionamenti
  • Robot industriali
  • Sistemi di sicurezza
  • Interfacce HMI
  • Applicazioni software di supervisione e monitoraggio

A differenza delle tradizionali reti di campo, PROFINET sfrutta le tecnologie Ethernet standard, consentendo di utilizzare molte delle infrastrutture e delle competenze già diffuse nel mondo IT. Questa caratteristica ne ha accelerato enormemente l'adozione in tutti i principali settori manifatturieri.

L'evoluzione da PROFIBUS a PROFINET

Per comprendere l'importanza di PROFINET è utile fare un passo indietro.

Negli anni Novanta il protocollo PROFIBUS rappresentava lo standard dominante per la comunicazione industriale. Basato su una rete seriale, consentiva il collegamento affidabile dei dispositivi di campo ai sistemi di controllo. 

Con l'aumento della complessità degli impianti e la crescente richiesta di quantità maggiori di dati, la comunicazione seriale iniziò però a mostrare alcuni limiti:

  • larghezza di banda limitata;
  • integrazione difficile con sistemi IT;
  • gestione complicata dei dati diagnostici;
  • scarsa scalabilità.

L'introduzione di Ethernet industriale ha consentito di superare questi vincoli. PROFINET è nato proprio con l'obiettivo di mantenere l'affidabilità tipica dell'automazione industriale sfruttando però le prestazioni e la flessibilità delle reti Ethernet.

Architettura di una rete PROFINET

Una rete PROFINET presenta una struttura relativamente semplice ma molto potente.Gli elementi principali sono:

Controller

Generalmente coincide con il PLC che coordina l'impianto. Gestisce lo scambio dei dati di processo e controlla i dispositivi collegati.

Device

Sono i dispositivi periferici che mettono a disposizione dati e funzionalità.

Ad esempio:

  • moduli I/O;
  • inverter;
  • drive;
  • sensori intelligenti;
  • sistemi di visione.

Supervisor

Si tratta di sistemi di configurazione, engineering, supervisione e manutenzione.

Rientrano in questa categoria:

  • software SCADA;
  • stazioni di diagnostica;
  • sistemi MES;
  • strumenti di commissioning.

Questa suddivisione permette una gestione ordinata e standardizzata dell'intero ecosistema di automazione.

Come funziona la comunicazione PROFINET

Guarda il video di PROFINET Explained - A complete introduction and overview (under 10 min) di Minute PROFINET

 

Uno degli aspetti più interessanti di PROFINET è la possibilità di gestire differenti tipologie di traffico sulla stessa rete fisica.

Secondo la documentazione ufficiale, il protocollo supporta contemporaneamente:

  • comunicazione TCP/IP tradizionale;
  • comunicazione I/O real-time;
  • comunicazione sincronizzata per motion control.

Ciò significa che sullo stesso cavo Ethernet possono convivere:

  • dati di controllo del PLC;
  • parametri di configurazione;
  • diagnostica;
  • traffico software;
  • comunicazioni verso database e sistemi cloud.

Questa convergenza riduce l'infrastruttura necessaria e semplifica la progettazione dell'impianto.

I diversi livelli di comunicazione

TCP/IP standard

Il primo livello utilizza le normali funzionalità Ethernet.

È ideale per:

  • configurazione dei dispositivi;
  • trasferimento file;
  • accesso remoto;
  • manutenzione;
  • sistemi IT aziendali.

Dal punto di vista dell'automazione non offre determinismo temporale, ma è perfetto per lo scambio di informazioni non critiche.

Real Time (RT)

Per la maggior parte delle applicazioni industriali viene utilizzata la comunicazione Real Time.

In questa modalità PROFINET ottimizza il traffico Ethernet eliminando alcuni overhead e garantendo tempi di risposta molto rapidi.

Le applicazioni tipiche includono:

  • linee di assemblaggio;
  • macchine automatiche;
  • sistemi di confezionamento;
  • automazione discreta.

Isochronous Real Time (IRT)

Quando servono prestazioni estremamente elevate entra in gioco la modalità IRT.

Questa tecnologia permette la sincronizzazione precisa dei dispositivi con latenze molto ridotte e deterministiche.

Le applicazioni più comuni sono:

  • robotica;
  • motion control;
  • macchine ad alta velocità;
  • sistemi multi-asse.

