Feldkommunikation Profinet V2.3. - das sind die neuen Anforderungen

Autor / Redakteur: Jens Knaup* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Die seit einigen Jahren erfolgreich praktizierte Zertifizierung nach V2.2 wurde in diesem Jahr durch die neue Version 2.3 abgelöst. Die eingeflossenen Erweiterungen und Verbesserungen der neusten Spezifikation V2.3 sind in dem aktuellen Zertifizierungsprozess von Profinet International (PI) jetzt implementiert und verfügbar.

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Der Kunde profitiert von einer sehr guten Prüfqualität durch das überarbeitete Testsystem und die kompetenten Labore genauso wie durch die gestiegene Funktionalität seiner Geräte.
Der Kunde profitiert von einer sehr guten Prüfqualität durch das überarbeitete Testsystem und die kompetenten Labore genauso wie durch die gestiegene Funktionalität seiner Geräte.
(Bild: Phoenix Testlab)

Um von Anfang an eine hohe Technologie-Qualität auf den Markt zu bringen, ist von Profibus & Profinet International (PI) die Zertifizierung von Profinet-Geräten zur Pflicht erklärt worden. Dies ist ausschließlich in den eigens von PI akkreditierten PI Testlabs (PITL) möglich.

Das hierzu speziell entwickelte Testsystem sowie die Testspezifikation und alle mitgeltenden Dokumente sind seit den Anfängen in 2004 kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert worden, um der jeweils neusten Profinet-Spezifikation gerecht zu werden. Die letzte Version der Zertifizierungstests nach V2.2 wurde an zahlreichen Feldgeräten angewandt und ist nun zum 30.04.2015 ausgelaufen.

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Die erste Version der Spezifikation V2.3 ist bereits in 2010 finalisiert worden. Prinzip bedingt können entsprechende Testsysteme und Technologiekomponenten erst nach Fertigstellung der Spezifikation entwickelt, getestet und implementiert werden. Aufgrund der Funktionsvielfalt ist dies zusätzlich nur in definierten Schritten sinnvoll. Aus diesem Grund ist der erste Schritt der neuen Zertifizierungstests erst seit Oktober 2014 verfügbar. Es wurden zunächst die erweiterten Basisfunktionalitäten integriert um die Interoperabilität der Geräte sicherzustellen. Außerdem wurden die Erweiterungen des pDev (Physical Device) und der LLDP-Struktur (Link Layer Discovery Protokoll) und der neu definierte Netzlasttest mit integriert. Mit einer zeitlichen Überlappung ist seit April auch der zweite Schritt der Zertifizierungstests verfügbar.

Spezifikation V2.3 soll über Jahre stabil bleiben

Mit Einführung der V2.3 ist ein nahezu finaler Stand der Spezifikation erreicht worden, der über Jahre stabil bestehen bleiben soll. Dies wird es ermöglichen, das Testsystem weiter zu entwickeln und optimal auf die neuen Funktionalitäten abzustimmen, um die von den Automatisierungsherstellern geforderte hohe Qualität sicherstellen zu können. Geplant ist, dass es jedes Jahr zur Hannover Messe eine erweiterte Version des Testsystems geben soll, und alle drei Monate eine Bugfixversion.

Mehr Funktionen und vereinfachtes Protokoll

Mit der Spezifikation V2.3 wurde der Funktionsumfang deutlich erhöht, aber auch - und das kommt den Entwicklern wie auch den Prüflaboren entgegen - eindeutiger definiert. Der Interpretationsspielraum ist nun deutlich gesunken, sodass zukünftige Implementierungen problemloser ablaufen.

Als Beispiel wäre hier die überarbeitete Liste der Records zu nennen. Dies sind Informationen, zu dem Device oder über die Verbindung zum Controller, die mit bestimmten Indizes angesprochen werden und ausgelesen oder geschrieben werden können. Bisher gab es nur eine Liste mit allen definierten Records. Wann welcher zu unterstützen war, war nur mühsam aus der Spezifikation zu erlesen. Die neue Liste hat nun vier zusätzliche Spalten bekommen, wo direkt abzulesen ist, für welche Geräteklasse, welche Komponente des Gerätes und unter welchen Voraussetzungen dieser Rekord zu unterstützen ist.

