Nachdem die Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO) mit Profinet CBA und Profinet IO alle für die Kommunikation in der Fabrikautomatisierung notwendigen Standards spezifiziert hat, wurden bis Ende 2005 die Profile Profisafe und Profidrive für den Einsatz mit Profinet erweitert; hierzu gibt es weltweit und in vielen Branchen bereits zahlreiche Anwendungen. Mit IRT (Isochrone Real Time) lassen sich jetzt auch sehr zeitkritische Anwendungen wie dynamische Motion Control über Profinet steuern. Diese \“harte\“ Echtzeitfähigkeit mit gleichzeitiger Koexistenz der Ethernet TCP/IP Kommunikation auf einem Kabel macht Profinet zu einem einzigartigen Standard. Eine ganze Reihe von Mitgliedsfirmen der PNO entwickelt derzeit Antriebslösungen für Profinet. Dazu zählen Danaher, Danfoss, ESR, Lenze, SEW und Siemens. Die ersten Produkte kommen im Laufe diesen Jahres auf den Markt. Bereits verfügbar sind die Motion Controller Simotion und die Antriebe Sinamics S120, bei denen Profinet mit IRT schon implementiert ist. Immer dabei: TCP/IP Die größten Vorteile von Profinet liegen in der durchgängigen Kommunikation, der Chance zur Einführung innovativer Technologien und dem damit verbundenen Potenzial zu Kosteneinsparungen. \“Durchgängig\“ bedeutet hier, dass der weltweit etablierte Vernetzungsstandard Ethernet mit TCP/IP-Kommunikation die Basis von Profinet darstellt und Profinet dadurch über alle Hierarchien einsetzbar ist. So erfolgt die Vernetzung im gesamten Unternehmen mit nur einer Verkabelung und die Kommunikation mit einem einheitlichen Datenprotokoll. Dadurch sind Maschinen und Profinet-fähige Geräte nicht nur von der Steuerungs- und Leitebene aus erreichbar, sondern sie stehen auch für Ferndiagnose oder eine Vorab-Parametrierung bei noch nicht in Betrieb befindlichen Anlagen zur Verfügung. Kosten senken mit Profidrive Das Antriebsprofil Profidrive beschreibt die Antriebsschnittstelle aus Sicht der Steuerungsapplikation sowie deren Abbildung auf das Kommunikationssystem. Es deckt in sechs Applikationsklassen die Szenarien vom einfachen Frequenzumrichter bis zum hochdynamischen Servoantrieb ab. Mit der Version 4 des Antriebsprofils Profidrive steht ein Standard zur Verfügung, der sowohl auf Profibus als auch auf Profinet anwendbar ist. Die Trennung von Applikation und Kommunikation ermöglicht sowohl für Gerätehersteller als auch für Anwender die problemlose Übertragung und Implementierung bzw. Nutzung des Profils und damit die freie Auswahl des optimalen Kommunikationssystems Profibus oder Profinet. Diese Flexibilität wird seit langem vom Maschinenbau gefordert; Maschinenhersteller können so schnell und kostengünstig auf wechselnde Anforderungen des internationalen Marktes an die industrielle Kommunikation reagieren und damit ihre Wettbewerbsposition sichern oder ausbauen. Auch Karl-Peter Simon, Vice President Sales Central Europe bei Danfoss (siehe Kasten \“Nachgefragt\“) in Offenbach, betont diese Vorteile: \“Profidrive bedeutet für den Anwender Durchgängigkeit, egal ob er mit Profibus oder mit Profinet arbeiten will. Profinet ermöglicht die einfache Einbindung in Firmennetze und zu übergeordneten Steuerungen.