Zukunftssichere Architektur: Profinet-Technologien für neue Anlagenkonzepte

Die grundsätzlichen Architektureckpunkte eines Kommunikationsstandards sind in der Gerätemodellierung und im Netzwerkzugriffsverfahren zu finden. Diese Basisfestlegungen beeinflussen letztendlich die für den Anwender sichtbaren und nutzbaren Eigenschaften und Funktionen. So ermöglicht Profinet durch das definierte Netzwerkzugriffsverfahren einen uneingeschränkten parallelen Betrieb von Echtzeit- und TCP/IP-Kommunikation. Der Mehrwert gegenüber Feldbussystemen – der freie Zugang und die Nutzung offener Web-Tools zur Diagnose – ist offensichtlich. Auch die bereits heute im Standard definierten Funktionen Shared-Device und I-Device nutzen diese Basismechanismen und sind Grundlage für neue und innovative Lösungen von Anlagen. Intelligente Architektur aufgrund neuer Funktionen Der innovative Ansatzpunkt von Shared-Devices ist der parallele und unabhängige Zugriff von zwei verschiedenen Controllern auf das gleiche Device. Dafür projektiert ein Anwender bei einem Shared-Device eine feste Zuordnung der verschiedenen Ein-/Ausgangs-Module (E/A-Module), die in einem Device verwendet werden, zu einem ausgewählten Controller. Eine eindeutige Zuordnung von Modul zu steuernder Einheit ist also immer gewährleistet und für den Anwender ersichtlich. Bei einem Shared-Input findet der parallele Zugriff von zwei verschiedenen Controllern auf den gleichen Eingang statt. Ein Eingangssignal, das in zwei verschiedenen Steuerungen einer Anlage verarbeitet werden muss, muss also nicht doppelt verdrahtet oder über eine CPU-CPU-Kommunikation transferiert werden. Hier ersetzt eine geschickte Architektur auf einfache Weise zusätzliche Hardware oder Programmier- und Testaufwand. Anwendung eines Intelligent Device (I-Device)-Konzeptes Zur Datenübertragung zwischen zwei CPUs konnte man bisher schon mehrere Möglichkeiten nutzen: Neben einer nativen TCP/IP-Kommunikation war auch eine CBA-Kommunikation realisierbar. Ein weiterer Weg zur Kommunikationsverbindung mit mehreren CPUs in einer Anlage erschließt sich jetzt durch die Anwendung des I-Device-Konzeptes. Dabei wird eine CPU wie ein Device modelliert. Leitgedanke des I-Device-An­satzes ist die Nutzung des bekannten E/A-Abbildes in einer CPU. Aus Sicht eines überlagerten Controllers gleicht die Kommunikation zu einem intelligenten Device (da­her der Name I-Device) einer dezentralen Peripherie, nämlich dem Lesen und Schreiben von E/As. Auch aus Sicht eines I-Devices erfolgt die Datenübergabe an eine übergeordnete Station wie zu der lokalen oder zugeordneten dezentralen Peripherie über E/As. Da die Projektierung einer solchen Kommunikation auf einer von der Peripherieankopplung bekannten Unterstützung durch eine GSD beruht, ist sowohl eine projektübergreifende Kommunikation als auch ein Datenaustausch zwischen verschiedenen Herstellern einfach möglich. Im Gegensatz zu etablierten Feldbussen, in denen für die Kommunikation nach unten bzw. oben unterschiedliche Kommunikationsanschaltungen mit entsprechend unterschiedlichen Adressen und Verkabelungen notwendig sind, etabliert Profinet den gleichzeitigen Betrieb auf der gleichen Schnittstelle und im gleichen Netzwerk auch mit einer beliebigen Kombination von RT- und IRT-Kommunikation. Applikationen mit Shared-Device und I-Device In den meisten Anlagen sind nicht die Netzwerk-Performance und das Mengengerüst der E/A-Stationen begrenzende Größen, sondern die Verarbeitungsleistung der CPU für den Applikationsprozess. In solchen Fällen bietet es sich an, eine zusätzliche CPU in der Anlage einzubauen und die Aufgaben aufzuteilen. Bisher bedeutete das jedoch, dass die dieser CPU zugeordneten E/As entweder über ein eigenes Netzwerk und eigene E/A-Stationen mit einem entsprechenden Aufwand an Engineering bearbeitet werden oder über eine CPU-CPU-Kopplung transferiert werden müssen. Mit einer Shared-Device-Architektur entfallen diese Mehraufwände. Der Anwender kann die E/A-Daten, die in einer dezentralen Station gesammelt werden, beliebig den verschiedenen CPUs zuordnen. Die Aufteilung in zwei verschiedene CPUs wird auch angewandt, um ein Projekt klar aufzuteilen oder um die Vorteile unterschiedlicher CPU-Architekturen – wie einer Standard-CPU und einer PC-based-CPU in einer Anlage – miteinander zu kombinieren. Gemeinsam