Fast Start Up Deutlich schnellerer und gesicherter Hochlauf von Automatisierungsgeräten

Die Taktzeit eines Gesamtproduktionsablaufes hängt immer von der Geschwindigkeit der einzelnen Stationen ab. Besonders drastisch zeigt sich dies beim Werkzeugwechsel von Robotern, etwa beim Schweißen in der Automobilfertigung. Der Wechsel dieser Werkzeuge geht in den Takt für die gesamte Karosseriedurchfahrt ein. Je schneller der Wechsel stattfindet, umso weniger Zeit wird für die Bearbeitung in einer Station benötigt. Das Werkzeugwechselsystem besteht aus einem Roboter mit einer Dockingvorrichtung zum Ankoppeln genau eines Werkzeugs und mehreren Werkzeugen. Im sogenannten Bahnhof liegen die gerade nicht benutzten Werkzeuge; dort werden diese stromlos geparkt. Die Koordination innerhalb dieser Roboterzellen ist also entsprechend komplex. Zugleich wird deutlich, dass schnelle Werkzeugwechsel vor allem in variantenreichen Produktionen benötigt werden, etwa in der LKW-Fertigung. Da in Zukunft mit einer weiteren Erhöhung der Flexibilität in der Automobilfertigung gerechnet werden muss, wird jedoch ein schneller Werkzeugwechsel eher zur Normalität als zur Ausnahme. Bereits vor einigen Jahren gab es bei Profinet im Rahmen des Hochlaufs eine Reihe von Funktionalitäten, die einen sicheren Hochlauf der eingesetzten Geräte unter allen möglichen Randbedingungen garantierten. Allerdings waren diese Zeiten für die oben genannten Anwendungen immer noch zu lang. So addierten sich die Hochlaufzeiten bei den damaligen IO- Devices durchaus auf Zeiten von mehr als sechs Sekunden nach dem Power-On, also bis die eigentlichen Nutzdaten mit dem IO-Controller ausgetauscht werden konnten. Einen großen Anteil an diesen Zeitspannen nehmen Standard-Ethernet-Mechanismen ein, wie das Autonegotiation oder Autocrossing. Bei Letzterem handelt es sich um einen internen Test, der überprüft, wer Empfänger und wer Sender ist und ob die Kabelbelegung im Stecker angepasst werden muss. Dieser Test allein konnte bis zu drei Sekunden dauern. Vorteil der Durchgängigkeit Obwohl die Hochlaufzeiten für Standardanwendungen ausreichend waren, verhinderte die zu langsame Geschwindigkeit den Einsatz von IO-Devices in bestimmten Applikationen, vor allem solche mit schnellen Werkzeugwechseln. In diesen Zellen war ein Übergang von Profinet auf Interbus oder Profibus nötig. Dies war damals für alle Beteiligten unbefriedigend. Schließlich liegt der Vorteil von Profinet gerade darin, dass die Anwender auf eine einzige gemeinsame Kommunikationslösung zurückgreifen können. Um Profinet für diese Automatisierungslösungen einzusetzen, war daher ein deutlich schnellerer Hochlauf notwendig. Die Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilindustrie (AIDA) legte die Messlatte mit Reaktionszeiten deutlich unter 500ms sehr hoch. Aus Sicht der AIDA war dies jedoch nur folgerichtig, schließlich fällte sie im Jahr 2004 die Grundsatzentscheidung für Profinet als gemeinsamen Kommunikationsstandard in den Anlagen und der Fördertechnik der deutschen Automobilhersteller. Damit waren die Weichen für eine Erweiterung des Profinet- Standards gestellt: Mit \’Fast Start Up\‘ (FSU) wurde ein optimierter Systemhochlauf definiert, um ab dem zweiten Hochlauf wesentlich schneller zu einem Datenaustausch zu gelangen. Raus aus der Passivität Um zu erklären, wie der schnellere Hochlauf funktioniert, ist es nötig, das Hochlaufverfahren nach IEC61158 zu betrachten. So verhält sich ein IO-Device immer passiv, wenn es aus dem Power-Off wieder an das Netz geht. Nur der IO-Controller ergreift die Initiative, das Vorhandensein des IO-Devices zu erkennen und eine neue Kommunikationsbeziehung mit ihm aufzubauen. Zugleich fordern die Überwachung der einzelnen Komponenten und Abläufe ihren zeitlichen Tribut. Einige Beispiele zeigen dies: Um die Netzwerkbandbreite und die Belastung des IO-Controllers und der Devices gering zu halten, prüft der IO- Controller im Rahmen eines \’Identscan Cycles\‘ zyklisch eine bestimmte Zahl ausgefallener IO-Devices, ob diese wieder am Netz sind und legt danach eine entsprechende Ruhepause ein (z.B. 50 Devices in einer Sekunde). Um Namen auf Duplizität zu prüfen, wartet der IO-Controller nach einer Rückmeldung eines IO-Devices bis zum Ende des Identscan Cycles (damit maximal eine Sekunde), ob sich weitere Teilnehmer am Netz mit dem gleichen Namen befinden. Wird ein IO-Device per Identify im Rahmen des Scans erkannt, prüft der IO-Controller die ihm zuzuteilende IP-Adresse gegen Duplizität