An einigen Stellen wurde das Protokoll auch vereinfacht. So wurde beispielsweise auf die Real Time Class 2 (RTC_2) ganz verzichtet. Sie ist nur noch im Kompatibilitätsmodus für ältere Geräte zulässig. Ebenso wurden die unterschiedlichen Klassen des Netzlasttest - hier wird die Robustheit gegenüber einer überhöhten Ethernet Last geprüft - auf Klasse 1 und 3 gekürzt. Die Klasse 2 entfällt und macht so das Verhalten übersichtlicher.

Profnet IRT mit verbesserter Performance

Im Bereich des Isochronen Realtime (IRT) hingegen wurde vorranging auf Performanceverbesserung gesetzt. Hier sind Dynamic Frame Packing (DFP), Fast Forwarding und Fragmentation zu nennen. Zykluszeiten sind nun bis hinunter auf 31,25 µs möglich. Alle drei Funktionen definieren Techniken wie das ethernetkonforme Profinet-Protokoll die vorhandene Bandbreite maximal ausnutzt, ohne die Offenheit gegenüber geltenden TCP/IP-Standards zu verlieren.

Auch die Belange der Prozessautomatisierung wurden mit Lösungen für Neuparametrierung im Betrieb (Configuration in Run), erhöhter Verfügbarkeit durch zusätzliche Steuerungs- und Schnittstellenredundanz sowie genauerer Zeitstempelung berücksichtigt.

Erweiterungen des Zertifizierungstests nach V2.3

Der ProfinetIO-Tester (PNTester), welcher das Haupttestwerkzeug darstellt, wurde um 26 neue Testfälle erweitert (Tabelle 1). Diese Tests decken alle erforderlichen neuen Funktionen ab und führen zu einer sicheren Reproduzierbarkeit der Tests. Grundsätzlich lässt sich der PNTester mit einer Controller-Simulationssoftware vergleichen die auf einem beliebigen PC laufen kann. Ausprogrammierte Protokollsequenzen werden zum Device gesendet und die Antworten mit hinterlegten Soll-Werten verglichen. Bei vielen Tests ist hier das Know-how des Testers gefragt, da die Resultate richtig interpretiert werden müssen.

Neue Features

Ebenfalls wurden im Zuge der Überarbeitung einige neue Features implementiert. Beispielsweise war es bisher nicht möglich die Subslots eines Gerätes einzeln zu projektieren. Das führte dazu, dass nur für den Test spezielle GSDML-Dateien erzeugt werden mussten. Was einen zusätzlichen Aufwand darstellte. Alle Slot/Subslot-Kombinationen lassen sich nun frei projektieren.

Auch die Interpretation der GSDML-Datei wurde erweitert. So werden bestimmte Testfälle nur durchlaufen, wenn sich ein bestimmtes Schlüsselwort in der GSDML-Datei befindet. Beispielsweise der Testfall Multiple Interface, welcher den neuen „Name of Device“ prüft, wird nur durchgeführt, wenn sich in der Gerätebeschreibung der Eintrag „LLDP_NoD_Supported=true“ befindet.

Topologie-Test stark erweitert

Der Topologie-Test ist ein wichtiger Bestandteil des Zertifizierungstests und wurde ebenfalls stark erweitert. Über einen vorgegebenen Testaufbau wird mit Hilfe eines Zusatztools ein kompletter SNMP-Scan gefahren und gespeichert. Hierbei werden aus allen erreichbaren Geräten die Topologiedaten ausgelesen. Diese Scan-Datei wird durch ein weiteres Tool analysiert. Die ausgelesenen Werte des Prüflings können so automatisch mit Sollwerten verglichen und verifiziert werden.

