Feldbus- und Ethernet-Technologien überwachen und steuern seit vielen Jahren Anlagen und Maschinen, optimieren Fertigungs- und Produktions­abläufe und verbinden Prozesse wie Logistik, Qualitätssicherung oder Instandhaltung mit der Produktion. Steigende Marktanforderungen und das ­Bemühen der Hersteller um Wettbewerbsvorteile lassen dabei das hohe Performance-Potenzial von Industrial Ethernet gegenüber der etablierten Feldbus-Technik schnell an Bedeutung gewinnen. Ein Beleg hierfür ist zum Beispiel die zügige Ablösung von Profibus durch Profinet in der Fertigungsautomatisierung.

Es liegt nahe, die sich daraus ergebenden Vorteile auch in der Prozessindustrie zu nutzen – allerdings werden in dieser Branche zum Teil andere ­Anforderungen an die Kommunikation gestellt beziehungsweise es herrschen nicht selten raue Umgebungsbedingungen, denen es Rechnung zu tragen gilt. So zeigen Anlagen der Prozess­industrie branchenspezifisch unterschiedliche Ausprägungen: In den Branchen Chemie, Petrochemie oder Öl & Gas sind die Anlagen in der Regel weit­läufig und aus heterogenen Teilanlagen aufgebaut – in vielen Fällen explosionsgeschützt. Vordringlicher Wunsch der Betreiber ist es hier, diese Viel­fältigkeit zu harmonisieren und für die horizontale sowie vertikale Kommu­nikation von Daten und Informationen durchlässig und damit leichter handhabbar zu machen. In anderen prozesstechnischen Sparten wie Lebensmittelindustrie, Umwelttechnik, Wasser/Abwasser-Wirtschaft, Biotechnologien oder Pharmazie dagegen bestehen geringere Anforderungen etwa hinsichtlich Ausdehnung, Heterogenität oder Explosionsschutz. Allen gemein hin­gegen ist der zunehmende Trend nach einem Zusammenwachsen der Auto­matisierungstechnik mit der IT-Welt im Zusammenhang mit Industrie 4.0. Die wichtigsten Marktanforderungen auf den Punkt gebracht:

• Einfache, durch Facharbeiter handhabbare Installationstechnik und Feldgeräte
• Einsatz im Ex-Bereich, auch mit Zündschutzart 'Eigensicherheit'
• Lange Kabelwege bis zu 1000 m und flexible Topologiegestaltung
• Große Mengengerüste von 10.000 oder mehr Feldgeräten
• Redundanzkonzepte für kritische Komponenten und Systeme
• Standardisierte Kommunikationsschnittstelle für das Zusammenwirken von Komponenten unterschied­licher Hersteller
• Eingriffe bei laufendem Anlagen­betrieb ohne Verursachung von ­Störungen
• Einfacher Gerätetausch
• Investitionsschutz für Bestandsanlagen auch bei Technologiewechsel in der Leittechnik.

Die schrittweise Einführung von Profinet bis ins 'eigensichere' Feld

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An diesen Punkten orientiert sich das Projekt der Profibus Nutzerorganisation (PNO) sowie deren weltweit tätiger Dachverband Profibus & Profinet International (PI), Profinet für die Prozessautomatisierung schrittweise in Form einer 'Lösungsplattform' zu realisieren. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, die Nutzung heutiger und zukünftiger Technologien mit dem Investitionsschutz für bestehende Anlagen mit Laufzeiten bis zu 40 Jahren in Einklang zu bringen. Erfolgen soll dies durch die Zusammenführung etablierter PN-Technologien mit neu spezifizierten (wie 'Configuration in Run' oder 'Systemredundanz') beziehungsweise noch in Spezifizierung befindlichen PN-Technologien. Hierzu gehört vor allem die aktuelle Version 4.0 des bewährten PA-Profils für Prozessgeräte.

Profibus PA bleibt Schlüsseltechnologie

Profinet im Feld mit integriertem Profibus PA: Der Proxy ist an die Industrial-Ethernet-Infrastruktur in gleicher Weise angeschlossen wie Remote I/Os oder Motor Control Center (MCC) (li. im Bild ) sowie Feldgeräte ohne Eigensicherheit (re. im Bild ).

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Heute ist Profibus PA (Process-Automation) der Feldbus, der lange Kabelwege und Explosionsschutz für die rauen Umgebungen in der Pro­zessautomatisierung ermöglicht und die vollständige digitale Integration der Feld­instrumentierung in Leit- und Asset-Management-Systeme bietet. Die Anbindung erfolgt über einen Link oder Koppler typischerweise über Profibus DP (Dezentrale Peripherie). Diese Lösung bietet die horizontale Integration in der Feldebene einer Automatisierungsanlage und über das Leitsystem auch die vertikale Anbindung an die Unternehmensebene.

