PROFINET für die Prozessindustrie · 2020. 11. 5. · PROFINET International) das PA-Profil 4.0...

WHITE PAPER

PROFINET für die ProzessindustrieAutor: Dr. Ulla Reutner

White Paper

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung: Von Feldbussen zu Ethernet-to-the-Field ........................................................................... 1

2. SpezielleAnforderungenderProzessautomationanEthernet-to-the-Field .......................................... 2

3. PROFIBUSPAertüchtigtfürPROFINET .................................................................................................. 33.1 PA-Profileallgemein .......................................................................................................................... 3

3.2 BesonderheitendesPA-Geräteprofils4.0 .......................................................................................... 3

4. RedundanzkonzeptebeiPROFINET .......................................................................................................44.1 PROFINETSystemredundanzS2 ........................................................................................................ 5

4.2 PROFINET-SystemredundanzR1 ........................................................................................................ 5

4.3 PROFINET-SystemredundanzR2 ........................................................................................................ 5

4.4 HochverfügbarkeitdurchRingtopologie ............................................................................................ 6

5. Technische Lösungen für Ethernet-to-the-Field in der Prozessindustrie ................................................ 65.1 VerbindungvonPROFIBUSPAzuPROFINETüberProxy-Technik ....................................................... 8

5.2 Ethernet-to-the-FieldaufBasisdesAdvancedPhysicalLayerAPL ..................................................... 8

5.2.1 APL-Infrastruktur .......................................................................................................................... 9

5.2.2 VorteilevonAPL ......................................................................................................................... 10

5.2.3 MigrationvonPROFIBUSPA ....................................................................................................... 11

5.2.4 Ausblick ...................................................................................................................................... 11

6. VerfügbareTechnikfürEthernet-to-the-FieldinderProzesstechnik ................................................... 116.1 Prozessleitsysteme/Controller ....................................................................................................... 11

6.1.1 ProzessleitsystemSimaticPCS7(Siemens) ................................................................................. 11

6.1.2 Prozessleitsystem800xA(ABB)................................................................................................... 12

6.2 Feldbusinfrastruktur ........................................................................................................................ 12

6.2.1 KomponentenfürProxy-Lösungen ............................................................................................. 12

6.2.2 commModuleAPL–IntegrationslösungfürAPL(Softing) ..........................................................14

PROFINET für die Prozessindustrie 1

WHITE PAPER

1. Einleitung: Von Feldbussen zu Ethernet-to-the-Field

DerEinsatzvonFeldbustechnikverschafftederProzessindustrieinderVergangenheitbeiderAutomati-sierungihrerAnlagenbereitsvieleVorteile.Feldbusse,dieaufdieBelangederProzessautomationzuge-schnittensind(PROFIBUSPA,FoundationFieldbus),unterstützenu.a.diedigitaleKommunikationunddenherstellerübergreifendenGeräteaustauschundreduzierendenVerkabelungsaufwand.EineVielzahlvonProzessanlagenwurdedaherindenletzten20bis25JahrenmithilfevonFeldbussenautomatisiert.

DochAnwender,dieheuteihreAnlagenfürdieIndustrie4.0ertüchtigenwollen,stoßenmitdenklassi-schenBussystemenanihreGrenzen.BeiderImplementierungdatenintensiverAnwendungenimRahmenderDigitalisierungsindbestimmteEigenschaftendergenanntenFeldbussehinderlich.Betreiber,dieihreProzessanlagenzukunftssicherautomatisierenwollen,kommennichtumhin,aufeineKommunikationumzusteigen,dieEthernetbiszurFeldebenenutzt.DennfürProzessindustrie4.0,IndustrialInternetofThingsundBigData-AnwendungensindNetzwerkstandardsnötig,überdiegroßeMengenvonProzess-undDiagnosedatenausdemFeldüberlangeDistanzenmithoherGeschwindigkeitübertragenwerdenkönnen.SämtlicheDaten,dieaufderFeldebeneexistieren,werdensofürIndustrie4.0-Anwendungenverfügbar.ÜberEthernet-to-the-FieldgelangensieüberdieSteuerungsebeneaufübergeordneteEbenen(DCS,MES)und–wennnötigundgewünscht–bisindieCloud.

NOA – NAM

UR Ope

n Arch

itectu

re

Unternehmens- führung

Betriebsführung

Basis-Automatisierung

Feldebene

sicher

offen

Abbildung 1: NOAalsErweiterungderAutomatisierungspyramide

Ethernet-to-the-FieldbieteteineGrundlagefürdasKonzeptNAMUROpenArchitecture(NOA),aufdessenBasisdieDatenderbisherigenKernautomatisierungfürMonitoringundOptimierungsaufgaben(M+O)zugänglichgemachtwerdensollen.WievonderNamurgefordert,istdaraufzuachten,dassbeiderEinfüh-rungvonEthernet-to-the-FielddieVerfügbarkeitunddieSicherheitdesBestandsnichtgefährdetwerden.ExistierendeStandardswiediegenanntenFeldbussystemesollengemäßNOAalsBasisgenutztwerden.1

DerÜbergangvonklassischenFeldbussenzuEthernet-basiertenKommunikationslösungenbisinsFeld,wieerinderFabrikautomationbereitsrealisiertwurde,istinderProzessindustriejedochmitspeziellenAnforderungenverbunden.InsbesonderedererforderlicheExplosionsschutzstellteeineHürdedar.DieseundweitereAnforderungenwerdennundurchmehrereLösungsansätzeerfüllt,dieindiesemWhitepaperdargestelltwerden.DazugehörtinsbesonderedieProxy-Technik,überdiesichbeispielsweisePROFIBUSPA-SegmenteheutebereitsdirektanPROFINETanbindenlassen.NochinderEntwicklungbefindetsicheineneueÜbertragungstechnik,genannt„AdvancedPhysicalLayer“APL,mitderEthernetvollendsfürdenEinsatzinderexplosionsgeschütztenUmgebunggeeignetseinsoll.

