COMMS - Protocolo PROFINET

El protocolo de comunicaciones PROFINET (Process Field Network) es un estándar abierto de Ethernet Industrial basado en TCP/IP e IT.
Es el sucesor del PROFIBUS DP (protocolo serie), con el que comparten propiedades al tener un mismo origen. Pues ambos son mantenidos por una misma organización. 

Esta tecnología permite el intercambio de datos entre los dispositivos de control y de campo en tiempo real. Siendo así, resulta ideal para la automatización de máquinas e incluso como enlace con el mundo IT.
Es uno de los estándares líder en Europa, en todas las áreas de automatización (tanto a nivel de proceso como de planta). Respaldado y utilizado por innumerables fabricantes.

Este artículo pretende exponer en detalle este protocolo tan comunmente utilizado, con el objetivo de presentar las nociones básicas respecto a como trabaja y su implementación. 

¿CÓMO FUNCIONA?

PROFINET, a diferencia de muchos otros protocolos basados en Ethernet Industrial, trabaja con un modelo consumidor-proveedor para el intercambio de datos. 
En una arquitectura maestro-esclavo, el maestro tiene control unidireccional sobre todos los esclavos... Pero el modelo proveedor-consumidor permite al maesto trabajar como proveedor de datos hacia los elementos de campo y, a su misma vez, como consumidor de aquellos datos que le son devueltos.

Entonces, los roles que encontramos en una tipología PROFINET, son los siguientes:
    - Controlador: Maestro (comúnmente un único PLC) que comunica con los demás
    equipos de la red y almacenan toda la información de la misma.
    - Dispositivo: Cualquier esclavo de campo que puede ser monitorizado por el controlador
    y, puntualmente, puede enviar información de diagnóstico al supervisor.
    Los dispositivos se definen mediante un nombre PROFINET único e irrepetible. Y
    requieren una dirección IP (en rango con la del controlador).
    - Supervisor: Típicamente es el rol de un software de programación... Este rol sirve para
    monitorizar el estado de los dispositivos, asignar direcciones IP y/o nombres PROFINET,
    hacer tareas de diagnóstico en la red, etc.

El controlador puede intercambiar los datos de forma cíclica y acíclica con los dispositivos y aprovecha la naturaleza full-duplex del medio físico Ethernet.
La comunicación entre controlador y dispositivos es simultánea en ambos sentidos, lo que lo hace un protocolo muy flexible.

Según con que equipo comunique el controlador y los requerimientos de dicha comunicación, este protocolo utiliza los llamados perfiles PROFINET. Básicamente son telegramas estándares dentro del protocolo diseñados para funcionalidades específicas.
PROFIsafe para la seguridad funcional (safety integrated), PROFIdrive para accionamientos (motion control) y PROFIenergy para aplicaciones de gestión de energía en sistemas de producción.

¿PASOS EN LA COMUNICACIÓN?

En la línea de lo comentado, la función básica del PROFINET es el intercambio de datos entre controlador y dispositivos a controlar (con la filosofía consumidor-proveedor).
Los pasos al establecer dicha comunicación son los siguientes:

1) Resolución de nombre y direcciones: 
    Los dispositivos se identifican al controlador PROFINET mediante un nombre. Entonces, el
    controlador les asigna la dirección IP.

2) Establecimiento de conexión:
    El controlador envía la solicitud de conexión al dispositivo. Esta solicitud ya determina
    ítems críticos como los datos a intercambiar, la velocidad y el tiempo de vigilancia
    (watchdog) para asegurar que no ha habido desconexión.

3) Intercambio de datos: 
    En este punto, una vez conectados controlador y dispositivo, ya empiezan a intercambiar
    datos cíclicamente (según lo preestablecido).
    El controlador procesa las entradas, controla las salidas y notifica las alarmas del
    dispositivo.

4) Desconexión de equipos:
    Normalmente esta situación solo se da cuando se supera el tiempo de vigilancia de
    comunicaciones establecido entre controlador y dispositivo (watchdog). Lo que indica un
    fallo al actuar los datos de E/S en el proceso cíclico...
    No obstante, el controlador también podría desconectarse intencionadamente de algún
    dispositivo.

¿INTERCAMBIO DE DATOS?

Con PROFINET, se suelen diferenciar dos canales de comunicación según el "modo" en el que queramos comunicar un controlador con un dispositivo.
Con el uso de uno u otro, cambia la velocidad y el determinismo del intercambio de datos, por lo que se escogen según los requerimientos del proceso... 
No obstante, las dos variantes suelen coexistir en la misma red. Estas son:  

- PROFINET RT: Real Time

Posibilita la comunicación con dispositivos en tiempo real, con retardos de hasta 1 a 10 ms.
Para su implementación no se precisan requisitos de hardware adicionales o topologías específicas.
Suele ser el más utilizado... Por ejemplo, al comunicar con unidades de E/S distribuidas, controlar comandos de variadores de frecuencia y demás funcionalidades básicas.

- PROFINET IRT: Isochronous Real Time
Este canal se utiliza en aquellas comunicaciones donde se exige una alta precisión y determinismo. Pues garantiza una comunicación isócrona entre el controlador y los dispositivos de campo, con tiempos inferiores a 1 ms.
En este caso, el hardware involucrado debe soportar implícitamente dicha variante y solo es aplicable a unas topologías de red específicas.
Generalmente, se usa en aplicaciones de motion. Donde los servomotores que deban realizar posicionados precisos y/o tareas de sincronismo. 

A parte, PROFINET dispone de un canal de comunicación NRT (Non Real Time). Este utiliza todas las capas del modelo OSI y solo trabaja mediante el direccionamiento por IPs.

Presenta una mayor latencia que los anteriores (entre 30 y 100 ms), pero permite acceder a los dispositivos a través de enrutamientos e internet.
Solo se utiliza con fines de supervisión (software), visualización (HMIs), entre otros intercambios de datos que no requieren altas velocidades. 

¿CONFIGURACIÓN?

Solo nos queda ver, a nivel práctico, como se debe hacer la puesta en marcha de una red PROFINET para poder establecer las comunicaciones expuestas anteriormente... 

1) Importar archivo GSDML de dispositivo
En el software del controlador, incluir este archivo de descripción del dispositivo (.xml).
El fabricante del equipo es quien debe subministrar este archivo. Contiene toda la información PROFINET del equipo i es imprescindible para poderlo enlazar con el controlador.

2) Configuración de dispositivo
Como se ha indicado anteriormente, es necesario dar IP y nombre PROFINET al dispositivo importado. 
En este punto, el equipo ya es visible en la red para el controlador.

3) Asignar dispositivo al controlador
Se enlaza el dispositivo previamente configurado con el controlador que se va a intercambiar los datos.
En este punto se define el canal de comunicación RT, IRT o NRT, lo que define la velocidad (tiempo de reloj del controlador) y determinismo de las comunicaciones.

4) Configurar el intercambio de datos cíclico
Por último, solo queda detallar que mapeado de variables del dispositivo en el controlador.
Es aquí donde se puede definir el uso de un perfil PROFINET concreto (tramas predefinidas).