Abbildung 1 zeigt die hierarchische Pyramidenstruktur der industriellen Kommunikation, basierend auf Standort, Anzahl der Elemente und Funktionalität (Daten oder Steuerung). An der Basis befinden sich zahlreiche Automatisierungselemente, die geringe Datenmengen senden können. Mit zunehmender Höhe in der Pyramide nimmt die Anzahl der Elemente ab, während die zu übertragende Datenmenge steigt.
Die Reaktionszeit, die das Kommunikationssubsystem auf jeder Ebene der CIM-Pyramide (Computer Integrated Manufacturing) benötigt, kann von wenigen Mikrosekunden auf der Prozess- oder Feldebene bis zu Sekunden auf der Anlagenebene variieren, wodurch sich die Art des Kommunikationsnetzwerks, das zur Umsetzung dieser Kommunikation benötigt wird, unterschiedlich positioniert.
Steuernetze sind mit den unteren Ebenen der CIM-Pyramide verknüpft, da sie in Echtzeit Informationsverkehr verarbeiten müssen, der aus einer großen Anzahl kleiner Pakete besteht, die von einer geringeren Anzahl von Stationen als Datennetze stammen. Die Trennung zwischen den beiden Netzen ist nicht so klar, wie es zunächst scheinen mag, da Datennetzen oft Eigenschaften zugeschrieben werden, die typisch für Steuernetze sind, wie beispielsweise bei Profinet.
Industrielle Netzwerke erleben derzeit dank technologischer Entwicklungen einen bedeutenden Fortschritt im Bereich neuer Kommunikationsmethoden. Zahlreiche Standards und eine Vielzahl von Anbietern entstehen im Umfeld dieser neuen Technologien, wodurch der Markt sehr vielfältig wird und die möglichen Kommunikationslösungen in industriellen Umgebungen deutlich erweitert werden.
Bei der Integration eines Prozesses oder einer Produktionslinie entwickelt jeder Hersteller üblicherweise seine eigene Programmierumgebung und eigene Eigenschaften der physischen Komponenten, entweder nach einem Standard oder nach einem eigenen proprietären Design. Oft entwickelt ein großer Hersteller von Industrieautomatisierung ein proprietäres Design, das sich innerhalb weniger Jahre zu einem De-facto-Standard für zahlreiche Unternehmen entwickelt. Derzeit ist die Bildung eines Konsortiums oder Verbandes von Unternehmen, die die Systemeigenschaften definieren und einen Rahmen sowie eine Designdokumentation bereitstellen, der gängigste Ansatz. Dies sind die Arbeitsgruppen verschiedener Verbände, die sich der Systemstandardisierung widmen.
2. Profinet-basierte Netzwerke
: 1989 wurde das Profibus-Protokoll entwickelt, um die Vernetzung von Geräten verschiedener Hersteller zu ermöglichen. Gemäß dem ISO/OSI-Modell für Kommunikationsprotokolle der Schicht 1 (physikalische Schicht) verwendet es den RS485-Standard. Heute sind weltweit rund 20 Millionen Profibus-Knoten installiert, und er hat sich als einer der besten Feldbusse bewährt. Der Markt verlangte jedoch nach Weiterentwicklungen, was zur Entstehung des Profinet-Standards führte: einem industriellen Kommunikationsbus auf Basis von Industrial Ethernet.
Profinet verwendet standardisierte IEEE 802.x (Ethernet)-Telegramme mit Prioritätsinformationen. Der Profinet-Frame hat die in Abbildung 2 dargestellte Struktur, die angibt, ob es sich um ein Profinet-Datagramm handelt. Dies ermöglicht es Switches, die Datenübertragung in Echtzeit durch Anwendung von Priorisierungsmechanismen zu steuern.
2.1. Profinet-Software
Die führenden Profinet-Gerätehersteller bieten Anwendern eine optimierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Konfiguration eines Profinet-Netzwerks. Die Integrationssoftware übernimmt die Netzwerkkonfiguration, Geräteparametrierung, den Programm-Download und die Diagnose sowohl des Netzwerks als auch seiner einzelnen Geräte (Abbildung 3).
Zu den Konfigurations-, Programmier-, Diagnose- und/oder Überwachungstools für Profinet-Integratoren gehören unter anderem:
2.2. Hardware in Profinet
Für die direkte Anbindung dezentraler Feldgeräte an Industrial Ethernet hat PROFIBUS International den Profinet-IO-Standard definiert. Dieser Standard ermöglicht es Feldgeräten, ihre Daten zyklisch an die zugehörige Steuerung zu übertragen. Profinet-IO definiert folgende Gerätetypen:
– IO-Controller: eine Steuerung (z. B. SPS), auf der das Automatisierungsprogramm ausgeführt wird.
– IO-Gerät: ein dezentrales Feldgerät, das einem IO-Controller zugeordnet ist.
– IO-Supervisor: ein Programmierer/PC mit Inbetriebnahme- und Diagnosefunktionen oder ein HMI4-Gerät. Das Feldgerät liest Signale von den Peripheriegeräten und überträgt sie an den IO-Controller. Die Steuerung verarbeitet diese Signale und sendet die Ausgabesignale zurück an das IO-Gerät.
Abbildung 7 veranschaulicht die Eigenschaften der drei genannten Profinet-IO-Gruppen.
2.3. Interoperabilität über GSDML-Dateien
. Profinet verwendet ein Master/Slave-Modell. Beim Start stellt der Master eine Verbindung zu den Slave-Geräten her und schreibt die Startparameter auf die entsprechenden Geräte. Anschließend beginnt der zyklische Datenaustausch. Der Profinet-Controller (Master) empfängt alle Konfigurationsinformationen über ein Konfigurationstool. Dieses Tool liest die benötigten Informationen aus der GSDML-Datei des Geräts.
GSDML-Dateien sind generische Stationsbeschreibungsdateien (GSD-Dateien) im XML-Format. Sie beschreiben die Eigenschaften des Profinet-Gerätemodells und ermöglichen so die Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Diese Datei enthält alle Eigenschaften der Profinet-Feldgeräte, die für den zyklischen Datenaustausch relevant sind.
Das GSDML-Format ist nicht dazu gedacht, die technologischen Funktionen oder die grafische Benutzeroberfläche eines Geräts zu beschreiben. Hierfür sollte ein Entwicklungswerkzeug verwendet werden, das die Geräteintegration ermöglicht (wie z. B. PCWorx, CXProgrammer oder Step7).
In den folgenden Artikeln behandeln wir die Konfiguration eines Profinet-Netzwerks mithilfe verschiedener Konfigurations- und Integrationssysteme.
1 Das Open Systems Interconnection (OSI)-Modell (ISO/IEC 7498-1) ist auch als OSI bekannt.
2 RS485 ist ein Mehrpunkt-Differenzialübertragungsbus mit zwei unverdrillten, geschirmten Adern.
3 Industrial Ethernet (IE) bezeichnet die Verwendung des Ethernet-Protokolls in industriellen Umgebungen zur Automatisierung und Steuerung von Produktionsmaschinen.
4 HMI steht für Human-Machine Interface (Mensch-Maschine-Schnittstelle). HMI-Systeme stellen einen Prozess visuell dar. Diese Darstellung kann auf speziellen Geräten wie Bedienpanels oder auf einem Computer erfolgen.