1 https://www.namur.net/fileadmin/media_www/fokusthemen/NOA_Homepage_DE_2018-06-20.pdf

https://www.namur.net/fileadmin/media_www/fokusthemen/NOA_Homepage_DE_2018-06-20.pdf


WHITE PAPER

2. Spezielle Anforderungen der Prozessautomation an Ethernet-to-the-Field

DiewichtigsteForderunganEthernet-to-the-Fieldist,andersalsinderFabrikautomation,dieEigensi-cherheit.InvielenprozessnahenBereichenvonAnlagenderProzessindustriebestehtdieNotwendigkeit,eigensichereGeräteinstallationenzunutzen,umdieGefahrvonExplosionenzuvermeiden.BeiderZünd-schutzartEigensicherheitwerdenSpannungundStromimSystemsobegrenzt,dassauchimFehlerfallkeinzündfähigerFunkeentstehenkann.EineventuellvorhandenesexplosionsfähigesGas-Luft-Gemischwirddahernichtentzündet(sekundärerExplosionsschutzfürATEXZone0,Zone1).DiedafürgeeignetenGerätearbeitenmitbegrenzterLeistung.AuchandieinEx-BereicheneingesetztenFeldbussebestehenbesondereAnforderungen: neben der Eigensicherheit insbesondere die Busspeisung,beiderFeldgeräteüberdenFeldbusversorgtwerden.DazuwirdeineverdrillteZweidrahtleitunggenutzt.HerkömmlicheFeldbussePROFIBUSPAundFoundationFieldbusH1erfüllendieseAnforderungen.DemmüssenauchEthernet-basierteKommunikationslösungenimFeldbereichderProzessautomationgerechtwerden. Weiterhingefordertsind:

Hohe Verfügbarkeit:AnlagenstillständeinderProzessindustriesindmithohemAufwandundKostenverbunden.UngeplanteStillständesinddahersoweitwiemöglichzuvermeiden,beibestimmten(z.B.exothermen)Prozessensogargrundsätzlichnichtzutolerieren.Fehlermüssenbehobenwerdenkönnen,ohnedieAnlageherunterzufahren.BeispielsweisemussderAustauschdefekterFeldgeräteimlaufendenBetriebundaufeinfacheArtundWeiseermöglichtwerden.Diesbeinhaltetauch,dassbestehendeEnginee-ring-Werkzeuge,diedieFeldgeräteinstallationerleichtern(z.B.FDI,FieldDeviceIntegration),unterstütztwerdensollten.

Redundanz:RedundanzkonzepteverhindernAnlagenstillständeunderhöhensomitdieVerfügbarkeit,daeinFehlernichtdengesamtenAnlagenbetriebgefährdet.RedundanzkonzeptesolltenandieProzessanfor-derungangepasstwerdenkönnen;siesolltenskalierbarausgeführtwerdenkönnen.

SystemredundanzentstehtbeispielsweisedurchNutzungvonzweiSteuerungs-Controllern(z.B.PLCsDCSs),diesichpermanentselbstsynchronisieren.EbensosorgenzweiräumlichvoneinandergetrennteKommu-nikationsleitungenfürhöhereVerfügbarkeit,wennbeiKabelbruchautomatischaufdenzweiten,intaktenStrangumgeschaltetwird.MedienredundanzstelltaufBasisvonRingtopologiendieNetz-undAnlagenver-fügbarkeitsicher.Dazuwirdz.B.dasMediaRedundancyProtocol(MRP)genutzt.WirddieÜbertragungs-streckeunterbrochen,wirdsehrschnelleinalternativerKommunikationsweggewählt.

BeibisherigenKommunikationslösungenviaFeldbussindderartigeLösungenmitrelativhohemHardware-Aufwandverbundenunddaherteuer.

Robustheit und Flexibilität:ProzessanlagensindzumTeilüberextremlangeZeiträumeinBetrieb(biszu30Jahreundlänger).WährenddieserLaufzeitmüssenÄnderungen,ErweiterungenundOptimierungvonAutomatisierungsfunktionenmöglichsein,imIdealfallwährenddesBetriebs.

Investitionsschutz / Bestandsschutz: BestehendeInstallationen,etwaaufBasisderherkömmlichenFeldbusse,müssenmodernisiertwerdenkönnen,ohnedie„alte“Technikkomplettersetzenzumüssen.NeueAnlagenmüssenzukunftssicherautomatisiertwerden,d.h.künftigeKonzepteimRahmenderDigitali-sierungundProzessindustrie4.0müssenbereitsmitgedachtundentwickeltwerden.

EinigendieserAnforderungenentsprechendieinderProzessautomationgebräuchlichen,herkömmlichenFeldbuskonzeptebereits.Künftige,Industrie4.0-geeigneteKommunikationskonzeptemüssenihnenebensogerechtwerden;imIdealfalllassensichdamitdieAnforderungensogareinfacherundkostengünstigererfüllen.DarüberhinaussollensiedeutlichgrößereÜbertragungsratenundDatenpaketeermöglichen.


WHITE PAPER

3. PROFIBUS PA ertüchtigt für PROFINET

MitBlickaufdieEntwicklungeinervollständigEthernet-basiertenLösungsplattformhatPI(PROFIBUS & PROFINETInternational)dasPA-Profil4.0definiert.SeineEntwicklungwurdeimJuni2018abgeschlossen. EserfülltdieForderungnachUnabhängigkeitvomKommunikationsprotokoll.AlleParameterundFunktionensindsowohlüberPROFINETalsauchüberPROFIBUSverwendbar.IndiesemZusammenhangistauchoftvonPROFINETPAdieRede.DasPA-Profil4.0istjedochnureineKomponentefürEthernet-to-the-FieldinderProzessindustrie.FürdaszuverwendendeEthernetselbstsinddarüberhinaus2-Leitertechnik,Stromver-sorgungüberdenBusundvorallemEigensicherheitzurealisieren.DieseVoraussetzungenwerdenmitdemAdvancedPhysicalLayer(APL,siehe Kapitel 5.2),dersichnochinEntwicklungbefindet,realisiertwerden.

