Umfassend leistungsstarke Kommunikationstechnik

Profinet mit PA-Profil in Prozessanlagen

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Längere Verkabelungsdistanzen, Zweileitertechnik, Stromversorgung über den Bus und Eigensicherheit sind mit heutigem Ethernet noch nicht standardisiert realisierbar. PI (Profibus & Profinet International) hat in Kooperation mit anderen Organisationen eine Entwicklungsoffensive gestartet, mit dem Ziel, Profinet als Ethernet-basierte Kommunikationstechnologie in allen Bereichen der Prozessautomatisierung einsetzen zu können.

Die Digitalisierung ist in der Prozessindustrie – und dort speziell bei der Automatisierungstechnik – ein hochaktuelles Thema mit dem Ziel, schneller und wirksamer als bisher auf Ereignisse in der Anlage und auf den Märkten reagieren zu können. Das betrifft sowohl die Prozesssteuerung als auch die Erfassung von Daten und Informationen aus der Anlage. Beides erfordert eine leistungsfähige und anlagenweit durchgängige Kommunikationstechnologie, wie sie heute mit Industrial Ethernet zur Verfügung steht. An deren Nutzung für die Prozessautomatisierung wird von Herstellern gemeinsam mit Anwendern intensiv gearbeitet.

Ein Beispiel ist das Projekt von Profibus & Profinet International (PI), die in der Fabrikautomatisierung (FA) führende Profinet-Technologie auch zum Einsatz in der Prozessautomatisierung (PA) zu befähigen. Das schließt die Erweiterung von Profinet-Funktionen für die Erfordernisse der PA ebenso ein wie das kürzlich veröffentlichte PA-Geräteprofil 4.0 mit seinem Fokus auf Profinet; und hierzu gehört auch die Entwicklung eines Advanced Physical Layer (APL) zum Einsatz von Industrial-Ethernet-Netzwerken auch in explosionsgefährdeten Bereichen sowie die Geräteintegration mit FDI.

Diese PI-Entwicklungsoffensive setzt auf intensive Kontakte mit Anwendern wie die Namur und deren Erfahrungen und Erwartungen; als Ergebnis bietet Profinet mit PA-Profil jetzt konkreten Nutzen für alle vier Phasen eines Anlagenlebens.

Management-Aufgaben

Das Management von Anlagen der Prozesstechnik hat in erster Linie für die langfristige Sicherung des getätigten Investments zu sorgen und zugleich die Wettbewerbsfähigkeit der Anlagen durch laufende Modernisierungen sicherzustellen. Bei etwa 30 Jahren Betriebszeit vieler Anlagen und zugleich hoher Innovationsgeschwindigkeit einzelner Technologiebereiche ist das eine große Herausforderung. PI hat sich dieser Herausforderung gestellt und schützt bestehende Anlagen konsequent durch Lösungen zur Migration älterer Anlagenteile in moderne Automatisierungsstrukturen. Das gilt

  • für die Einbindung einer installierten 4–20 mA- oder Hart-Infrastruktur in die Feldbustechnik von Profibus DP,
  • für den Brückenschlag von Profibus DP zur Prozesstechnik mittels der Profibus-PA-Technologie durch den MBP-Layer mit eigensicherer Zweidrahtleitung und Gerätespeisung
  • sowie für die Migration von Profibus PA mit Profinet über die Proxy-Technologie. Proxies sind Gateways, die sich im Profinet-Netzwerk befinden und dort die unterlagerten Geräte, z. B. Profibus-PA-Geräte, repräsentieren. Damit kann das Leitsystem auf die Geräte zugreifen und es können deren Funktionen in der Profinet-Welt genutzt werden.