Je 3 Tests in 2 Netzlast-Klassen

Der Netzlasttest bekommt durch die Offenheit des Systems immer mehr an Bedeutung. Eine Ungewollte oder bewusst eingespeiste Überlastung des Ethernet-Netzes darf die PN-Geräte in keinen undefinierten Zustand versetzen oder auch die Funktion der Anlage nicht stören.

Es sind zwei Netzlast-Klassen definiert die die Robustheit des Gerätes wiedergeben. Innerhalb jeder Klasse werden drei Tests durchgeführt.

„Normal“ stellt den Normalbetrieb mit geringer Netzlast dar. Die Anlage darf in keinerlei Weise Beeinflusst werden. Alle Zyklischen und Azyklischen Dienste müssen funktionieren.

Im „Limited“-Test wird eine erhöhte Last simuliert. Azyklische Dienste können gestört sein, aber es darf keinen Abbruch von bestehenden Verbindungen kommen. Die Anlage muss fehlerfrei laufen.

Der „Faulty“-Test stellt einen Überlastbetrieb dar. Hierbei ist ein Ausfall des Gerätes zulässig, allerdings muss es ohne Fremdeinwirkung wieder in den Normalbetrieb zurückkehren. Jedes Gerät muss den Netzlasttest bestehen.

Was bedeutet die neue Spezifikation V2.3 – für Gerätehersteller?

Für den Gerätehersteller, der auf fertige Stacks und Protokollchips von Technologieanbietern setzt, wird sich mit der neuen Spezifikation nicht viel an der üblichen Vorgehensweise seiner Geräte-Entwicklung ändern. Die am Markt erhältlichen Entwicklungskits sind vorzertifiziert, und bieten bereits alle vorgeschriebenen Funktionen. Durch Anpassungen der Gerätebeschreibungs-Datei (GSDML-File) können zusätzliche optionale Funktionen aktiviert werden. Von Seiten der Applikation sollten hier nur geringe zusätzliche Aufwände für die Einbindung nötig sein.

Wer bereits heute in der Entwicklung eines Gerätes steckt, muss die neuen Anforderungen bereits erfüllen, da eine Zertifizierung nach alter V2.2-Spezifikation nicht mehr möglich ist. Die Überschneidung der Zertifizierungszeiträume der beiden Versionen ist von PI bewusst nicht zu hoch gesetzt worden, um möglichst zeitnah die neuen Funktionen im Feld zu verbreiten.

Was bedeutet die neue Spezifikation V2.3 – für Prüflabore?

Für die Profinet Prüflabore bedeutet der neue Entwicklungsschritt in der Profinet-Technologie erheblich mehr Aufwand: Der bereits beschriebene erhöhte Komplexitätsgrad bedeutet nahezu eine Verdopplung der Prüfzeit. Die sich hieraus ergebenen gestiegenen Kosten sind unvermeidbar und der Konsequenz gezollt, eine hohe Qualität an Geräten auf den Markt zu bringen. Die hohe Kompetenz der Prüflabore wird durch ständige Weiterbildungsmaßnahmen gewährleistet.

Was bedeutet das für den Kunden?

Für den Kunden ergeben sich nur Vorteile: Er profitiert von einer sehr guten Prüfqualität durch das überarbeitete Testsystem und die kompetenten Labore genauso wie durch die gestiegene Funktionalität seiner Geräte. Durch die weltweite Gültigkeit der Richtlinien von PI, kann er weiterhin ohne Bedenken seine Geräte auf allen Märkten anbieten ohne Kompatibilitätsprobleme zu bekommen. Ebenso wird die verbesserte Topologie-Diagnose in den Anlagen für eine bessere Fehler- und Diagnosefähigkeit sorgen. Und das auch über Fremdhersteller hinweg.

[in]

Quellenverzeichnis:

[1] www.profinet.com

[2] www.Phoenix-Testlab.de

[3] www.Phoenix-Contact.de

* Dipl.-Ing. Jens Knaup, Betreuer Profinet-Prüflabor, Phoenix Testlab, Blomberg

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