3.1 PA-Profile allgemein

PA-Profile(„PROFIBUSProfilesforProcessControlDevices“,PA=ProcessAutomation)definierenjeGerä-teklasseeinSetvonGeräteparametern,diedenBetrieb,dieInbetriebnahmesowieWartungundDiagnosebetreffen.ZudembeschreibensiedenMechanismus,mitdemdieParameterverknüpftwerden.EineProfil-GSD(Gerätestammdateien,GeneralStationDescriptions)ermöglichtdenAustauscheinesGerätes,auchdurcheinentsprechendesGeräteinesanderenHerstellers,ohneÄnderungderNetzwerkkonfigurationdesAutomatisierungssystems.DerGerätetauschkanndurcheinFeldgerätetoolunterstütztwerden,dasdienötigenGeräteparameter(profil-undherstellerspezifische)speichert.

EinwichtigerAspektdigitalerKommunikationistdieDiagnose.PA-ProfilelegendabeidieNamur-EmpfehlungNE107(„SelbstüberwachungundDiagnosevonFeldgeräten“)zugrunde.

3.2 Besonderheiten des PA-Geräteprofils 4.0

WieobenerwähntwurdedasPA-Profil4.0mitBlickaufdieEinsatzmöglichkeitinVerbindungmitEthernetbisinsFeldentwickelt.EineBesonderheitderProfilspezifikationistdiekonsequenteTrennungderApplika-tionsschichten(mitdenGerätefunktionen)undderKommunikationsprotokolle.Zudemwirdderhersteller-übergreifendenGerätetauschbesondersunterstützt:mitsogenanntenAnlaufparametern,dieeinneuesGerätvonderSteuerungfürdievorläufigeInbetriebsetzungerhält.SiesindBestandteilderGerätebeschrei-bung(PROFIBUS:GSD,PROFINET:GSDML).ImneuenPA-Profil4.0istdieGSDaufdieMessprinzipienderGeräteausgerichtet.SieenthältalleDetailsdesjeweiligenMessverfahrens(z.B.Coriolis-Durchflussmessung)inklusivederzugehörigenNamur-Diagnosen.

DiebisherigenPA-InstallationenaufBasisvonProfil3.02genießenBestandsschutz.DasPA-Profil4.0wirdvorallemmitPROFINETgenutztwerden.InMischanlagenkönnenbeiVerwendungeinergeeignetenProzesssteuerungsowohl3.02(z.B.PROFIBUSPA)und4.0-Geräte(z.B.PROFINET)gemeinsambetriebenwerden.DadurchsorgtdasPA-Profil4.0fürZukunftssicherheit.

Für„PROFINET-PA-Geräte“giltdiePROFINET-SpezifikationgemäßIEC61784-2CP3/4,CP3/5oderCP3/6,diedieApplikationsklasse„ProcessAutomation“erfüllt.ZurÜbertragungstechnikwirdEthernetgemäßIEEE802.3genutzt.IneinerkommendenVersionderPROFINET-Protokollspezifikationwirdauch2-Leitertechnikvollständigunterstütztwerden.AktuellwirddiesnochinsbesonderedurchdieÜbertragungsgeschwindigkeitvon10MBit/sverhindert.


WHITE PAPER

PROFINET für PA unterstützt:

• skalierbareNetzwerk-Redundanz• SystemredundanzS2undDR• einfachenGeräte-undControllertauschsowieErweiterung/ÄnderungimlaufendenBetrieb

(ConfigurationinRun,CiR²bzw.DynamicReconfiguration)• DiagnosegemäßNamur-EmpfehlungNE107

(z.B.FehleranzeigeunterstütztdurchFarbcode:rot-orange-gelb-blau-grün)

4. Redundanzkonzepte bei PROFINET

DurchVernetzungvonSystemkomponentenüberPROFINETgelingtes,zuverlässige,hochverfügbareSystemeaufzubauen.SowirdmaneinerwichtigenAnforderungderProzessindustriegerecht:dieMinimie-rungderProduktions-Stillstandszeiten.DerAufwandistdabeigeringeralsbeiherkömmlichenFeldbussys-temen.MitredundantenControllern,redundantemEthernetalsMediumund/oderredundantenGerätenwird„PROFINETSystemRedundanz“(PROFINETSR)erreicht.3

GrundsätzlichwirdSystemredundanzerreicht,indemmehrereVerbindungenzueinemGerätodereinerSteuerungaufgebautwerden.NutzenGeräteundSteuerungenmehrerePROFINET-Schnittstellen,soge-nanntenNetworkAccessPoints(NAPs),könnensietrotzHardwarefehlerdieVerbindungaufrechterhalten.BeiController-RedundanzkönnenGerätemehreresogenannteApplicationRelations(ARs,Kommunikati-onsbeziehungen),indiederDatenaustauscheingebettetist,übereinenNAPunterstützen;derAusfalleinesControllerswirddanntoleriert.

PROFINET kennt die Redundanzkonfigurationen S1, S2, R1 und R2.

Die Terminologie ist wie folgt zu verstehen:

S(Singulär):PROFINET-KnotenmiteinemNAP–kannsichmiteinemsingulärenNetzwerkverbinden.