\“ Kosteneinsparungen resultieren insbesondere aus der einfachen Geräteintegration und der durchgängigen Kommunikation von Produktions- und Servicedaten. Mit Profinet lassen sich alle Geräte im Feld direkt auch von Service- und Engineeringkonsolen aus ansprechen. Das eröffnet neue Perspektiven für zukunftsweisende Technologien wie Condition Monitoring und vorbeugende Wartung. Die dafür erforderlichen Daten sind zukünftig nur noch einen Mausklick entfernt von MES oder ERP oder werden von den entsprechenden Systemen automatisch angefordert und ausgewertet. Skalierbare Kommunikation Profinet bietet bei der Übertragungstechnik verschiedene Möglichkeiten, die Kommunikation an die Anforderungen der Anlage anzupassen, ohne jemals die Standard-Ethernet-Kommunikation auszulassen. Für die einfache Übertragung von Datenpaketen auf der Controller-Ebene stellt Profinet eine TCP/IP-Verbindung wie in jedem üblichen Büronetz bereit. Auf Basis von Fast Ethernet mit einer Übertragungsleistung von 100MBit/s ist dabei mit Reaktionszeiten von etwa 100ms zu rechnen. In der zweiten, RT (Realtime) genannten Stufe wird eine Reaktionszeit von 10ms gewährleistet, vor allem für den zyklischen Austausch von I/O-Daten. Dies reicht für die typischen Anwendungen der Fertigungsautomatisierung aus, nicht jedoch für dynamisches Motion Control. Hierfür wird Profinet mit Isochroner Real-Time-Eigenschaft (IRT) eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht, bei einer Reaktionszeit von unter 1ms mit einem Jitter von unter 1µs zuverlässig strenge Echtzeitanforderungen zu erfüllen. Auf Basis von Ethernet war dies bisher nicht realisierbar, da die Möglichkeit der Kollision oder Verzögerung von Datenpaketen eine sichere Vorhersage von Latenzzeiten vereitelte. Profinet löst dieses Problem durch die Reservierung von Bandbreiten für die IRT-Kommunikation. Zu diesem Zweck erfolgt die Netzwerk-Kommunikation in streng deterministischen Zyklen, wobei ein Teil des Zykluses ausschließlich für die Echtzeitkommunikation reserviert ist. Die Bandbreitenreservierung stellt sicher, dass die Datenpakete für Echtzeitsteuerungen stets \“freie Bahn\“ haben und nicht durch Datenverkehr der Standard-IT gestört werden können. Die zuverlässige Übertragung der IRT-Datenpakete in diesen Zeitfenstern ist die Aufgabe von Switches, die sich untereinander synchronisieren, um exakt auf der gleichen Zeitbasis zu arbeiten. Das Synchronisierungsverfahren ist in der Profinet-Spezifikation der PNO beschrieben; die Uhrzeitstempelung erfolgt gemäß der Festlegung in der IEEE 1588. Durch Isochrones Real-Time realisiert Profinet im Ethernet eine offene, deterministische Kommunikation für Motion Control, die höchsten Anforderungen an geringe Latenzzeiten gerecht wird. Und dies nicht nur über Kupferleitungen, sondern auch mit LWL oder Wireless. IRT Segmente Die unterschiedlichen Ausprägungen von Echtzeitfähigkeit bei Profinet (RT, IRT) schließen auch die Funktionen der jeweils weniger leistungsfähigen Protokollschichten (TCP/IP bzw. RT und TCP/IP) mit ein. Wenn also mit IRT gearbeitet wird, bleibt weiterhin die Übertragung von I/O-Daten über RT mit Reaktionszeiten von 10ms möglich, und gleichzeitig können auch noch 50% der Bandbreite für den Datenverkehr mit TCP/IP ohne Echtzeitanforderungen zur Verfügung gestellt werden. Damit ist eine ausreichende Bandbreite für den Datenverkehr geringerer Priorität gesichert. Die Protokollschichten IRT und RT werden sinnvollerweise nur in den Netzsegmenten verwendet, in denen die Automatisierungsprozesse das erfordern. Reine Büroumgebungen in den