am Netz per ARP- Request (ARP: Address Resolution Protocol). Reagiert innerhalb des ARP- Timeouts von zwei Sekunden kein Gerät, so teilt der IO-Controller die IP-Adresse dem IO-Device per DCP::Set (DCP: Discovery and basic Configuration Protocol) zu. Ist die IP-Adresse des IO-Devices z.B. aufgrund von Alterung aus dem ARP-Cache des IO-Controllers entschwunden, muss der IO-Controller seinen ARP-Cache erneut füllen. In diesem Fall führt er einen weitere ARP-Req durch, um die MAC-Adresse des IO-Devices zu ermitteln. Dies geschieht \’verborgen\‘ im IP-Layer als Seiteneffekt. Der IO-Controller führt anschließend den Verbindungsaufbau einer Profinet Application Relation durch. Nach der erfolgten Baugruppenparametrierung meldet das IO-Device \’Application Ready\‘ und der Prozessdatenaustausch erfolgt. An den entscheidenden Stellen optimiert Mit dem Fast Start Up werden diese Abfragen optimiert und drastisch beschleunigt. Dabei macht man sich zu Nutzen, dass viele Daten nach dem ersten Hochlauf bereits vorliegen. Der erste Hochlauf eines IO-Devices an einem IO-Controller, der in normaler Geschwindigkeit abläuft, entspricht weiter dem definierten Standardhochlauf, um die nötigen Parameter auf dem IO-Device zu speichern. Der Fast Start Up wird damit erst beim zweiten bis n-ten Hochlauf eines IO-Devices an diesem IO-Controller aktiv. Dieser schnelle und optionale Weg lässt sich alternativ zum Standardhochlauf (der nach \’Power-On\‘ beim ersten Hochlauf oder \’Reset\‘ weiterhin seine Anwendung findet) einsetzen. Bei der Projektierung des Gerätes muss dafür ein entsprechender Parameter, der durch einen Eintrag in der GSD-Datei ermöglicht wird, entsprechend gesetzt werden. Während dieses Hochlaufens wird der Systemhochlauf in den verschiedenen Schritten optimiert. So kann ein Gerät beim Anlauf mit den vom ersten Hochlauf bekannten und remanent gespeicherten Kommunikations- und Baugruppenparameter vollständig anlaufen und z.B. den Soll- und Ist-Ausbau vergleichen. Des Weiteren wartet ein Gerät nicht mehr auf den Namensscan eines Controllers, sondern meldet sich aktiv per DCP::Hello am Netzwerk, sodass ein entsprechender Zyklus eines Identscan nicht mehr abgewartet werden muss. Die natürlich weiterhin notwendigen Überprüfungen auf Duplizität des Namens oder IP-Adresse erfolgen asynchron. Je nach verwendeten IO-Controller können z.B. pro IO-System bis zu 32 Devices für das FSU-Verfahren parametriert werden, wobei jedoch immer nur acht Devices gleichzeitig aktiviert werden können. Um die maximale Hochlaufgeschwindigkeit herauszuholen, ist nicht nur der Kommunikationshochlauf zu optimieren, sondern auch der hardwarenahe Ethernetmechanismus beim Verbindungsaufbau. Deswegen kann der Port über die Projektierung fest auf 100MBit Vollduplex gestellt werden. Bei dieser Einstellung wird das oben erwähnte Autocrossing deaktiviert. Trotzdem kann ein Standard-Patch (1:1-verdrahtetes)-Kabel verwendet werden, wenn gegenüberliegende Ports als Endgeräteport bzw. Switchport belegt sind. Das Ergebnis ist ein Mechanismus, der Geräte in weniger als 500ms identifiziert und mit dem IO-Controller verbindet. Damit sind Profinet-Produkte mit Fast Start Up perfekt für Anwendungen geeignet, bei denen häufiger Geräte an- und abgedockt werden. Allerdings kann Profinet nur im Rahmen seiner Möglichkeiten, das heißt innerhalb der Kommunikation, für hohe Geschwindigkeiten sorgen. Die Verantwortung für schnelle Prozessoren oder Stromversorgungen liegt in den Händen der Gerätehersteller. Fazit All diese Maßnahmen und Entwicklungen wurden in enger Abstimmung mit der AIDA vorangetrieben und umgesetzt. Dabei wurden, wie bei allen Entwicklungen von PI International, gleichzeitig die Zertifizierungen für die entsprechenden Geräte ausgearbeitet. Nur Geräte, die nachweislich diesen Hochlaufmechanismus meistern, erhalten das Zertifikat. Fest steht: Mittlerweile ist eine moderne Automatisierungslösung ohne Profinet nicht mehr denkbar. In vielen Ausschreibungen bei internationalen Automobilherstellern gehört zudem die schnelle Hochlaufvariante längst zum K.o.-Kriterium. Fast Start Up ist auch ein gelungenes Beispiel, wie eine kontinuierliche und enge Zusammenarbeit mit dem Anwender zur Abrundung des führenden Industrial-Ethernet-Standards Profinet führt. Ganz ähnlich gingen die Beteiligten bei weiteren Entwicklungen vor, die angestoßen und umgesetzt wurden. Bestes Beispiel aus der jüngsten Zusammenarbeit ist ­Profienergy zum einfachen Energiesparen in Automatisierungsanlagen.