R(Redundant):PROFINET-KnotenmiteinemSatzredundanterNAPs–entwederzweiInterfacemodulemitjeweilseinerPN-SchnittstelleodereinInterfacemodulmitzweiPN-Schnittstellen–kannsichmiteinemredundantenNetzwerk(z.B.Doppellinie,Doppelring)verbinden.

DieZiffern1bzw.2gebendiemöglicheAnzahlanKommunikationsbeziehungen(AR)an.BeieinemNAPS1oderNAPR1kannjedePROFINET-SchnittstellealsogenaueineKommunikationsverbindungzueinerweiterenPROFINET-Schnittstelle(z.B.einemIO-Controller)aufbauen.BeiNAPS2undR2kanneinePN-SchnittstellezweiPROFINET-Knotenzugeordnetwerden,nutztjedochnureineVerbindungaktivzumDatenaustausch.ImFehlerfallwirdaufdiezweiteVerbindungumgeschaltet.

SystemredundanzS1erhöhtalsodieVerfügbarkeiteinerAnlagenicht.TatsächlichisteskeineRedundanz-konfiguration.DagegensindS2undR1echteRedundanzkonfigurationen,dieeinemAusfalldesDaten-austauschesvorbeugenundfürzahlreicheAnwendungeninderProzessindustriediegeeigneteLösungdarstellen.R2schließlichunterstütztHochverfügbarkeitskonzepte,istjedochfürvieleApplikationen„überdimensioniert“.

2 CiRerlaubtes,GeräteoderModuleimlaufendenBetrieb(ohneStoppderSteuerungsapplikation)zurekonfigurierenodersiezuersetzen (z.B.beiGerätedefekt),neuehinzuzufügenetc.Dieswirdübereinsogenanntes„CiR-Objekt“gewährleistet,dasinderSystemkonfiguration als Platzhalter fungiert.

3 Siehe auch: https://profinetuniversity.com/system-redundancy/redundancy-terms-s1-s2-r1-r2

https://profinetuniversity.com/system-redundancy/redundancy-terms-s1-s2-r1-r2


WHITE PAPER

4.1 PROFINET Systemredundanz S2

ZueinerhöherenVerfügbarkeitführtdieSystemredundanzS2,beiderz.B.einInterface-GerätwiebeiS1einePROFINET-Schnittstellebesitzt,dieaberzuzweiKommunikationsbeziehungeninderLageist,z.B.mitzweiSteuerungen.EineVerbindung(primaryAR)wirdfürdenDatenaustauschgenutzt,diezweitegiltalsReserve(backupAR).AufsiewirdbeiBedarfumgeschaltet.

FürvieleAnwendungenentstehtsoeineausreichendredundanteKommunikation.KommtesjedochzueinemFehleranderPROFINET-SchnittstelledesS2-Geräts,kanneszukeinemderredundantenControllereineVerbindungaufbauen.

S2S1

Abbildung 2: S1 und S2 Redundanz in PROFINET

4.2 PROFINET-Systemredundanz R1

BeiVerwendungeinesR1-Geräts,dasüberzweiPROFINET-Schnittstellenverfügt,kannebenfallseinredun-dantesSystemaufgebautwerden.Umgesetztwirddiesz.B.mithilfevonzweiInterfacemodulenmitjeweilseinerodermithilfeeinesInterfacemodulsmitzweiSchnittstellen.JedeSchnittstelleunterhälteineKommu-nikationsbeziehungzujeeinemController.FürredundanteRing-oderLinientopologienwähltmaninderRegel diese Lösung.

4.3 PROFINET-Systemredundanz R2

BeidieserKonfigurationnutztjedesGerätzweiPROFINET-Schnittstellen;vonjederdieserSchnittstellengibtesjeweilseineKommunikationsbeziehungzuzweiControllern.SoentstehenviermöglicheKommunika-tionsbeziehungen.ImFehlerfallwirdaufeinederanderenKommunikationswegeumgeschaltet,wobeiesu.a.vonderArtdesFehlersabhängt,welcheAlternativegenutztwird.

R1 R2

Abbildung 3: R1undR2SystemredundanzinPROFINET


WHITE PAPER

4.4 Hochverfügbarkeit durch Ringtopologie

HochverfügbarkeitwirddurchdassogenannteMedia-Redundancy-Protocol(MRP)unterstützt,eingenormterMechanismus,derdenAufbaueinerRingtopologiemitStandardkomponentenerlaubt.DieKommunikationbleibtauchimFalleeinerLeitungsunterbrechungerhalten(andersalsbeiLinientopologie).ErkenntdieCPUeineLeitungsunterbrechungoderdenAusfalleinerStation,sokehrtsiedieRichtungderTelegramme,diedurchdenRinggeschicktwerden,um.GleichzeitigwirdderFehlerangezeigt;derAnwenderkanndiesenbeheben,ohnedassderProzessunterbrochenwerdenmuss.

AllerdingsgibtesGrenzenfürderartigeRingstrukturen.GespeisteTrunks,wiesieetwaauchfürdenAdvancedPhysicalLayervorgesehensind,lassensichnichtalsRingauslegen.RingstrukturenlassensichindiesemFallnurbiszumPowerSwitchdarstellen.

5. Technische Lösungen für Ethernet-to-the-Field in der Prozessindustrie

BeiderEntwicklungvonLösungen,dieEthernet-basierteKommunikationbisindenFeldbereichderProzessautomationermöglichen,istesvonVorteil,aufdiebestehendenFeldbus-Standardsaufzusetzen.DasentsprichtderForderungderNamurimRahmendesNOA-KonzeptsundsorgtfürInvestitions-undBestandsschutz.ImFolgendensollexemplarischderimeuropäischenRaumdominierendeStandardPROFIBUSzugrundegelegtundderÜbergangvonPROFIBUSPAzuPROFINETdargestelltwerden.

