Industrielles Ethernet

Industrielles Ethernet

Mehrwert einfach integriert

Einfache und umfangreiche Integrationsmöglichkeiten von
Profinet-Funktionen für Gerätehersteller

Der Einsatz von Profinet in Anlagen ermöglicht Mehrwertfunktionen wie parallelen TCP/IP-Verkehr, große Mengengerüste und hohe Geschwindigkeit. Eine breite herstellerseitige Unterstützung hat zur Geräteauswahl und zum Wachstum des Standards beigetragen. Durch unterschiedliche Entwicklungsplattformen und vielfältige Unterstützung geht der Ausbau der Profinet-Gerätelandschaft und die Integration von Mehrwertfunktionen weiter.
Die Systemarchitektur von Profinet nutzt die Möglichkeiten von Ethernet im Vergleich zu Feldbuskonzepten konsequent. So ergeben sich allein durch den Umstieg von Feldbussystemen auf Ethernet durch die 100Mbit- und Vollduplex-Übertragung kleinere Zykluszeiten der E/A-Daten. Mit dem bei Profinet vorhandenen Mechanismus einer dynamischen Frame-Paketierung (DFP) und der automatischen Fragmentierung von TCP/IP-Daten sind Update-Raten von 31,25µs bei offener TCP/IP-Kommunikation möglich. Aber die bei Profinet verfügbare Update-Rate von 250µs und eine isochrone Echtzeitkommunikation (IRT) mit einem maximalen Jitter von 1µs stellen für die meisten Anwendungen weitaus mehr Geschwindigkeit bereit, als konkret benötigt wird. Die üblichen Zykluszeiten von Steuerungen, E/A-Modulen oder Antrieben sind vielfach höher, in der Regel sind hier die Anforderungen an die Deterministik wichtiger. Ein freier TCP/IP-Zugang von Geräten, der völlig neue Möglichkeiten der Geräteintegration und der Datenerfassung in den Maschinen überhaupt erst ermöglicht, wird immer wichtiger. Bei Profinet ist dieser Zugang einfach, ein freier Port genügt. Zusätzliche Hardware oder performance-hungrige Umkopiermechanismen in Kommunikationsmastern, die zudem betriebsbereit sein müssen, sind hier nicht notwendig. Auf Basis dieser parallelen E/A- und TCP/IP-Kommunikation wurden in der Profinet-Spezifikation bereits innovative und für alle Branchen wichtige neue Funktionen herstellerübergreifend definiert, z.B. für Energiemanagement oder Netzwerk- und Gerätediagnose.

Mehr als nur E/A-Kommunikation

Durch die Integration des Profinet-Protokolls können Gerätehersteller neue Möglichkeiten ihren Kunden einfach zugänglich machen. Ohne eine konsequente Standardisierung sind nur herstellerspezifische Lösungen mit eigenen Programmbausteinen möglich, was den Einsatz unnötig komplex gestaltet. Nicht so offensiv diskutiert, aber überall notwendig, sind Funktionen wie Identifikation und Maintenance, Firmware-Update und eine umfassende Diagnose. Auf Basis der TCP/IP-Kommunikation integrieren Gerätehersteller diese Dienste sowohl für interne Testzwecke als auch für den Betrieb in den Maschinen und Anlagen ihrer Kunden. Zusätzlich zu den standardisierten Diagnosewegen über Profinet und SNMP können Gerätehersteller per Webseiten oder anderer IP-basierter Kommunikation zu eigenen spezifischen Engineering-Tools erweiterte Informationen und Parametriermöglichkeiten integrieren. Dadurch bieten sie Vorteile gegenüber Geräten mit nur einfacher E/A-Kommunikation an. Das Engineering über Profinet ist einfach, z.B. sind alle Sprach- und Gerätevarianten einer Gerätefamilie über eine einzige GSD-Datei (General Station Description) beschreibbar, die allermeisten Fehlerfälle sind durch den Profinet-Standard definiert. Das erleichtert das Handling für den Entwickler bei der Erstellung der GSD und für den Anwender bei der Inbetriebsetzung.

Schnell zum zuverlässigen Betrieb

Durch Eigenschaften von Profinet, wie eine einfache Adressierung der Geräte mit Namen und die integrierte Topologiesicht, werden das Engineering und die Inbetriebsetzung unmittelbar erleichtert. Diese Topologiesicht dient nicht nur zur Anlagendokumentation, sondern bietet kombiniert mit den Diagnosemeldungen eine ortsgenaue Fehlermeldung und damit eine schnelle und einfache Fehlerbehebung. Der Zugriff erfolgt dabei nicht nur lokal per SPS oder Engineering, sondern auch über Zusatz-Tools oder Fernzugriff. Gerne wird auch eine drahtlose Kommunikationsstrecke eingesetzt, denn dann kann sich der Inbetriebsetzer mit dem Engineering-PC mobil an die Stelle positionieren, die den besten Einblick in die Maschine bietet. Über Funk oder Kabel können Geräte, die nur eine TCP/IP-Kommunikation benötigen, z.B. Kameras, oder E/A-Geräte mit zusätzlichen Qualitätsdaten einfach angeschlossen werden. Das Generieren von Qualitätsdaten oder zusätzlichen Begleitwerten wandert immer mehr in die Geräte hinein, da es die fortschreitende Leistungsfähigkeit der Hardware und Software von Industrieelektronik ermöglicht, entsprechende Geräte zu marktgerechten Kosten zu entwickeln.

