Anlässlich unseres 100-jährigen Bestehens präsentieren wir – elektrotechnik AUTOMATISIERUNG – die Pioniere der industriellen Automation. In einer exklusiven Berichtserie zeigen wir deren Errungenschaften. Mit den Wegbereitern der Automation lassen wir Technologien und Entwicklungen Revue passieren, betrachten die Gegenwart und wagen einen Blick in die Zukunft!

Industrielle Kommunikation

Meilenstein der Automation: Weitsichtige Vernetzung mit PI-Technologien

| Autor / Redakteur: Sabine Mühlenkamp* / Sariana Kunze

Seit fast 30 Jahren geben PI-Technologien in der industriellen Kommunikation die Richtung vor.
Seit fast 30 Jahren geben PI-Technologien in der industriellen Kommunikation die Richtung vor. (Bild: PNO e.V. /Fotolia)

Ob Profibus, Profinet oder IO-Link – Garant für den Erfolg ist neben der Technologie auch die Verlässlichkeit, die internationale Standardisierung und das einzigartige Zertifizierungswesen. Damit erfüllen die Technologien von PI (Profibus & Profinet International) nicht nur heutige Aufgaben in der Kommunikation, sondern empfehlen sich auch für zukünftige Industrie-4.0-Konzepte.

Als vor mehr als 30 Jahren mit dem Queisser-Report ein großes Projekt zur Stärkung der Informationstechnik in Deutschland angestoßen wurde, ahnte wohl niemand, dass mit dem Projekt ‚Feldbus‘ der Grundstein für Industrie-4.0-Anwendungen gelegt wurde. Mit der Forschungsförderung sollten deutsche Firmen auf dem Gebiet der Mikroelektronik und Automatisierungstechnik ihre Weltmarktposition ausbauen. Zwei Vorgaben waren die Basis für den heutigen Erfolg der PI-Technologien: Zum einen sollte eine entwicklungsbegleitende Normung vorangetrieben werden und zum anderen sollte deren Nutzung für alle Unternehmen möglich sein. Genau diese Offenheit trug zum weltweiten Erfolg von Profibus bei und ist bis heute wegweisend bei allen Entwicklungen.

Die Geschichte von PI in Bildern

Vereinheitlichung der Parameter

Bis zur Einführung des Feldbusses mussten die Anwender einen ungeheuren Aufwand in die Installation, das Versionsmanagement oder die Gerätebedienung stecken. Heute können sich die Anwender jederzeit darauf verlassen, dass die Feldbusgeräte unabhängig vom Hersteller sicher miteinander kommunizieren. Zu verdanken ist dies einem intelligenten und in der Feldbuswelt einzigartigen Qualitätssicherungssystem mit Schnittstellentests, Interoperabilitätstests und Zertifikatserteilung.

Ein weiteres Thema war die Vereinheitlichung der Geräteparameter und Vereinfachung der Integration von Produkten unterschiedlicher Hersteller in Systemen. Um die anwendungsspezifischen Besonderheiten zu berücksichtigen, entwickelten die Fachausschüsse von Anfang an standardisierte Profile. So wurde das Applikationsprofil Profidrive (1997 veröffentlicht) den besonderen Anforderungen der Antriebstechnik in Verbindung mit den Kommunikationssystemen Profibus und Profinet gerecht. Wenig später folgte das Profil PA Devices für die Prozessindustrie. Interessant ist, dass bei der Einführung im Jahr 1995 noch reduzierte Kosten bei Verkabelung und der Inbetriebnahme im Vordergrund standen. Heute sind es vor allem die Vorteile in puncto Diagnose, Prozessführung und Betriebssicherheit, die Anwender überzeugen.

Profisafe erstmals auf der Hannover Messe

Im Jahr 1999 wurde Profisafe auf der Hannover Messe vorgestellt. Damals war man fest davon überzeugt, dass Sicherheit nur festverdrahtet möglich sei und auf Relaistechnik basieren müsse. Bei Profisafe werden dagegen die sicheren Daten mit den konventionellen Daten über ein gemeinsames Buskabel übertragen. Das Prinzip des „Black Channels“ erlaubt nun die sichere Übertragung von Endpunkt zu Endpunkt, also nicht nur über Profibus, sondern auch über proprietäre Rückwandbusse in den Steuerungen und Geräten. Der Charme dabei: Bei einem Umbau oder einer Erweiterung der Anlagen kann die aufwändige Verdrahtung eines getrennten Systems für Funktionale Sicherheit entfallen, dies ist nun software-technisch gelöst.