BisherigePROFIBUS-Lösungen,diezurAnbindungvonFeldgeräteninderProzessautomationgenutztwerden:

• imNicht-Ex-Bereich:Anbindungvon4…20mA-GeräteüberRemoteI/OanPROFIBUSDPbzw.direkteAnbindungvonPROFIBUS DP-Geräten

• ImEx-Bereich:PROFIBUS PA zur Anbindung spezieller PROFIBUSPA-Geräte(Zweileiter-GerätemitgeringerLeistung;Eigensicherheitmöglich);SegmentemitmehrerenPA-GerätenwerdenmithilfeeinesSegmentkopplersüberPROFIBUSDPanSteuerungen(Controller)angeschlossen.

DieseLösungensindimRahmenvonIndustrie4.0nichtausreichend. PROFINETdagegenentsprichtIndustrialEthernet-StandardnachIEEE802.3;esistdaherzukunftssicherimHinblickaufDigitalisierungimprozessnahenUmfeld.


WHITE PAPER

FolgendeTabellestelltdiewesentlichenUnterschiedevonPROFINETundPROFIBUSPAgegenüber.

Vergleich Eigenschaften PROFINET – PROFIBUS PA

PROFINET PROFIBUS PA

Übertragungsrate 100Mbit/s 31,25kBit/s

GrößederDatenpakete bis1500Bytes bis244Bytes

Mögliche Teilnehmer 1024 Ex-Bereich:6-12*,Nicht-Ex-Bereich:32

PhysikalischeSchicht 4-Leiter-Kupfer-, Glasfaserkabel,drahtlos

MBPbzw.MBP-IS (ManchesterCodingBus Powered–eigensicher)

EnergieversorgungfürGeräte separatoderüberPoweroverEthernet(PoE) überBus(MBP-IS)

Max.LängebeiKupferkabel jeweils100mzwischeneinzelnen Geräten

abSegmentkoppler: 1900mfürNicht-Ex-undEExib-Anwendungen;1000mfürEExia-Anwendungen

*abhängigvomStrombedarfdereinzelnenTeilnehmer,gesamtmax.120mA

PROFINETerfülltdemnachdieVoraussetzungvonIndustrie4.0anhoheDatenübertragungsratenundDatenvolumen.DemgegenüberbietetPROFIBUSPAdeutlichgeringeÜbertragungsratensowie-volumen;dieverwendetephysikalischeSchichtermöglichtjedocheigensichereInstallationen.PROFINETfürPAsollkünftigdieVorteilevonPROFINETundPROFIBUSPAvereinen.

ImRahmendesÜbergangszuPROFINETbestehenfolgendeMöglichkeitenderAnbindungvonFeldgeräten:

• AnbindungklassischerI/O-FeldgeräteüberRemoteI/O(Nicht-Ex-Bereich)• AnbindungvonPROFINET-FeldgerätenanEthernetüberSwitches(Nicht-Ex-Bereich)• NEU:AnbindungvonSegmentenmitPROFIBUSPA-FeldgerätenanPROFINET(Ethernet)überProxy-

Technik(geeignetfürEx-Bereich!)• KÜNFTIG:NutzungdesneuenAdvancedPhysicalLayersAPL–AnbindungüberSwitches(ebenfallsfür

Ex-Bereichgeeignet)

FürdiedreierstgenanntenMöglichkeitensindbereitsProduktevondiversenHerstellernverfügbar,darunterController;RemoteI/Os,GatewaysundStromversorgungen,dieRedundanzkonzepteunterstützen,Netz-werk-InfrastruktursowiediverseFeldgeräte(Messtechnik,Aktuatoren,Datenrekorderetc.).ErsteAnbieterkündigenauchbereitsKomponentenan,dieAPLunterstützen.AusgewählteAngebotewerdenimKapitel 6 vorgestellt.

ImFolgendensolleninsbesonderediefürdenEx-BereichgeeignetenunddamitfürdieProzessautoma-tionprädestiniertenKommunikationslösungenunterNutzungderProxy-TechniksowievonAPLdargestelltwerden.


WHITE PAPER

5.1 Verbindung von PROFIBUS PA zu PROFINET über Proxy-Technik

DurchdiedirekteAnbindungvonPROFIBUSPA-NetzwerkenimEx-BereichanPROFINETohnePROFIBUS DP-ZwischensegmentlassensichheutebereitszukunftssichereInstallationenverwirklichen.SiesindmitnachhaltigenVorteilenu.a.fürDiagnoseundVerfügbarkeitverbunden.DabeiwerdensogenannteGateways(Proxys)genutzt,welchediverseModuleenthalten.DaruntereinSubmodul,dasalsPROFIBUS PA-Proxy(„Stellvertreter“)agiert.DasPA-GatewayzuPROFINETtrittdabeiandieStellederbisherigenDP/PA-Segmentkoppler,überdiePA-SegmenteanPROFIBUSDPangeschlossenwurden.DurchdiedirekteAnbindungderPA-SegmenteanPROFINETwirdder„Umweg“überPROFIBUS DP bei der neuen Lösung vermieden.JenachPerspektiveagiertdasGatewaygleichzeitigalsPROFINET-GerätundalsPROFIBUS PA-Master.

DasGatewayunterstütztdabeidiegrundlegendenForderungenderProzessindustrie,insbesonderediegefordertenRedundanzkonzeptefürPROFINET.DadurchisteinehoheVerfügbarkeitgewährleistet.Essolltezudemzumeinenselbsteinfachintegrierbarsein,etwamitHilfedergängigenIntegrationstoolswieFDI(FDT/DTM-Tools).ZumanderensollteeseineeinfacheGeräteparametrierungermöglichen.Wichtigistauchdaraufzuachten,dassderÜbergangzukünftigenEthernet-to-the-Field-LösungenwieAPLaufeinfacheArtundWeisegewährleistetist.