Offen für alle Plattformen

  • • Standard-Ethernet-Controller: Durch die Integration eines Profinet-Protokollstacks kann eine vorhandene Industrieelektronik mit Ethernet-Controller um Profinet-Funktionen erweitert werden. Zusätzliche Hardware ist nicht notwendig (Bild 1). Damit lassen sich zwar keine synchronisierten Motion-Applikationen lösen, jedoch die am weitesten verbreiteten Echtzeit-anforderungen bis 1ms. Einfaches Beispiel für solch eine Integration ist ein Profinet-Device oder Controller auf einem Raspery PI oder Beaglebone Black.
  • • Profinet-Protokoll-Asics: Von der Feldbustechnik sind spezifische Protokoll-Asics bekannt, z.B. SPC3 für Profibus oder Supi für Interbus. Gleiche Lösungen gibt es natürlich auch für die Profinet-Integration. Die Protokollabarbeitung inklusive der optionalen IRT-Synchronisierung erfolgt auf einem spezifischen Asic. Der PHY zur Ansteuerung der Ethernet-Hardwareschnittstelle und zwei Ports für die Linienintegration sind integriert. Der Applikationsprozessor, der z.B. die Antriebsregelung übernimmt, erhält und versendet die aufbereiteten Daten per Dualport-RAM oder seriellem Interface (Bild 2). Dadurch sind Kommunikation und Applikation in dem Gerät klar getrennt.
  • • FPGAs: Eine flexible Profinet-Integration mit integrierter Vorverarbeitung steht mit FPGAs zur Verfügung. Fertig getestete IP-Cores sind für die verschiedenen Anforderungen – inklusive IRT-Kommunikation – für die Integration in einem Gesamtgerät verfügbar. Durch die FPGA-Technik sind schnelle Anpassungen an die Kundenanforderungen ohne Hardware-Redesigns möglich.
  • • Hardware-Bausteine mit Profinet-Unterstützung: Durch die Leistungsfähigkeit der Elektronik finden Hardware-Bausteine, die sowohl die Profinet-Protokollverarbeitung als auch die Applikationsbearbeitung in Hardware und Firmware zusammenführen immer mehr Verbreitung (Bild3). Dadurch reduzieren sich im Vergleich zu einer Mehrprozessorlösung die Bauteilanzahl und der Koordinationsaufwand.
  • • Module: Schon in Feldbuszeiten haben sich Einsteckmodule bewährt, die ähnlich wie Protokoll-Asics eine definierte Applikationsschnittstelle anbieten. Hier ist keine Hardware-Entwicklung notwendig, wenn die Schnittstelle bereits vorhanden ist. Die Interface-Module sind für eine PC-Integration aber auch für auf kleinere Abmessungen ausgelegte Stecker verfügbar.
  • • Gateways: Besonders bei eher kleineren Stückzahlen werden Gateways angewandt, die andere serielle Protokolle auf Profinet umsetzen.

Diese unterschiedlichen Plattformen finden nicht nur bei einer Profinet-Device-Entwicklung, sondern auch bei der Integration eines Profinet-Controllers in Steuerungen, PCs oder anderen Automatisierungssystemen Anwendung. Die genannten Integrationsmöglichkeiten erfordern verschiedene Stufen der Hardware-/Firmware-Integration und damit des Eigenentwicklungsanteils bei den Geräteherstellern. Damit lassen sich auch die Einarbeitungszeit und Auslastung in den Firmen steuern, aber auch die stückzahlabhängigen Gerätekosten.

Alleinstellungsmerkmale integrieren

Die Auswahl der richtigen Integrationsplattform und des kundengerechten Funktionsumfangs des jeweiligen Profinet-Geräts erfordert bei der Entwicklung etwas mehr Überlegung als wenn nur wenige Plattformen oder eingeschränkte Dienste durch eine Kommunikationsarchitektur möglich sind. Aber nur so sind sowohl funktions- als auch kostenoptimierte Geräte möglich, die es dem Hersteller erlauben Alleinstellungsmerkmale zu integrieren, die zusätzlichen Nutzen für den Endanwender bringen. Die Provider (Bild 4) unterstützen auf Basis von Anforderungen und Randbedingungen eines Geräteherstellers bei dieser Auswahl. Zur Vereinfachung des Hardware-Designs stehen dazu Minimalbeispiele und Stücklisten zur Verfügung. Für die Integration des Antriebsprofils Profidrive steht durch die Arbeit der Community sowohl auf Device- als auch auf Controllerseite Sourcecode zur Verfügung. Das vereinfacht eine Implementierung in Geräte für Bewegungssteuerungen, Numerische Steuerungen und Robotern. Profidrive mit seinen unterschiedlichen Applikationsklassen deckt alle Anwendungen von einfachen Drehzahlachsen bis zu interpolierten taktsynchronen Mehrachsanwendungen ab. Der Anwender profitiert dabei von der einheitlichen Applikationsschnittstelle bei unterschiedlichen Herstellern. Für ein unabhängiges Bild bietet die Nutzerorganisation entsprechende Workshops an (www.profibus.com/PROFINETWS). Manche erweiterte Möglichkeiten von Profinet werden leider noch nicht von allen Geräteherstellern genutzt, da diese nur Funktionen anbieten wollen, die zusammen mit anderen Kommunikationsarten eingesetzt werden. Die Weiterentwicklung ist aber jederzeit möglich und oft nur eine Frage der Zeit.