Großes Interesse hat vor fünf Jahren die Entwicklung des herstellerunabhängigen Energiesparprofils Profienergy hervorgerufen. Dieses erlaubt das gezielte Abschalten und Wiederanfahren von Komponenten, wie Lasern, Robotern oder Antrieben in Produktionspausen. Inzwischen sind erste Applikationen, z.B. bei Audi, im Betrieb.

Industrielle Kommunikation für die Zukunft

Schon früh war die Profibus Nutzerorganisation (PNO) von den Vorteilen der Ethernettechnologie überzeugt: Bandbreite und Leistungsfähigkeit sind höher als bei Feldbussen, es gibt zahlreiche Synergien mit der Office-Welt und die Vernetzung zu anderen Systemen bietet viel Potenzial für die Optimierung von Prozessen. Bereits 2001 wurde die erste Pilotapplikation vorgestellt - kurze Zeit später wurde ein Zertifizierungswesen etabliert und erste Profinet Competence Center und Testlabors gegründet. 2004 gelang dann der großflächige Durchbruch für Profinet in der Automobilbranche. Die AIDA (Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilbauer) beschloss, den Protokollstandard Profinet mit integrierter Personensicherheit einzusetzen. Ziel war eine einfache und einheitliche Anbindung der eingesetzten Automatisierungskomponenten.

Seitdem steht das Innovationskarussell bei Profinet nicht still. Dank Fast Forwarding, Dynamic Frame Packing und Fragmentation wurden Zykluszeiten von bis zu 31,25 µs zusammen mit einer hochgenauen Taktsynchronität möglich. Eine solche Zykluszeit benötigen hochdynamische Messtechnikanwendungen, z.B. zur Aufzeichnung von Drehmomentverläufen in Prüfständen. Und auch schon, bevor Industrie 4.0 in aller Munde war, stand das Lifecycle-Management von Anlagen und Maschinen weit oben in der Prioritätenliste der Betreiber. Daher wurden bei Profinet mehrere Mechanismen für die Diagnose integriert, um eine standardisierte vorbeugende Wartung (Preventive Maintenance) zu unterstützen.

Ergänzendes zum Thema
 
„Die Basis-Technologien stehen“

Entscheidend ist zudem ein freier Zugriff auf die Diagnosedaten bei kaskadierten Automatisierungssystemen. In größeren Anlagen wie Fertigungszellen im Bodyshop einer Automobilfertigung steuern lokale Steuerungen (z.B. Roboter) unterlagerte I/O-Geräte. Auftretende Fehler müssen von der lokalen Steuerung erfasst und im Ablauf dieser Einheit berücksichtigt werden. Der Betreiber dieser Anlage will aber zusätzlich an einer zentralen Stelle alle Fehler auch von den unterschiedlichen, unterlagerten I/O-Geräten schnell und einfach erkennen. Auch hierfür stellt Profinet die entsprechende Funktionalität bereit.

Feldbussysteme unterstützen IO-Link

Mit der IO-Link Spezifikation wurde der „letzte Meter“ – sprich die Strecke zwischen der I/O-Baugruppe und Sensor bzw. Aktuator – für die Kommunikation geöffnet, wodurch z.B. Parameter- und Diagnosedaten aus intelligenten Sensoren abgegriffen werden können. Mittlerweile unterstützen mehr als zehn Feldbussysteme IO-Link und ein Großteil der Sensor- und Aktuatorhersteller hat in seinen Komponenten IO-Link bereits integriert. Die heute umgesetzten Applikationen zeigen, dass IO-Link quer durch alle Branchen große Einsparpotentiale heben kann.

Wie richtungsweisend diese Entwicklung war, zeigen die heutigen Diskussionen rund um Industrie 4.0. Sensordaten gelten als der wichtigste Rohstoff für die vielfach genannten neuen Geschäftsprozesse. Daher arbeiten die Arbeitsgruppen innerhalb der IO-Link Community kontinuierlich weiter. Die kürzlich aktualisierte Guideline „IO-Link on Profinet“ adressiert die nahtlose Integration von IO-Link Systemen in Profinet ohne hinderliche Systembrüche. Zudem wurde im April 2017 die Spezifikation „IO-Link Safety System Extensions“ freigegeben, der eine erfolgreiche Konzeptprüfung des TÜV vorausgegangen war. Mit der Bereitstellung von IO-Link Safety werden Lösungen bis zu SIL 3 ermöglicht. Zudem erarbeitete die IO-Link Community vor kurzem das Spezifikations-Dokument für die IO-Link Wireless-Technologie.