DasProxy-SubmodulsolltefolgendePROFINET-Funktionenunterstützen:

• ÜbertragungvonE/A-Daten• ÜbertragungvonAlarmen• Datenaufzeichnung

AnalogkönnenDP-NetzwerkeimNicht-Ex-BereichüberDP-ProxysanPROFINETangebundenwerden.

VerfügbareTechnikfürdieseLösungenwirdinKapitel6dargestellt.

5.2 Ethernet-to-the-Field auf Basis des Advanced Physical Layer APL

DieAnbindungvonPROFIBUSPA-SegmentenüberGatewaysmitProxy-Modulen(siehe 5.1)isteinwichtigerZwischenschrittzurNutzungvonEthernetbisinsFeld.NochweitergehtdasProjektAPL(AdvancedPhysicalLayer),dassichdieEntwicklungeinerneuenphysikalischenSchichtfürdiekünftigeIP-basierteFeldkommu-nikationzumZielgesetzthat.SiesolldiebisherigenEinschränkungenvonEthernetinexplosionsgefährdetenBereichenüberwinden.DiesistdiegemeinsameZielsetzungderStandard-EntwicklungsorganisationenPI,FieldCommGroupundODVAsowiemehrerergroßerZuliefererderProzessindustrie,diedieEntwicklungdesAdvancedPhysicalLayer(APL)unterstützen.ÜberihnsollengeeigneteFeldgeräte(z.B.mitPA-Profil4.0)direktimexplosionsgefährdetenBereich(Zone0,Zone1)anEthernetangeschlossenwerden.

APLwirdkünftig

• Übertragungsratenvon10Mbit/s(indererstenEntwicklungsphase;imGesprächisteinezweitePhasemitbiszu100Mbit/s)zulassenunddamitIndustrie4.0undDigitalisierungunterstützen

• hoheÜbertragungsgeschwindigkeitenerlauben(bis300malschnelleralsbisherigeTechniken)• vergleichbareReichweitenwiebisherigeFeldbusprotokollefürPAermöglichen• unabhängigvonvorhandenProtokollenfunktionieren(identischerPhysicalLayerfürOPCUA,

EtherNet/IP,HART-IPundPROFINET)• beiBedarfwiebisherigePA-FeldbussedieBusspeisungvonFeldgerätenerlauben(loop-poweredFeldgeräte)• ähnlichrobustundwenigfehleranfälligwiedieseseinund• bisinexplosionsgefährdeteBereicheeingesetztwerdenundEigensicherheitermöglichen(beiVerwen-

dungeigensichererFeldgeräte)


WHITE PAPER

DerneueKommunikationsstandardfürZweidraht-Ethernetnach10BASE-T1LwirdimRahmendesProjektsIEEE802.3cg(ErweiterungdesEthernet-StandardsIEEE802.3)entwickelt.

5.2.1 APL-Infrastruktur

APLmodifiziertnurdenPhysicalLayer,nichtdieProtokollefürIndustrialEthernet.DerPhysicalLayerbestehtletztlichausEthernetPHYmiteinemAPL-Frontend.DertypischeAufbaustelltsichdemnachwiefolgt dar:

5-7: Sitzungsschicht / Darstellungsschicht / Anwendungsschicht

4: Transportschicht

3: Vermittlungsschicht

2: Sicherungsschicht

1: Bitübertragungs- schicht Ethernet PHY

(gemäß IEEE 802.3 cg 10 Mbps oder 100 Mbps)

Ethernet (real-time, non-real-time, TSN)

IP

Frontend for Advanced Physical Layer

TCP/UDP

Abbildung4: KommunikationsschichtenmitAPL

ImRahmendiesesAufbaussindflexibleTopologienwieStern,Trunk&SpuroderRingwählbar.

DiewesentlichenAPL-Komponentensind:• APLPowerSwitches(imKontrollraumoderinVerteilerbox):fürdieVerbindungzuStandard-Ethernet,

versorgenAPLFieldSwitchesundFeldgerätemitStrom

• APLFieldSwitches(inZone1oder2,Div2):verteilenKommunikationssignaleundelektrischeEnergieüber Spurs


WHITE PAPER

Beispiel: BeiderinderProzessautomationhäufiggewähltenTrunk–Spur-Topologiekönntedie Installationwiefolgtaussehen:

Sensor Sensor

Engineering Control

APLPowerSwitch

APLFieldSwitch

Asset Management OptimierungundÜberwachung

Sensor

Abbildung 5: TypischerAPL-Systemaufbau

• vonSteuerungzuAPL-Power-Switch(erhöhteSicherheit;inZone2/Div2), VerbindungüberverfügbareEthernet-Technologie(KupferoderLWL)

• Netzteilausgangmitbiszu60Wfürbiszu50Feldgeräte,diejeweilsmitbiszu500mWversorgt werdenkönnen

• bidirektionalvonAPL-Trunk-PortzuAPL-FieldSwitches(Trunkbiszu1000mKabellänge) beiVersion1mit10Mbit/s,bidirektionalzuAPL-FieldSwitches

• vonAPL-FieldSwitchüberSpurweiterzuFeldgeräteninZone2oderinZone0und1/Div1,2; auchEx-i-Spur-VerbindungzuFeldgeräten,Spursbiszu200m

5.2.2 Vorteile von APL

Ethernet-APLermöglichtnichtnurdieDigitalisierungvonProzessanlagendurchdieVerwendungvonInternettechnologieundHochgeschwindigkeitskommunikation.EsvereinfachtgrundsätzlichauchdieInstallation,KonfigurationundWartungvonInstrumentenundAutomatisierungstechnik.AuchderEnginee-ring-undIntegrationsaufwandsinken,dakünftignurnocheineStruktur(Ethernet-Netzwerk)fürRemoteI/O-,Feldbus-und4…20mA-Geräte(ebensoHART)benötigtwird.AusderverpolungssicherenInstallationresultierengeringereFehleranfälligkeitundeingeringererTrainingsbedarf.