Kosteneinsparungen realisieren

Bei der Beurteilung der Kosten müssen verschiedene Faktoren betrachtet werden: Durch die beschriebene Auswahl von möglichen Hardware-Plattformen lässt sich die für das jeweilige Gerät geeignete Lösung mit der notwendigen Rechenleistung und passendem Speicherbedarf finden. Die Anforderungen bzw. Möglichkeiten entwickeln sich erfahrungsgemäß sehr dynamisch weiter. Einfache Designs, z.B. mit Standard-Ethernet-Technik, lassen inzwischen sogar Integrationskosten unter Feldbusniveau zu. Die zumeist vorhandene Profibus-Erfahrung vereinfacht das Einarbeiten in die Systemumgebung, denn viele Mechanismen und Vorgehensweisen sind übernommen worden. Dementsprechend lässt sich die eigene Geräteapplikation schnell anpassen. Bei der Betrachtung des Stack-Umfangs ist zu beachten, dass viele Funktionen, wie die umfangreiche Diagnoseauswertung in Profinet, definiert sind. Das erspart Geräteherstellern die Konzeptarbeiten und das Implementieren auf Applikationsebene, wirkt sich aber natürlich auf die Profinet-Stack-Größe aus. Der hohe Standardisierungsgrad reduziert die Systemtestkosten. Da die einzelnen technischen Verfahren, wie z.B. MRP für Redundanz, von vielen Herstellern ausführlich spezifiziert und später im Zertifizierungstest geprüft werden, fallen im Vergleich zu herstellerspezifischen Verfahren erfahrungsgemäß weniger Kosten an. Zudem ist durch den hohen Qualitätsstand der Norm und der Zertifizierung die Qualität der Produkte beim Endkunden höher. Niedrigere Folgekosten und größere Kundenzufriedenheit ergeben sich daraus.

Der Standard lebt

Die Nutzerorgnisation PI betreibt die Spezifikationsarbeiten und entwickelt in Abstimmung mit Anwendern und Geräteherstellern den Funktionsumfang weiter. Heute etablierte Verfahren zur Übertragung von sicheren Signalen sind parallel zum Standard-E/A-Verkehr zuerst per Profisafe in den Markt eingeführt worden. Der Einfluss zeigt sich nun auch bei Profienergy. Auch kleinere Verbesserungen und Erweiterungen fließen aufgrund von neuen Anforderungen und Erfahrungen der Anwender in die Basisspezifikation ein, wie z.B. I&M5 für die Erfassung der Firmware-Version von gesteckten Kommunikationsmodulen. Ein Standard, der von vielen Herstellern und Anwendern genutzt und weiterentwickelt wird, erfordert eine nachvollziehbare Pflege und klare Versionierung von Normen. Der Prozess ist dazu in der Gemeinschaft mit den konkreten Inhalten und Review-Zeiten transparent, die Mitarbeit jederzeit möglich. Auch die organisatorische Zusammenarbeit und die Marken- und Patentrechte sind partnerschaftlich geregelt. Die globale Marktdurchdringung von Profinet wird durch 27 lokale PI-Geschäftsstellen, 56 Zentren für Support und Service und elf Testlabore unterstützt. Inzwischen ist die 1.000. Gerätezertifizierung abgeschlossen. Die PI-Organisation sorgt außerdem durch Schulung und Akkreditierung für kontinuierlichen Wissenstransfer und Qualitätssicherung. Auf Basis der Community bieten Automatisierungsanbieter Profinet als Standardkommunikation an. Das öffnet für viele Gerätehersteller einen großen Markt, wie Marktstudien belegen. Neue Applikationen ergeben sich zusätzlich aufgrund der Offenheit für TCP/IP.

Zukunftssicher

Auch umfangreiche Neuerungen, wie sie im Umfeld von Industrie 4.0 zu erwarten sind, kann die PI-Community aufgrund der vorhandenen Offenheit für zusätzliche Kommunikation auf der gleichen Leitung und der hohen Standardisierung der Datentypen angehen. Die 100-prozentige Konformität zu IEEE und damit zum Ethernet-Standard lässt Profinet gut in Richtung Zukunft starten, da gerade im Bereich des Echtzeit-Ethernet viele Innovationen zu erwarten sind. Der engagierte Einsatz der Hersteller und die Marktdurchdringung sorgen für die kontinuierliche Weiterentwicklung der Kommunikationsfunktionen und damit für den Mehrwert in den Anlagen und Maschinen.

PROFIBUS Nutzerorganisation
www.profibus.com

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