Der Anwendernutzen von Profibus PA generiert sich unter anderem aus der Verwendung digitaler statt analoger Kommunikation, der Eignung zum einfachen Nachweis der Zündschutzart Eigensicherheit und den auf die Prozessindustrie ausgerichteten Eigenschaften des Geräteprofils PA 3.02. Dazu gehören das einheitliche Diagnosekonzept gemäß der NAMUR-Empfehlung (NE) 107 ebenso wie Mechanismen zum einfachen Gerätetausch oder der schnelle Up- und Download von Geräteparametern. Kurzum: PI sieht Profibus PA nach wie vor als Schlüsseltechnologie zur Digitalisierung der Kommunikation im Feld prozesstechnischer Anlagen.

Für den einfach konfigurierbaren Anschluss von Profibus-PA-Feldgeräten an Profinet kommt ein Proxy zum Einsatz. Dieser 'Stellvertreter' ist hier in einer Doppelfunktion sowohl Master im PA-Feldbus-System als auch Busteilnehmer/Device an Profinet und bildet das komplette PA-Segment auf Profinet ab. An eine solche Konfiguration kann ein komplettes PA-System mit seinen Feldgeräten als ‚normaler‘ Profinet-Teilnehmer angeschlossen werden. Das entspricht der bekannten Anbindung von PA-Segmenten an Profibus DP über Koppler oder Links.

Als Grundlage für die Proxy-Implementierung gilt die PI-Guideline 'Fieldbus Integration in Profinet IO', welche in generischer Form die Details für die Intergration verbindlich beschreibt. Der Proxy wird darin als Linking Device bezeichnet und ist seiner Funktion nach ein IO-Device an Profinet. Die Integration erfolgt auf Basis eines modularen Mapping: Jedes Feldbus-Gerät wird mit seiner Funktion (Master oder Slave) und seinen spezifischen Eigenschaften (zum Beispiel modularer Aufbau) in eindeutig zugeordnete und in gleicher Hierarchie-Ebene liegende Slots beziehungsweise Subslots des Linking Devices gemappt. Über die eindeutigen Slot-Nummern können die Feldbus-Geräte respektive deren Komponenten und Funktionen innerhalb des IO Linking Device adressiert und für die Integra­tion genutzt werden.

Anlagentransparenz und Gerätetausch

Für die Transparenz im System ist die Kenntnis wichtig, welche Feldgeräte an welchem Switch-Port angeschlossen sind und wer der jeweilige Nachbar ist. Mit diesen Infos kann die Steuerung die reale Anlagentopologie nachbilden und anzeigen.

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Ein Profinet-Netzwerk bietet Funktionen, die den Anlagenbetrieb besonders übersichtlich und leistungsfähig machen. Der flexible Netzaufbau mit Ring-, Linien-, Stern- und Baumstrukturen kann der jeweiligen Anlagentopologie sehr genau folgen: Die Linientopologie für Endgeräte mit integrierten Switches, der Stern für den Schaltschrank, der Ring für Medienredundanz und der Baum für gemischte Topologien. Das in der IT-Welt als De-facto-Standard ­bekannte SNMP (Simple Network ­Management Protocol) dient zur Überwachung und Wartung der Netzwerk-Komponenten, auf die es für Diagnosezwecke lesend zugreifen und dabei portspezifische Daten und Informationen zur Nachbarschaftserkennung auslesen kann.

Das LLDP (Link Layer Discovery Protocol) nach IEEE 802.1 AB organisiert den regelmäßigen Austausch der Adressierungsinformationen der Feldgeräte untereinander. Damit wird der jeweilige Gerätenachbar eindeutig identifiziert, der physikalische Netzwerk-Aufbau wird überprüfbar und die Dokumentation aktualisiert sich selbstständig. Diese 'Nachbarschaftserkennung' bietet eine grafische Darstellung der Anlagentopologie mit portgranularer Diagnose, macht Abweichungen vom Topologie-Sollzustand erkennbar und ermöglicht – als besonders wichtige Funktion – einen einfachen und sicheren Gerätetausch. Die Steuerung kann dabei aus den vorgegebenen und aktuell ermittelten Nachbarschaftsbeziehungen das neue, noch 'namenlose' Gerät identifizieren, ihm den in der Projektierung dokumentierten Namen und die IP-Adresse des Vorgänger-Gerätes zuweisen und es anschließend wieder in den Nutzdatenverkehr aufnehmen. Eine externe Eingabe von Adressierdaten über ein Tool ist nicht erforderlich.

Security und Diagnose

Die Ethernet-basierte Kommunikation in der Automatisierungstechnik mit Nutzung offener und standardisierter IT-Technologien lässt die Gefahr von Zugriffsverletzungen und Schadprogrammen anwachsen. Dieses für Anlagen der Prozessindustrie kritische Gefährdungspotenzial erfordert wirksame Sicherheitsmaßnahmen, die jedoch den kontinuierlichen Produktionsbetrieb nicht stören.