PROFINET è infatti riconosciuto per le sue capacità di comunicazione ad alta velocità e sincronizzazione, particolarmente importanti nelle applicazioni di motion control.

I diversi livelli di comunicazione

TCP/IP standard

Il primo livello utilizza le normali funzionalità Ethernet.

È ideale per:

  • configurazione dei dispositivi;
  • trasferimento file;
  • accesso remoto;
  • manutenzione;
  • sistemi IT aziendali.

Dal punto di vista dell'automazione non offre determinismo temporale, ma è perfetto per lo scambio di informazioni non critiche.

Real Time (RT)

Per la maggior parte delle applicazioni industriali viene utilizzata la comunicazione Real Time.

In questa modalità PROFINET ottimizza il traffico Ethernet eliminando alcuni overhead e garantendo tempi di risposta molto rapidi.

Le applicazioni tipiche includono:

  • linee di assemblaggio;
  • macchine automatiche;
  • sistemi di confezionamento;
  • automazione discreta.

Isochronous Real Time (IRT)

Quando servono prestazioni estremamente elevate entra in gioco la modalità IRT.

Questa tecnologia permette la sincronizzazione precisa dei dispositivi con latenze molto ridotte e deterministiche.

Le applicazioni più comuni sono:

  • robotica;
  • motion control;
  • macchine ad alta velocità;
  • sistemi multi-asse.

PROFINET è infatti riconosciuto per le sue capacità di comunicazione ad alta velocità e sincronizzazione, particolarmente importanti nelle applicazioni di motion control.

I diversi livelli di comunicazione

TCP/IP standard

Il primo livello utilizza le normali funzionalità Ethernet.

È ideale per:

  • configurazione dei dispositivi;
  • trasferimento file;
  • accesso remoto;
  • manutenzione;
  • sistemi IT aziendali.

Dal punto di vista dell'automazione non offre determinismo temporale, ma è perfetto per lo scambio di informazioni non critiche.

Real Time (RT)

Per la maggior parte delle applicazioni industriali viene utilizzata la comunicazione Real Time.

In questa modalità PROFINET ottimizza il traffico Ethernet eliminando alcuni overhead e garantendo tempi di risposta molto rapidi.

Le applicazioni tipiche includono:

  • linee di assemblaggio;
  • macchine automatiche;
  • sistemi di confezionamento;
  • automazione discreta.

Isochronous Real Time (IRT)

Quando servono prestazioni estremamente elevate entra in gioco la modalità IRT.

Questa tecnologia permette la sincronizzazione precisa dei dispositivi con latenze molto ridotte e deterministiche.

Le applicazioni più comuni sono:

  • robotica;
  • motion control;
  • macchine ad alta velocità;
  • sistemi multi-asse.

PROFINET è infatti riconosciuto per le sue capacità di comunicazione ad alta velocità e sincronizzazione, particolarmente importanti nelle applicazioni di motion control.

Configurazione tramite file GSD

Uno degli elementi che semplificano l'integrazione dei dispositivi è il file GSD (General Station Description).

Il file contiene tutte le informazioni necessarie per:

  • identificare il dispositivo;
  • configurarne i parametri;
  • definire i dati di processo;
  • integrarlo nel progetto di engineering.

L'utilizzo di un modello informativo standardizzato rappresenta uno dei fattori che favoriscono l'interoperabilità tra prodotti di costruttori differenti. PROFINET supporta infatti diversi modelli informativi, tra cui GSD, per descrivere dispositivi e comunicazione.

Configurazione tramite file GSD

Uno degli elementi che semplificano l'integrazione dei dispositivi è il file GSD (General Station Description).

Il file contiene tutte le informazioni necessarie per:

  • identificare il dispositivo;
  • configurarne i parametri;
  • definire i dati di processo;
  • integrarlo nel progetto di engineering.

L'utilizzo di un modello informativo standardizzato rappresenta uno dei fattori che favoriscono l'interoperabilità tra prodotti di costruttori differenti. PROFINET supporta infatti diversi modelli informativi, tra cui GSD, per descrivere dispositivi e comunicazione.

PROFINET e la sicurezza funzionale

La sicurezza rappresenta una priorità assoluta in qualsiasi ambiente industriale.