Werken arbeiten weiterhin mit klassischem TCP/IP. Dementsprechend benötigen die Anwender spezielle Hardware mit IRT-tauglichen Switches nur dort, wo aufgrund strenger Echtzeitanforderungen dieses Protokoll tatsächlich verwendet wird. In den anderen Netzwerksegmenten bleiben weiterhin Komponenten für das herkömmliche Industrial Ethernet verwendbar. Dazu zählen beispielsweise Industrie-PCs mit Visualisierungsaufgaben, bei denen die Darstellung normalerweise nicht im Millisekundenbereich aktualisiert werden muss. Router schaffen schließlich den Übergang in die klassische IT, deren Netzwerktechnik durch Profinet nicht beeinflusst wird. Durch diese Staffelung der Protokollschichten können die Anwender ihre industriellen Netzwerke gezielt und selektiv entsprechend der Echtzeitanforderungen ausbauen. Switch im Asic Schlüsselkomponenten zur Realisierung der IRT-Segmente sind Switches. Anders als in der klassischen Bürokommunikation handelt es sich dabei nicht um getrennt aufzustellenden Geräte, sondern sie sind Bestandteil von typischen Automatisierungsgeräten wie Steuerungen, Motion Controllern, Industrie-PCs oder anderen netzwerkfähigen Komponenten. Den Anbietern dieser Automatisierungssysteme stehen seit dem Frühjahr 2006 zwei Asics der Serie Ertec zur Verfügung, die über die Vertriebskanäle von Siemens und NEC Electronics weltweit vertrieben werden. Als Hauptkomponenten beinhalten beide Asics einen Ethernetcontroller mit Switch-Funktion und einen 32Bit-Mikroprozessor auf ARM-Basis. Dabei ist der Ertec 200 mit 2-Port-Switch für Feldgeräte vorgesehen, während der Ertec 400 einen 4-Port-Switch bietet und über ein PCI-Interface verfügt. Letzterer ist damit die richtige Lösung für anspruchsvolle Steuerungen, auch auf PC-Basis. Durch die globale Verfügbarkeit dieser Asics ist gewährleistet, dass Automatisierungshersteller ohne großen Entwicklungsaufwand ihre Systeme fit für Profinet machen können. Zusätzlich unterstützen Systemhäuser wie HMS oder TMG die Anbieter mit weiteren Produkten oder Support und Entwicklungsdienstleistungen, um Profinet in ihre Produkte zu integrieren. Einen besonders einfachen Zugang zu Profinet eröffnet HMS Industrial Networks mit seinen Embedded-Modulen für Indus-triekommunikation (siehe Kasten). HMS hat im April 2006 angekündigt, eine Palette von Produkten für Profinet mit IRT-Funktion zu entwickeln. \“Wir haben über 500 Gerätehersteller weltweit, die auf unser Anybus-Konzept für die industrielle Kommunikation standardisieren\“, erläutert Nicolas Hassbjer, President und CEO von HMS. \“Alle diese Hersteller können nun auf einfache Weise auch Profinet mit IRT-Technik für ihre Produkte verwenden.\“ Mit dieser breiten Unterstützung hat Profinet kräftig an Fahrt gewonnen. Als Pilotprojekt für high-end Motion Control Anwendungen wurden mehrere große Druckmaschinen von MAN Roland komplett mit Profinet und IRT automatisiert. Diese Anlagen sind bereits seit mehreren Monaten erfolgreich bei Druckereien in Betrieb und beweisen in vollem Umfang die Praxistauglichkeit von Profinet auch bei zeitkritischen Aufgaben. Profinet-Asics von NEC Zur Realisierung von Profinet sind die Asics der Ertec-Serie die Schlüsselkomponente. Die Produktion dieser Asics führt neben Siemens auch NEC Electronics durch, einer der weltweit größten Asic-Produzenten. Damit ist für Anwender wie Automatisierungshersteller größte