„Das ursprüngliche Arbeitsfeld hat sich verändert“, erklärt Karsten Schneider, Vorstandsvorsitzender von PI (Profibus & Profinet International), im Interview.
„Das ursprüngliche Arbeitsfeld hat sich verändert“, erklärt Karsten Schneider, Vorstandsvorsitzender von PI (Profibus & Profinet International), im Interview. (Bild: PNO)

Lange Zeit beherrschte das Thema Geräteintegration die Diskussionen in der Prozessautomatisierung. Mit der Freigabe der FDI (Field Device Integration) Spezifikation vor vier Jahren und der Übergabe an die IEC war endlich der Weg für die einfachere Integration von Feldgeräten frei. Auch Profinet wurde so ertüchtigt, dass es in Anwendungen der Prozessindustrie zum Einsatz kommen kann. Bisher abgearbeitete Punkte betreffen den Austausch zyklischer und azyklischer Daten, die Integration von Feldbussystemen über Proxies, Zeitsynchronisation und Zeitstempelung, Diagnose und Redundanz sowie die Anlagen-Konfigurierung während des Betriebs. Nächstes Ziel ist es, das PA-Profil für Feldgräte mit Profinet-Schnittstelle für (zunächst) nicht-explosionsgeschützte Bereiche zugänglich zu machen. Derzeit entsteht im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts, an dem Profibus & Profinet International (PI) federführend teilnimmt, unter der Bezeichnung APL (Advanced Physical Layer) ein entsprechender Physical Layer für die Ethernet-basierte Kommunikation für den Einsatz im Feld prozesstechnischer Anlagen.

PI-Technologien als Backbone für Industrie 4.0

In den vergangenen zwei Jahren hat sich die Welt der Kommunikation fulminant geändert, weniger in der Praxis – dort setzt man nach wie vor auf robuste, zuverlässige und nachhaltige PI-Technologien. Aber es werden an PI immer häufiger Themen aus der IoT und Industrie 4.0 heran getragen, die von der Informationstechnologie oder der Basis-Ethernet-Technologie getrieben werden. PI sieht es als ureigene Aufgabe an, neue Funktionen und Themen so in die bewährten PI-Technologien zu integrieren, dass sie nahtlos mit den vorhandenen und bewährten Systemen zusammen arbeiten. Dies stellt eine große Herausforderung dar. Die Working Group „I4.0@PI“ ist daher international (Mitglieder aus China, Japan, USA und Europa) aufgestellt, besetzt unterschiedlichste Branchen und steht in Kontakt mit zahlreichen Anwenderverbänden, u.a. AIDA und Namur. Selbstverständlich sind System-, Geräte- und Basistechnologiehersteller vertreten. Der Arbeitskreis hat seine Schwerpunkte auf die Anwendbarkeit (also Use Cases), Technologie und Standardisierung gelegt und konzentriert sich auf die Themenschwerpunkte IPv6, OPC UA, Security, Semantik und TSN.

Nicht nur in New York sorgt Profisafe für die sichere Kommunikation zwischen Tal- und Bergstation oder der Kabine.
Nicht nur in New York sorgt Profisafe für die sichere Kommunikation zwischen Tal- und Bergstation oder der Kabine. (Bild: PNO e.V.)

Über jedes dieser Themen steht die Praxistauglichkeit. Einfachheit ist in der Regel jedoch mit standardisierten Mechanismen gleich zu setzen. Das heißt, jemand muss sich mit Standards, Normen und Richtlinien beschäftigen und sie mit den bisherigen und neuen Technologien abgleichen. Das ist die Aufgabe von PI.

Das Team Semantik hat sich zum Ziel gesetzt, die Bedeutung von Daten und Funktionen eines Feldgerätes eindeutig und vor allem herstellerübergreifend zu beschreiben. Nur so ist eine bessere Unterstützung im Engineering, im Betrieb und in der Instandhaltung möglich. Doch häufig existiert die Beschreibung nur in den Köpfen der Anwender und lässt sich somit nicht verarbeiten. Und letztendlich ist es mit dem Erzeugen von Daten allein nicht getan, sondern die Informationen müssen aufbereitet und bewertet sowie zu der entsprechenden Steuerungs- oder Verwaltungsebene transportiert werden. Nichts anderes machen im Übrigen die Profile (PA, Profidrive, Profisafe, Profienergy etc,). Sie ordnen die Daten ein, so dass z.B. ein Condition Monitoring, ein Asset- oder auch Energiemanagement möglich ist.

Profinet und Profidrive sorgen für höchste Taktsynchronität bei mehr als 1.000 Einzelantrieben in Zeitungsdruckmaschinen.
Profinet und Profidrive sorgen für höchste Taktsynchronität bei mehr als 1.000 Einzelantrieben in Zeitungsdruckmaschinen. (Bild: PNO e.V.)