genutzte Prozessgeräte Diverse Prozessgeräte werden in verbundenen Anlagen von verschiedenen Steuerungen nicht gleichzeitig sondern nacheinander genutzt. Mit einer Umschaltung zwischen den Steuerungen reduzieren sich die ungenutzten Zeiten und Gerätekosten. Beispiele hierfür sind Kappenfräser für Schweißzangen, Fasspumpen und Laser. Dazu wird das eine Prozessgerät jeweils in den beiden, den Controllern zugeordneten Projekten konfiguriert. Der Wechsel zwischen den Controllern findet über einen ­Kommando­austausch zwischen den Controllern und einen Aktivieren-Deaktivieren-Prozess statt. Das bedeutet einen entsprechenden Engineering- und Programmieraufwand und ein entsprechendes Konzept für den Ausfall einer Steuerung. Alternativ bieten Prozessgerätehersteller eine doppelt ausgeführte Kommunikationsschnittstelle an. Die Shared-Device-Modellierung des Prozessgerätes erfordert nur eine Hardwareschnittstelle. Die Übergabe zwischen den beiden Controllern regelt die Firmware im Prozessgerät. Eine zusätzliche CPU-CPU-Kopplung ist nicht mehr notwendig. Offensichtliche Vorteile durch sichere Fehler-Abschaltung Der offensichtlichste Vorteil von Shared-Device liegt in der geschickten Anwendung bei der fehlersicheren Applikationen, bei denen eine fehlersichere CPU und ein Standard-Controller einen Prozess gemeinsam fehlersicher steuern. In bisherigen Anlagenkonzepten schaltet eine fehlersichere CPU (F-CPU) über eigene Stationen und entsprechende F-Module die Ausgänge eines anderen Controllers, wie z.B. eines Roboters, sicher ab. Mit Shared-Device können diese beiden Stationen zusammengelegt werden. Die F-CPU steuert ein sicheres F-Power-Modul, ein Roboter die Standard-E/As in der gleichen Station. Im Sicherheitsfall schaltet die F-CPU über das F-Power-Modul die Versorgungsspannung der Ausgänge sicher ab. Mithilfe dieses Aufbaukonzeptes entfällt die Überwachung der Verkabelung zwischen den beiden Stationen eines konventionellen Aufbaus. Der Nutzen liegt auf der Hand: weniger Verkabelung, geringere Hardwarekosten und ein geringerer Engineering-Aufwand. Durchgängige Kommunikation bei I-Device Die Grundmotivation für die Nutzung von I-Device liegt in der Verwendung des E/A-Abbildes in der Programmierung als auch der GSD-Datei bei der Konfiguration. Der Übergang von Profibus zu Profinet mit Nutzung des bestehenden Know-hows auch in Form bestehender Programme ist möglich. Durch die Verwendung derselben Hardwareschnittstelle und des gleichen Netzwerkes entsteht neben den Hardware-Einsparungen der Vorteil der durchgängigen Kommunikation im gesamten Netzwerk. Ohne Router-Mechanismen im I-Device kann z.B. ein Engineering-Tool direkt auf alle Devices im Netzwerk zugreifen. Die ­Diag­nose und Parametriermöglichkeiten über Web-Services oder über ein eigenes Geräte-Tool mit einer Tool-Calling-Interface-Unterstützung (TCI) sind unabhängig von der jeweiligen Position des Devices oder des PCs zugänglich. Kombination von I-Device mit Shared-Device Auch die Kombination von Shared-Device und I-Devices bietet neue Chancen: Häufig werden in Werkzeugmaschinen kleine lokale F-CPUs mit zentraler F-Peripherie vor Ort eingesetzt. An gleicher Stelle befinden sich auch E/A-Stationen, die Ein-/Ausgänge für die überlagerte Steuerung sammeln. Die kleine F-CPU besitzt eine Kommunikationsverbindung zur überlagerten Steuerung, da diese die Status- und Diagnoseinformationen benötigt. Mit der Verlagerung der E/As der überlagerten Steuerung in die lokale F-Station und durch einen transparenten Durchgriff mit Hilfe des Shared-Devices-Mechanismus lassen sich die Aufwände für die zusätzliche Kopfstation, den Platz im Schaltschrank, die Verkabelung und das Engineering reduzieren. Verbesserungen und neue Anlagenkonzepte realisieren Mit Profinet lassen sich Anlagen nicht nur als eine 1:1-Umstellungen von bekannten Feldbuskonzepten mit größeren Mengengerüsten, mehr Performance und besserer Diagnose umsetzen, sondern auch völlig neue Anlagenkonzepte verwirklichen. Dadurch sind flexiblere, einfachere und kostengünstigere Aufbaukonzepte realisierbar. Profinet trägt dadurch zur Wettbewerbsfähigkeit des Anwenders bei. Autor: Dipl.-Ing. Xaver Schmidt, Siemens AG, Industry Sector, Industry Automation Division, System Manager Profinet, Leiter des Arbeitskreises Profinet in der Profibus Nutzerorganisation e.V.