Per questo motivo PROFINET integra il profilo PROFIsafe, che consente di trasmettere comunicazioni standard e informazioni di sicurezza attraverso la stessa infrastruttura di rete. [profinet.com]

Attraverso PROFIsafe è possibile gestire:

  • pulsanti di emergenza;
  • barriere fotoelettriche;
  • scanner laser;
  • PLC di sicurezza;
  • sistemi robotizzati.

L'utilizzo di una singola rete riduce la complessità impiantistica e facilita le attività di manutenzione.

Integrazione con Industria 4.0

Uno dei motivi principali del successo di PROFINET risiede nella sua capacità di supportare i processi di digitalizzazione industriale.

Secondo la documentazione ufficiale, la sua architettura è progettata per favorire l'integrazione con tecnologie moderne e casi d'uso legati all'Industria 4.0. Inoltre, la compatibilità con Ethernet standard consente di utilizzare infrastrutture esistenti e di integrare tecnologie emergenti come TSN e OPC UA.

Questo permette di collegare il livello operativo (OT) con il livello informatico (IT).

In pratica, i dati raccolti dai sensori possono essere utilizzati direttamente da:

  • sistemi MES;
  • piattaforme cloud;
  • software analytics;
  • sistemi ERP;
  • applicazioni di intelligenza artificiale.

La fabbrica diventa così una sorgente continua di dati utilizzabili per ottimizzazioni e decisioni strategiche.

PROFINET e OPC UA

Una delle tendenze più importanti dell'automazione moderna è l'integrazione tra comunicazione real-time e interoperabilità semantica.

PROFINET eccelle nella gestione dei dati di processo sul campo, mentre OPC UA offre un modello standardizzato per la rappresentazione e lo scambio delle informazioni a livello superiore.

L'integrazione delle due tecnologie permette di costruire architetture scalabili nelle quali:

  • PROFINET gestisce il controllo in tempo reale;
  • OPC UA distribuisce le informazioni ai sistemi software aziendali.

Questo approccio rappresenta oggi una delle basi tecnologiche delle smart factory.

L'integrazione con OPC UA, TSN e le architetture digitali garantisce una maggiore protezione dell'investimento nel lungo periodo.

Vantaggi concreti per progettisti e integratori

Dal punto di vista pratico, l'adozione di PROFINET offre numerosi benefici.

Elevata interoperabilità

Essendo uno standard aperto, consente di integrare dispositivi di produttori differenti con minori problemi di compatibilità.

Riduzione dei costi infrastrutturali

La possibilità di utilizzare Ethernet come tecnologia di base riduce la necessità di reti dedicate.

Scalabilità

La rete può essere espansa facilmente aggiungendo nuovi dispositivi e nuove funzionalità.

Diagnostica semplificata

Le informazioni diagnostiche consentono una rapida individuazione dei problemi.

Supporto alle tecnologie future

L'integrazione con OPC UA, TSN e le architetture digitali garantisce una maggiore protezione dell'investimento nel lungo periodo.

Ambiti applicativi

Oggi PROFINET è ampiamente utilizzato in numerosi settori industriali.

Tra i principali:

  • automotive;
  • food & beverage;
  • packaging;
  • farmaceutico;
  • logistica automatizzata;
  • impianti chimici;
  • robotica industriale;
  • movimentazione materiali.

La sua versatilità gli consente di adattarsi sia alle esigenze dell'automazione discreta sia a quelle dell'industria di processo.

 

In conclusione

PROFINET rappresenta oggi molto più di un semplice protocollo di comunicazione industriale. È una piattaforma tecnologica completa che unisce la robustezza dell'automazione tradizionale ai requisiti di connettività e digitalizzazione della fabbrica moderna.

Grazie alla comunicazione deterministica, alle elevate prestazioni real-time, alla sicurezza integrata tramite PROFIsafe, alla diagnostica avanzata e alla compatibilità con Ethernet standard, PROFINET si è affermato come uno degli standard di riferimento per l'industria manifatturiera globale.

Per system integrator, progettisti software e ingegneri dell'automazione, conoscere approfonditamente PROFINET significa acquisire una competenza strategica. La sua capacità di collegare il mondo OT con il mondo IT lo rende infatti uno degli abilitatori fondamentali delle architetture Industria 4.0 e delle future smart factory, dove dati, macchine e applicazioni software operano come un unico ecosistema integrato.