Die Zukunftssicherung von Prozessanlagen mit Profinet bis ins Feld beruht auf der Nutzung des globalen Ethernet-Standards (IEEE 802.3), dem Einsatz des PA-Profils 4.0 und den anwendungsorientierten Profinet-Funktionen. Dazu gehört die Unterstützung von TCP/IP zur parallelen Nutzung von Webtechnologien und zur Integration „gewöhnlicher“ Ethernet-Geräte. Zukunftssicherheit in der Prozesstechnik bedeutet aber auch Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen bei Leitungslängen bis 1000 m. Dieses Ziel verfolgt PI mit der Gemeinschaftsentwicklung von APL (Advanced Physical Layer) als robuste, zweiadrige, gespeiste Ethernet-Schicht zum direkten Anschluss von Prozessgeräten an Profinet auch in Ex-Bereichen.

Profinet bietet noch eine weitere Zukunftssicherung: In einer Prozessanlage fallen in intelligenten Feldgeräten große Datenmengen aus Gerät und Prozess an, die bisher nur sehr begrenzt genutzt werden konnten. Diese Daten bilden ein wertvolles Potenzial, das zukünftig über Ethernet-Systeme wie Profinet ausgewertet (Digitaler Zwilling) und für Entscheidungen genutzt werden kann.

Anlagen-Engineering

Im Engineering einer Anlage geht es vor allem um die Festlegung der Anlagentopologie, Auswahl und Adressierung der Feldgeräte sowie die Konfiguration der Profinet-Submodule. Diese Aufgaben werden sowohl durch Funktionen von Profinet als auch mithilfe des PA-Profils 4.0 gegenüber den bisherigen Abläufen erheblich vereinfacht.

Die Vielzahl der Profinet-Topologien ermöglicht einen flexiblen Netzaufbau bezüglich räumlicher Ausdehnung und Redundanz des Übertragungsweges. Unterstützt werden Linie, Stern, Ring und Baum. Der Geräteanschluss erfolgt über Switches als Netzwerkkomponenten, die häufig bereits in den Feldgeräten integriert sind.

Zur Überwachung der Netzwerkkomponenten dient das Simple Network Management Protocol (SNMP), das z. B. zur Fehlererkennung genutzt werden kann. Mit dem Link Layer Discovery Protokoll (LLDP) werden die Informationen zur „Nachbarschaftserkennung“ der Profinet-Geräte ausgetauscht, womit der jeweilige Gerätenachbar eindeutig identifiziert und der physikalische Aufbau des gesamten Profinet-Netzwerkes dargestellt werden kann. Das ermöglicht einen einfachen Soll-Ist-Vergleich der Topologie, wodurch Veränderungen (und auch Fehler) in der Topologie einfach und schnell lokalisiert werden. Diese Funktion ist auch Grundlage für die automatische Namensvergabe bei einem verwechslungssicheren Gerätetausch.

Feldgeräte der Prozesstechnik verschiedener Hersteller verwenden zwar gleiche Mess- bzw. Stellprinzipien, werden jedoch mit unterschiedlichen Funktionen ausgestattet. Zum gemeinsamen Betrieb dieser Geräte an einem Bus sorgt seit langem das PA-Geräteprofil, das für alle Profilgeräte gemeinsame Kernfunktionalitäten festschreibt und damit das Zusammenwirken der Geräte gewährleistet. Dieses PA-Profil liegt heute in der bewährten Version 3.02 zum Einsatz an Profibus vor. Durch Weiterentwicklung wurde es jetzt in Version 4.0 zum Einsatz an Profinet ertüchtigt und dabei auch Anwenderwünschen angepasst. Als Geräteparameter werden jetzt die Standardparameter der Namur (NE 131) verwendet und die Profil-GSD-Dateien wurden auf die Messprinzipien (Druck, Füllstand, Durchfluss) sowie die Aktorik als Gemeinsamkeit zwischen den Feldgeräten umgestellt. Dadurch wird der Gerätetausch erleichtert und bei der Projektierung wird ein „neutrales“, d. h. herstellerunabhängiges Vorgehen möglich. Erstmals wurden im Profil 4.0 auch sogenannte Anlaufparameter eingeführt, die von der Steuerung dem neuen Gerät unmittelbar bei dessen Einbau zusammen mit der Messwerteinheit übermittelt werden. Das bewirkt eine sofortige vorläufige Betriebsbereitschaft des Gerätes. Für die Gerätediagnose wurde das bewährte Namur-Diagnose-Modell beibehalten und um die 2017 überarbeitete Ausgabe der NE 107 ergänzt.