WHITE PAPER

5.2.3 Migration von PROFIBUS PA

APLerlaubtdeneinfachenUmstiegvonPROFIBUS PA-Feldgeräten zu PROFINET-APL-Feldgeräten. Kabel (TypA),Topologie(inderRegelTrunk&Spur)undKabellängensindidentisch.

5.2.4 Ausblick

NachFertigstellungderIEEE802.3cg–dieErgänzungwirdfürdiezweiteJahreshälfte2019erwartet–sollennoch2019dieentsprechendentechnischenIEC-Spezifikationenerarbeitetwerden,dieeineInstallationvonEthernet-GeräteninexplosionsgefährdetenBereichenviaAPLermöglichen.Für2020planenODVA,PI(PROFIBUS&PROFINETInternational)undFieldCommGroupdieAktualisierungderbisherigenIndustrialEthernet-Spezifikationen.Ab2021(spätestens2022)sollenschließlichersteInfrastruktur-KomponentensowiegeeigneteZweileiter-Feldgeräteverfügbarsein.

6. Verfügbare Technik für Ethernet-to-the-Field in der Prozesstechnik

DiverseHerstellervonProzessleitsystemenundInfrastruktur-KomponentenschaffenbereitsdietechnischenVoraussetzungen,umEthernet-basierteKommunikationslösungen–aktuellüberProxy-Technik,demnächstüberAPL–zunutzen.EinigedieserAngebotewerdenimFolgendenexemplarischdargestellt.

6.1 Prozessleitsysteme / Controller

6.1.1 Prozessleitsystem Simatic PCS 7 (Siemens)

DieVersion9.0desProzessleitsystemsSimaticPCS7wurdemitFokusaufDigitalisierungbisindieFeldebeneentwickelt.FolgendezugehörigeHardwareunterstütztPROFINET(IndustrialEthernet):

Simatic CPU 410 E

• SteuerungfürApplikationenmitwenigProzessobjekten• mitzweiPROFINETundeinerPROFIBUS-Schnittstelle• PROFINETY-SwitchfürredundanteAuslegung

Simatic ET 200SP HA4

• dezentralesPeripheriesystemmitredundantenPROFINET-Anschlüssen(KupferkabeloderLWL)• KommunikationsstandardPROFINETIO• biszu56PeripheriemoduleproStation• BaugruppenkönnenimlaufendenBetriebgestecktundgezogenwerden(ErweiterungohneStillstand)

4 https://www.automation.siemens.com/w2/efiles/pcs7/pdf/00/FL/FL_ET200SPHA_de_04_2017_Web.pdf


WHITE PAPER

6.1.2 Prozessleitsystem 800xA (ABB)

DasProzessleitsystemABBAbility800xAunterstütztnebenFoundationFieldbusundPROFIBUSauchPROFINET,DeviceNet,EtherNet/IP,IEC61850undModbus.

ABBAbilitySystemNetworksbietendiverseNetzwerkkomponenten,u.a.modulareTransceiverfürdrahtge-bundeneNetzwerkeundSwitches(fürRack-undDIN-Schienenmontage)sowieRouter/Firewalls.

VonBedeutungfürEthernet-basierteKommunikationsindinsbesonderefolgendenKomponenten:

800xA Controller mit PROFINET IO CI871

CI871• KommunikationsinterfacefürPROFINETIOüberEthernet• mitzweiRJ45-Ethernet-Schittstellenundeiner100MBit/s-PROFINET-Schnittstelle

Select I/O• Ethernet-basierteEinkanal-I/O-Lösung• Zone2undKlasse1Div2-Zertifizierung• unterstütztvolleRedundanzbiszumSignalaubereitungsmodulSCM

S800 I/O• Verteiltes,modularesProzess-I/O-System• erlaubtHot-Swap(ModultauschbeilaufendemBetrieb)• unterstütztRedundanzkonzepte,RedundanzauchaufI/O-Modulebene• I/O-ModulemiteigensicherenSchnittstellen

6.2 Feldbusinfrastruktur

6.2.1 Komponenten für Proxy-Lösungen

Wieunter5.1dargestellt,lassensichheutebereitsFeldbus-InfrastrukturenaufBasisvonPROFIBUS PA und FoundationFieldbusH1aufbauen,diezukunftssicherdieEthernet-basierteKommunikationunterstützen.Gateways(Proxys)nehmendabei„stellvertretend“dieStellungdesProzessleitsystemsein.ÜbersiewerdendieFeldbussegmentedirektmitEthernetverbunden.GeeigneteStromversorgungen,PhysicalLayer-Diagnose,FeldgerätekopplerundAbschlusswiderständebildeneineeffektiveErgänzungdieserLösung.ImFolgendenwerdengeeigneteKomponentenvonSoftingundR.Stahlexemplarischvorgestellt.

pnGate PA (Softing): Gateway für Proxy-Technik

Mit dem PROFINET zu PROFIBUSPAMasterGatewaypnGatePAlassensichPROFIBUS PA-Segmente inPROFINET-Netzwerkedirektintegrieren,ohneden„Umweg“überPROFIBUS DP. PROFIBUSDP/PA-Segmentkopplerkönneneinfachersetztwerden.AuchderÜbergangzuEthernetAPLwirddurch pnGatePAunterstützt;existierendePA-Segmentemüssennichtmodifiziertwerden. DasGatewaypnGatePAagiertquasialsPROFINET-GerätundPROFIBUSPA-Master(Proxy).


