PROFINET Grundlagen

PROFINET – Bedeutung und Merkmale

PROFINET steht für Process Field Network und ist der offene Industrial-Ethernet Standard von PI (Profibus und Profinet International). PROFINET nutzt TCP/IP bzw. IT-Standards und findet Anwendung in der Fertigungs- und Prozessautomatisierung. Es ermöglicht eine durchgängige Kommunikation von der Unternehmensleitebene bis hin zur Feldebene. Unterstützt werden viele verschiedene Übertragungsmedien (wie Kupfer oder Wireless). Das PROFINET gestattet die nahtlose Integration der Feldbusse, schützt Anlagen vor unerlaubtem Zugriff und bietet detailreiche Diagnosen. Der Anwender kann die Funktionsweise selbst wählen, da das Konzept modular aufgebaut ist.

Beratung und Implementierung von PROFINET

Als erstes müssen Informationen über die Funktionsweise der industriellen Netzwerke eingebracht werden. Daneben sollte sich auch in die Thematik eingearbeitet werden; dies kann erfolgen durch:

• Bücher und Broschüren
• Workshops, Seminare oder Schulungen.

Auch individuelle Beratungen oder spezielle Trainings sind möglich. Diese Trainings beschäftigen sich von den Grundlagen der Datenübertragung mit Industrial Ethernet, über das PROFINET Geräte- und Kommunikationsmodell bis hin zum Engineering.

Nun die wichtigsten Aspekte bei der Implementierung:

Implementierungsmethodik:

Es ist von Fall zu Fall verschieden, welche Implementierungsmethodik ausgewählt werden muss. Hierbei spielen die Entwicklungskapazitäten des Unternehmens, das im Betrieb vorhandene Basiswissen und die zu erwartenden Herstellkosten der Schnittstelle eine Rolle. Das Unternehmen muss sich auch darüber Gedanken machen, ob es eine reine PROFINET Schnittstelle, oder aber eine universelle Schnittstelle (eignet sich auch zur Kommunikation mit PROFIBUS) realisieren möchte.

Entwicklungsumgebung:

Für fast jede Implementierungsmethodik stehen verschiedene Starterkids zur Verfügung, wodurch der schnelle Einstieg in die Entwicklungsthematik ermöglicht werden soll. Solche Pakete enthalten auch oft komplette Entwicklungsumgebungen, Beispielsoftware und beispielhafte Schaltungen bzw. Schaltbilder.

Hard- und Softwaredesign:

Der Aufwand und die Art und Weise beim Hard- und Softwaredesign hängen stark von der zuvor gewählte Implementierungsmethodik ab. Die Gestaltung von Hard- und Software kann komplett eigenständig (wobei hier fundamentales Basiswissen und Know-How vorhanden sein muss), oder in Zusammenarbeit mit Entwicklungspartnern erfolgen. Es werden auch schon vordefinierte Entwicklungspakete und einbaufertige Kommunikationsmodule angeboten.

Die GSD-Datei:

GSD bedeutet Gerätebeschreibungsdatei, welche von den Herstellern der Feldgeräte zur Verfügung gestellt werden. Sie beschreibt das jeweilige Feldgerät und enthält die notwendigen Informationen zur Projektierung. Beim PROFIBUS findet dieselbe Systematik Anwendung. Eine umfangreiche Beschreibung ist dank der XML-Basierung möglich. Es ist beispielsweise möglich, mehrere Sprachen in die GSD-Datei zu implementieren.

Die Zertifizierung:

In industriellen Anlagen kommuniziert PROFINET auf Basis der Standards IEC 61158 und 61784.  Bei PROFINET ist eine Geräte-Zertifizierung bei einem genehmigten Testlabor verpflichtend. Dies dient zur Reduzierung von teuren Serviceeinsätzen und garantiert eine hohe Anlagenverfügbarkeit. Es wird überprüft ob die Feldgeräte den Standards entsprechen was ein fehlerfreies Zusammenarbeiten der Feldgeräte und der automatisierten Anlage mit sich bringt. Der Aufwand der Zertifizierung hängt von der eingesetzten Technologie ab. Vorzeitiges Berücksichtigen dieses Themas ist meist vom Vorteil. Bei der Zertifizierung wird das fertige PROFINET-Gerät einfach in ein Labor geschickt, in welchem es verschiedenen Tests unterzogen wird. Diese Tests reichen von Hardwaretest, über Belastungstests bis hin zu Alarm- und Sicherheitstests. Noch einfacher gestaltet sich die Zertifizierung wenn auf bereits vorzertifizierte Geräte zurückgegriffen wird.

Realisierungsmöglichkeiten von PROFINET

Es stehen mehrere Möglichkeiten zur Schnittstellenrealisierung zur Verfügung. Der unterstützte Funktionsumfang des PROFINET-Feldgerätes beeinflusst hierbei die Entscheidung. Kriterien können sein:

• Echtzeitanforderung
• Geräteklassifizierung
• Eigenentwicklung oder Partnerschaft

Die Kommunikation mit PROFINET ist über drei aufeinander aufbauenden Leistungsstufen messbar. Die Standardkommunikation (Übertragung von Engineering- und zeitunkritischen Daten) erfolgt über TCP/IP und ist zwischen allen Feldgeräten möglich. Der Echtzeitkanal „Real Time“ (RT) überträgt Prozessdaten. Die isochrone Echtzeitkommunikation (IRT) wird für taktsynchrone Anwendungen benutzt. Für IRT steht spezielle Hardware zur Verfügung.

Conformance Classes:

Es gibt für die unterschiedlichen Anforderungen drei aufeinander aufbauenden Conformance Classes mit abgestimmtem Funktionsumfang. Vor der Installierung der PROFINET-Schnittstellte müssen sich Gedanken über die angestrebte Conformance Class gemacht werden. Sind viele Produkte in Richtung der Conformance Class ausgelegt, so ist auch der Einsatzbereich dieses Feldgerätes breiter. Hier die wesentlichen Funktionen der Classes:

• CC-A: nutzt die Infrastruktur eines bestehenden Ethernet Netzwerkes und integriert die PROFINET Basisfunktionalität
• CC-B:ermöglicht einen einfachen und bequemen Geräteaustausch ohne spezielles Engineering-Tool, zudem unterstützt SNMP die erweiterte Gerätediagnose der Netzwerkfunktionen
• CC-C: ermöglicht präzise und determinierte Datenübertragung inklusive taktsynchroner Anwendungen, zudem ermöglicht die integrierte Medienredundanz das umstellen des I-/O Datenverkehrs im Falle eines Fehlers

Geräteschnittstellen:

Es gibt verschiedene Lösungsansätze (Bauform, Schutzart, Anschluss, Anwendungsbereich,...),  um den verschiedenen Gegebenheiten der Automatisierungsanlage gerecht zu werden. Es stehen grundsätzlich vier Möglichkeiten zur Verfügung:

1. ein Standard Microcontroller (MCU)
2. FPGA mit in- oder externen IRT-fähigem Switch
3. Module mit Standard Microcontroller oder Microcontroller mit IRT-Hardware-Unterstützung
4. Microcontroller mit IRT-Hardware-Unterstützung und IRT-fähigem Switch

Eigenentwicklung oder Partnerschaft

Der Vorteil einer partnerschaftlichen Entwicklung besteht darin, dass sich der Gerätehersteller auf seine wesentlichen Kernkompetenzen konzentrieren kann. Außerdem trägt die Erfahrung der externen Technologieunternehmen dazu bei, das Produkt auf dem Markt besser durchsetzten zu können.