Inbetriebsetzung

Profinet bietet eine Reihe von Funktionen, die die Inbetriebsetzung gegenüber bisherigen Systemen vereinfachen, beschleunigen und sicherer machen. So erhält jedes Feldgerät automatisch einen Namen, der es im System eindeutig identifiziert. Dieser Name wird bei der Inbetriebsetzung vom Engineering-Werkzeug des Controllers mithilfe des DCP-Protokolls (Discovery and Basic Configuration Protocol) den Geräten im Rahmen der „Gerätetaufe“ automatisch zugewiesen, was eine Doppelvergabe von Adressen sicher ausschließt. Dabei sind keinerlei manuelle Eingriffe direkt am Feldgerät erforderlich, was lange Wege und viel Zeit spart und Einstellfehler vermeidet.

Mögliche Verdrahtungsfehler lassen sich widerspruchsfrei mit einfachen Leitungstestern lokalisieren und somit schnell beheben. Dazu helfen auch die mit ca. 100 m überschaubaren Entfernungen zwischen den Geräten beim Einsatz klassischer Cat.5e-Kabel; die Anlage wird dadurch „granuliert“ und wesentlich überschaubarer. Müssen Maßnahmen an einem bestimmten Gerät vorgenommen werden, so hilft die Funktion „Indicate Device“, die das betroffene Gerät blinken lässt und ein langwieriges Suchen erspart. Sehr hilfreich ist auch die Funktion „Configuration in Run“ (CiR, Änderung im Betrieb): Sie gestattet Eingriffe an der Anlage ohne Neustart von Geräten oder Controllern und ohne Rückwirkung auf die Kommunikation im Netzwerk. Dadurch werden Änderungen an der Gerätekonfiguration, Hinzufügen oder Austausch von Feldgeräten wesentlich erleichtert. Wird ein Gerätetausch erforderlich, so sorgt die bereits erwähnte „Nachbarschaftserkennung“ mit ihrer automatischen Namensvergabe für einen zügigen und sicheren Gerätewechsel.

Anlagenbetrieb

Jeder Anlagenfahrer hat einen „Wunschzettel“ bezüglich des Betriebsverhaltens seiner Prozessanlage. Es geht um zentral (remote) verfügbare Informationen, rechtzeitiges Erkennen und möglichst detailliertes Lokalisieren von Störungen, generell kurze Reaktionszeiten im Fehlerfall, kurze Wege bei notwendigen Eingriffen, aussagefähige Diagnoseinformationen für eine vorbeugende Wartung sowie – besonders wichtig – einfache Geräteintegration bei Erweiterungen oder Geräteausfall. Profinet mit PA Profil 4.0 erfüllt diese Wünsche bestmöglich mit Funktionen, die bereits im Engineering und bei der Inbetriebsetzung hilfreich sind: Ständig aktuelle Erfassung der aktuellen Topologie, einfacher Geräteaustausch dank Anlaufparameter und Nachbarschaftserkennung, verwechslungssichere Gerätebezeichnung und automatische Adressvergabe, kurze Reaktionszeiten durch hohe Bandbreite, einfache Leitungsdiagnose durch Netzstruktur, Zusatzinformationen von den Feldgeräten über separaten Ethernet-Zugriff – der Wunschzettel wird intensiv abgearbeitet.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav1118profibus

Halle 5, Stand 210


Autoren: Karl Büttner Werner Längin

Endress + Hauser,

Leiter der PI Working Group Marketing PA

Auma Riester,

Mitglied in der PI-Working Group Marketing PA



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