WHITE PAPER

VorteilevonpnGatePA:

• unterstütztPROFINET-Redundanz,dadurchhöhereVerfügbarkeit• unterstütztPROFINET-Engineering-ToolswieTIAPortal,Step7,PCWorxs,800xAControlBuilder• existierendePowerConditionerkönnenweiterbenutztwerden• EinbindunginFDT/DTM-ToolsfunktionierteinfachübereinenCommDTM• GeräteparametrierungmittelsEDD/SiemensSimaticPDMistmöglich.

pnGatePAistindreiAusführungenverfügbar:

• pnGate PA für 2 PROFIBUSPA-Segmente(fürbiszu32PA-Geräte)• pnGatePAfür4PROFIBUSPA-Segmente(fürbiszu64PA-Geräte)• pnGatePAfürStahl-Trägerfür4PROFIBUS PA-Segmente

PROFINET-Gerät

PROFINET-Gerät

PROFINET-GerätPROFINET-

Gerät

Plant Asset Management

pnGate PBPROFIBUS DP

ENGINEERINGz.B. TIA Portal

ETHERNET

Switch

pnGate PA

PROFIBUS PAPROFIBUS PA

PROFIBUS PAFeldbarriere

Power Conditioner

Switch

Feldgerät

Feldgerät Feldgerät

Feldgerät

PAC/PLC PAC/PLC

Abbildung 6: pnGate Einsatzszenarien

pnGate PB für Proxy-Technik (Softing)

DieFunktionunddieVorteilevonpnGatePBentsprechenweitgehenddenenvonpnGatePA. Esunterstützt2PROFIBUSPA-Segmente(biszu32PA-Geräte)und1PROFIBUS DP-Segment.


WHITE PAPER

Feldbus-Stromversorgung Reihe 9412 - ISbus (R. Stahl)

DieFeldbus-StromversorgungeignetsichzureinfachenoderredundantenSpeisungvonFoundationFieldbusH1-SegmentenoderPROFIBUSPA-Segmenten.IhrehoheAusgangsleistungvonbiszu28V/500mAermöglicht,zahlreicheGeräte,auchinweiterEntfernung,zubetreiben.BeisehrhohemLeistungsbedarfbiszu1AkönnenzweiStromversorgungenimBoost-Modusgenutztwerden.

DieStromversorgungverfügtübereineintegrierteDiagnosegemäßderNamur-EmpfehlungNE123(Jitter,Signalpegel,Spannung/Strom,Rauschen,Unsymmetrienetc.).

Feldgerätekoppler (R. Stahl)

DieFeldgerätekopplermitPower-ManagementminimierendieStrombelastungdesTrunks,Einschalt-undKurzschlussströmewerdenbegrenzt.

Verfügbar sind:

• Ex-i-Feldgeräte-KoppleralsZone1-undZone2-Ausführungmit4oder8Kanälen (fürZone-1-Feldbusgeräte)

• Ex-e-Kopplerfür4oder8nicht-eigensichereFeldbusgeräte• Ex-n-Koppler:4,8und12-kanaligeVariantefüricundnicht-eigensichereFeldbusgeräte

6.2.2 commModule APL – Integrationslösung für APL (Softing)

DerAdvancedPhysicalLayer(APL)sollkünftigEthernet-basierteKommunikationimFeldbereichderProzess-technikermöglichen(siehe 5.2).ErwirdfürBusspeisungundEigensicherheitgeeignetsein,eineÜbertra-gungsratevon10Mbit/szulassenunddieexistierendenZweidraht-Feldbussenutzbarmachen.Für2021sinddieerstenBausteinefürAPLangekündigt.AutomatisierungsprotokollewiePROFINEToderEthernet/IPkönnendamitdirektinZweileiter-Feldgeräteintegriertwerden.AuchdieNutzungvonOPCUAinFeldge-rätenwirddadurchmöglich.

DieIntegrationslösungcommModuleAPLerleichtertdenHerstellernvonFeldgerätendenÜbergangzuEthernet-fähigenGeräten.DascommModuleAPLkannaufeinfacheArtundWeiseinHART-undModbus-Geräteintegriertwerden.EsbildetdieSchnittstellezuAPLundkommuniziertüberHARToderModbusmitdemFeldgerät.MitdieseruniversellenHardwarekönnenFeldgeräteherstellerkünftigdieKommunikationüberEthernetAPL,z.B.überdieProtokollePROFINET,EtherNet/IPsowieüberOPCUAermöglichen.

DiesfunktioniertanalogzumbisherigencommModuleMBPvonSofting,mitdemGerätefürPROFIBUSPAundFFH1einsetzbarsind.DerGeräteherstellermusslediglicheinentsprechendesScripterstellen,dasvomcommModuleinterpretiertwird.SoftingbietethierzuimGesamtpaketcommKitnebendemcommModuleauchdasSoftware-ToolcommScripter,dasausdertextuellenBeschreibungderGerätefunktionalität(Script)dieAbbildungstabellenimcommModuleerzeugt,sodasskeinProgrammieraufwandanfällt.


WHITE PAPER

Abbildung7: FunktionsweisedescommKitMBP

MitdieserLösunggelingtesFeldgeräteherstellernmitrelativwenigAufwand,ihreGerätefürdiekünftigeAPL-basierteEthernet-KommunikationbisinsFeldnachzurüsten.DascommModuleAPLwirdab2021verfügbarsein.

HARToderModbusFeldgerät

+

commKit

Anforderungsspezifisches ParametrierenvonGerätenauf Foundation Fieldbus oder PROFIBUS PA

VollfunktionsfähigeStandard- FirmwaremitProtokoll-Stack

commModule MBP

PROFINET für die Prozessindustrie · 2020. 11. 5. · PROFINET International) das PA-Profil 4.0...

Documents

Transcript of PROFINET für die Prozessindustrie · 2020. 11. 5. · PROFINET International) das PA-Profil 4.0...