TSN findet heute vor allem im Kontext von Industrie 4.0 viel Beachtung. Damit soll eine bessere Integration der OT-Netze in die IT-Netze der Unternehmen möglich sein. Durch die Weiterentwicklung von Ethernet in der IEEE 802.1 können zukünftig Geräte mit Standard-Ethernet-Controllern entwickelt werden, die auch Anforderungen an die Robustheit und Deterministik der industriellen Automatisierung gerecht werden. Da TSN lediglich einen Layer 2 für die Kommunikation definiert, ist Profinet als Applikationsprotokoll dafür geeignet, TSN nahtlos zu integrieren. Ein Hauptaugenmerk der Working Group, die für den Profinet-Standard verantwortlich ist, liegt darauf, zu definieren, welche der zahlreichen IEEE 802.1 Standards benötigt werden. Eine wesentliche Erkenntnis der bisherigen Arbeiten ist aber auch, dass die einfache Konfiguration der TSN-Netzwerkparameter ausschlaggebend für die Akzeptanz bei den Anwendern sein wird. Daher verfolgt PI vor allem das dezentrale Konfigurationsmodell der IEEE, welches z.B. im Testbed des Labs Network Industrie 4.0 erprobt wird. Im ersten Quartal 2019 soll die Spezifikation zur Nutzung von TSN mit Profinet veröffentlicht werden.

Dank Profibus werden sogar Müllautos per Seilbahn auf die Bettmeralp befördert.
Dank Profibus werden sogar Müllautos per Seilbahn auf die Bettmeralp befördert. (Bild: PNO e.V.)

Gemeinsam zu neuen Spezifikationen

In der Joint Working Group von PI und der OPC Foundation haben sich Themen wie Asset Management und Diagnose als besonders wichtig heraus kristallisiert, wobei in der Spezifikation von Profinet schon viel Vorarbeit geleistet wurde. Nach einem Mapping der über das Profinet-System bereitgestellten Objekte in das OPC UA Informationsmodell werden bei einem vertikalen Zugriff von einem IT-System über OPC UA Client/Server-Aufrufe dem Anwender die benötigten Informationen entsprechend einer standardisierten Struktur im OPC UA Objektbaum angeboten. Diese Informationen können dann problemlos in überlagerten Systemen weiterverarbeitet werden. Ziel der Aktivitäten ist es, eine OPC UA Profinet Companion Spezifikation bis Mitte 2019 zu erstellen.

Bisher ist die fehlersichere Kommunikation über einen Feldbus oder Industrial Ethernet auf reine Master-Slave- bzw. Controller-Device-Architekturen begrenzt. Für die sichere Übertragung zwischen Maschinen und damit zwischen den in den Maschinen eingesetzten Steuerungen sind entsprechende Koppler im Einsatz, es gibt aber bis heute keinen herstellerübergreifenden Standard. Da sich PI für Verbindungen zwischen Steuerungen in Profinet-Netzen für OPC UA entschieden hat, ist es konsequent und notwendig, die Mechanismen von Profisafe auch auf OPC UA auszuweiten. Dazu wurde eine Zusammenarbeit mit der der OPC Foundation vereinbart. Ziel ist es, eine Joint Working Group aus Mitgliedern beider Organisationen zu gründen, um die Spezifikation „Profisafe over OPC UA“ für die Anwendung einer fehlersicheren Controller-Controller-Kommunikation zu erstellen.

Profinet bietet zukunftssichere Architektur

Dank IO-Link reduzierte sich der Engineering-Aufwand in einem Solarpark um 30 Prozent.
Dank IO-Link reduzierte sich der Engineering-Aufwand in einem Solarpark um 30 Prozent. (Bild: PNO e.V.)

PI treibt seit fast drei Jahrzehnten die Kommunikationstechnologie voran. Rund 100 Mio. Komponenten, die PI-Technologien integriert haben, sind weltweit in allen Branchen vertreten. Dies gilt auch für die Zukunft: PI wird die für die Industrie 4.0 wichtigen Anforderungen an die Kommunikation identifizieren und als Weiterentwicklung der PI-Technologien standardisieren. Dabei zeichnet sich jedoch schon heute ab, dass Profinet mit seiner Offenheit für TCP / IP und seiner auf Ethernet basierenden Standardtechnologie eine zukunftssichere Architektur bietet. Unabhängig davon, wie die Strukturen, Systeme und Technologien in der Zukunft aussehen werden – Anwender können sich darauf verlassen, dass PI eine praxisnahe und vor allem nachhaltige Lösung anbietet.

* *Sabine Mühlenkamp, freie Journalistin, Karlsruhe

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