Zuordnung zwischen PN-Gerätedia­gnose und NE-107-Systematik

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Das von PI für den Schutz von Automatisierungslösungen mit Profinet  entwickelte Konzept nutzt das aus der ­Militärtechnik stammende Prinzip der 'Verteidigung in der Tiefe' – sprich die Anordnung von mehreren unab­hängigen Schutzbarrieren. Diese wird realisiert durch Segmentierung des Netzwerks in abgegrenzte Zonen ­(Produktion, Büro, jeweils mit Unter­zonen) sowie durch die Kontrolle der Kommunikationsverbindungen zwischen diesen Zonen mittels unterschiedlicher Technologien und Methoden. Dieses 'Zellenschutzkonzept' sieht vor, dass sowohl einzelne Geräte als auch ganze Netzwerke vor unerlaubtem Zugriff geschützt werden. Hierzu gibt es Security-Module, mit denen Segmente sicherheitstechnisch getrennt und geschützt werden können. Nur eindeutig identifizierte und berechtigte Nachrichten gelangen von außen in die innerhalb solcher Segmente liegenden Geräte.

Für den Betrieb einer Anlage hat die zustandsorientierte Instandhaltung einen hohen Stellenwert. Basis dafür bildet die Fähigkeit von Geräten und Komponenten, ihren eigenen Zustand zu ermitteln und diesen zu kommunizieren. Dazu bietet Profinet Mechanismen zur Signalisierung von Alarmen und Zustandsmeldungen durch die Geräte an den Controller. Dieses Diagnosemodell deckt darüber hinaus Ereignisse wie Ziehen/Stecken von Baugruppen und die Signalisierung von Störungen wie Drahtbruch ab. Zur Gewährleistung einer einheitlichen Darstellung der unterschiedlichen Diagnosemeldungen wurde eine Zuordnung der Ergebnisse des Diagnosemodells zur Diagnosedarstellung gemäß NE107 der Namur (Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie) vorgenommen. Das führt zu einer einheitlichen Darstellung für alle Geräte einer Anlage.

PA-Profil auf dem Weg zur Version 4.0

Profibus-Prozessgeräte sind in der Regel mit dem PA-Geräteprofil ausgerüstet, in welchem wichtige Parameter und Funktionen herstellerübergreifend einheitlich spezifiziert sind. Das führt zu identischen Bedienabläufen und gleichartigem Verhalten der PA-Geräte beim Engineering und im Betrieb, unabhängig von Typ und Hersteller. Die aktuelle Profilversion 3.02 unterstützt unter anderem die Namur-Empfehlungen NE107 bezüglich Sortierung der Diagnose-Informationen auf vier Klassen sowie die NE105 beziehungsweise NE121 hinsichtlich aufwandarmer Geräte-Integration und leichtem Geräte-Austausch über die Lebensdauer der Anlage.

Die Umsetzung von Anwenderwünschen hat auch für die jetzt in Arbeit befindliche Version 4.0 des PA-Profils erste Priorität: So werden unter anderem weitere Erleichterungen beim Gerätetausch eingeführt – etwa durch Berücksichtigung der von der Namur definierten 'Core-Parameter' (NE131). Hierbei handelt es sich um besonders wichtige Einstellungen und Defaultwerte der gebräuchlichsten Mess- und Stellgrößen. Ziel der NE131 ist es, Inbetriebnahme, Handhabung und Tausch von Feldgeräten weiter zu beschleunigen und zu vereinfachen. Eine wesentliche Neuerung besteht zudem darin, dass die Version 4.0 unabhängig vom Physical Layer und damit einheitlich an Profibus und Profinet einsetzbar sein wird. Für den Anwender bedeutet das eine weitere Vereinfachung und Vereinheitlichung der Abläufe bei Engineering, beim Einbau, bei der Inbetriebnahme und dem Wechsel der Feldgeräte.

Eigensicheres Ethernet in Sicht?

Industrial Ethernet und dessen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen galt und gilt zum Leidwesen der Pro­zessindustrie als unvereinbar. Aktuell laufende Arbeiten unter Beteiligung mehrerer Industriepartner verfolgen verschiedene Konzepte einer Ethernet-kompatiblen Lösung für das Feld. Dabei soll insbesondere die für die ­Feldbus-Technik typische Zündschutzart Eigensicherheit implementiert werden. Einer der Ansätze basiert auf ­Zweileiter-Technik für lange Kabelwege und Speisung über das Medium. Ein weiterer Ansatz verfolgt eine Kompa­tibilität auf der Basis von IEEE 802.3.

PI hat die Absicht erklärt, derartige Lösungen nach ihrer Standardisierung im Zusammenhang mit Profinet zu unterstützen.

Autoren:
Karl Büttner ist bei Endress + Hauser im Bereich Technology Marketing tätig;
Andreas Hennecke ist Produktmarketing­manager bei Pepperl+Fuchs;
Jens Scheib ist Produktmanager in der Siemens-Division Process Industries and Drives.