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
PROFINET für die Prozessindustrie 2
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.
PROFINET für die Prozessindustrie 3
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.
PROFINET für die Prozessindustrie 4
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
PROFINET für die Prozessindustrie 5
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
PROFINET für die Prozessindustrie 6
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.
PROFINET für die Prozessindustrie 7
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.
PROFINET für die Prozessindustrie 8
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)
PROFINET für die Prozessindustrie 9
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
PROFINET für die Prozessindustrie 10
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.
PROFINET für die Prozessindustrie 11
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
PROFINET für die Prozessindustrie 12
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).
PROFINET für die Prozessindustrie 13
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.
PROFINET für die Prozessindustrie 14
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.
PROFINET für die Prozessindustrie 15
WHITE PAPER
Abbildung7: FunktionsweisedescommKitMBP
MitdieserLösunggelingtesFeldgeräteherstellernmitrelativwenigAufwand,ihreGerätefürdiekünftigeAPL-basierteEthernet-KommunikationbisinsFeldnachzurüsten.DascommModuleAPLwirdab2021verfügbarsein.
HARToderModbusFeldgerät
+
commKit
Anforderungsspezifisches ParametrierenvonGerätenauf Foundation Fieldbus oder PROFIBUS PA
VollfunktionsfähigeStandard- FirmwaremitProtokoll-Stack
commModule MBP
Top Related