Versorgungssicherheit bei diesen wichtigen Komponenten gewährleistet. Über die Produktion hinaus bietet NEC Electronics die Ertec-Chips auch über seine Vertriebskanäle an. Das gilt sowohl für den Direktvertrieb als auch für Distributoren, die traditionell mit NEC zusammenarbeiten: Avnet Memec, Gleichmann Electronics und Rutronik. Haroon Rashid, General Manager Industrial Business Group bei NEC Electronics erläutert dazu: \“Der Ertec400 wird seit dem ersten Quartal 2006 angeboten und wir sind sehr erfreut, dass wir bereits kurz nach der Produkteinführung einen bedeutenden Kunden gewinnen konnten. Auf diesen schnellen Erfolg wollen wir beim Ertec200 aufbauen. Bei diesem Chip für I/O-Geräte stellen wir über unsere Distributionskanäle bereits lebhaftes Kundeninteresse fest.\“ Für Support ist bei NEC Electronics ebenfalls bestens gesorgt, berichtet Haroon Rashid: \“Zur Unterstützung der Kunden stellen wir ein Team von Technikern zur Verfügung, das auf Standorte in ganz Europa verteilt ist. Diese Techniker haben langjährige Erfahrung mit ARM- und Ethernet-Technologien und werden unsere Kunden bei der Implementierung von Ertec in ihre Produkte unterstützen. Darüber hinaus hat jeder Distributor einen eigenen Support für Ertec-Applikationen aufgebaut.\“ Kasten: Nachgefragt bei Karl-Peter Simon, Danfoss-Vice President \“Sales Central Europe\“, Offenbach Herr Simon, Sie setzen künftig bei der Drives-Entwicklung verstärkt auf Profidrive mit Profinet. Warum? Profidrive bedeutet für den Anwender Durchgängigkeit, egal ob er mit Profibus oder mit Profinet arbeiten will. Profinet ermöglicht die einfache Einbindung in Firmennetze und zu übergeordneten Steuerungen. Zusätzlich bietet Profinet aufgrund der hohen Leis-tungsfähigkeit auch die Möglichkeit, zukünftige Anforderungen zu erfüllen. Welche Vorteile resultieren daraus für Sie und welche für Ihre Kunden? Profidrive ist der Quasi-Standard, daher nutzen wir die \“Statemachine\“ von Profidrive für alle Feldbusanwendungen. Der Anwender kann auch künftig diesen Quasi-Standard benutzen und findet somit eine gewohnte Struktur vor. Die Migration von Profibus zu Profinet ist dadurch einfach möglich. Und welche Rolle spielen dabei die Industrial Ethernet Asics Ertec 200 und 400? Der Ertec 200 ist der Chip den wir für \“Slave\“-Implementierungen einsetzen. Wir werden ihn also nutzen, um mit unseren Antrieben Profinet-IRT zu realisieren. Der Chip beinhaltet alle notwendigen Funktionalitäten, um eine schnelle Kommunikation zu realisieren. Kasten: Nachgefragt bei Nicolas Hassbjer, Geschäftsführer von HMS Industrial Networks AB Für welche Ihrer Kunden ist Profinet im Zusammenspiel mit Ertec eine ideale Kommunikationslösung und warum? Profinet mit Ertec ist nicht nur für Applikationen mit sehr hohen Real-Time- Anforderungen geeignet. Mit dem integrierten Switch wird die Verdrahtung von Ethernet wirklich automatisierungsgerecht. Deshalb ist es für fast alle Gerätetypen geeignet. Als Bonus kann man auch die integrierte Redundanzfunktion nutzen. In welchen Märkten und Regionen sehen Sie die größte Zukunft für Profinet und Ertec? Hauptmarkt ist natürlich Europa. Profinet wird aber auch weltweit viele Applikationen finden. Erste Anfragen haben wir zum Beispiel auch aus Japan. Inwieweit sind Sie in der Lage Ihre Dienstleistungen international anzubieten?
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