Automatisieren mit SPS — Theorie und Praxis || Profinet — Offener Industrial Ethernet Standard

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19 PROFINET – Offener Industrial Ethernet Standard

Ethernet TCP/IP ist seit vielen Jahren ein etablierter Standard in der Leitebene der Automa-tisierungstechnik und hat hier die Anwendung der aus dem Bürobereich bekannten Informa-tions-Technologien ermöglicht. Die Verlängerung von Ethernet TCP/IP bis hinunter in die Feldebene war lange Zeit wegen der fehlenden Echtzeitfähigkeit und eines anerkannten Kom-munikationsprotokolls für Prozessdaten umstritten. Inzwischen hat die Entwicklung zu mehre-ren Ethernet-basierten Automatisierungssystemen geführt.

19.1 Grundlagen

19.1.1 Überblick Die PROFIBUS Nutzerorganisation PNO hat unter dem Druck der vor Jahren aufgekommenen Feldbusdiskussion die Öffnung der PROFIBUS-Technologie für den Ethernet-Standard einge-leitet. Dabei wurde ein vollständig neues Automatisierungssystem mit dem Namen PROFINET (Process Field Ethernet) geschaffen. Die neue Endung NET soll im Gegensatz zu BUS die Verwendung der Ethernet-Netzwerktechnologien zum Ausdruck bringen. PROFINET will sich als ein offenes und durchgängiges Konzept für Automatisierungslösun-gen auf Ethernetbasis anbieten, im Bereich von Einzelmaschinen bis hin zu modular aufge-bauten Anlagen mit verteilter Steuerungsintelligenz und dabei durch Einbinden von PROFIBUS DP einen Investitionsschutz gewährleisten. Die PNO ist nur verantwortlich für die PROFINET-Spezifikationen, die der PNO angeschlossenen Firmen leisten die technologische Umsetzung. Das Grundkonzept besteht aus PROFINET IO (dezentrale Feldgeräte) und PROFINET CBA (verteilte Automatisierung)

und schließt folgenden Leistungsumfang ein: Industrial Ethernet-Netzwerke mit aktiven Netzwerkkomponenten (Switches, Router) Integration bestehender Feldbusssysteme (PROFIBUS DP, INTERBUS, ...) Kommunikationskanäle für anforderungsabhängige Übertragungsleistung herstellerübergreifendes Engineeringkonzept (Programmerstellung, Anlagenprojektierung) Anwendung von IT-Technologien (Netzwerkadministration, Webserver, E-Mail, OPC, ...) Sicherheit nach EN 954-1 und IEC 61508 (siehe PROFISafe, Kapitel 25.6.3)

19.1.2 PROFINET IO

19.1.2.1 Gegenüberstellung PROFINET IO und PROFIBUS DP PROFINET IO ist die Kurzbezeichnung für das Steuerungskonzept „Dezentrale Feldgeräte“, dass im Industrial Ethernet Netzwerk aus einem zentralen Steuerungsgerät, dem IO-Controller, und einem dezentralen Feldgerätebereich, den IO-Devices, besteht und somit vergleichbar mit PROFIBUS DP ist. Die Nutzdaten der Feldgeräte werden auch zyklisch in Echtzeit in das Prozessabbild des IO-Controllers übertragen oder in umgekehrter Richtung an die IO-Devices ausgegeben. Das verwendete Kommunikationsmodell heißt aber Provider-Consumer-Ver-fahren und nicht mehr Master-Slave-Verfahren, obwohl der Datenverkehr mit den Feldgeräten

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in beiden Systemen nach dem gleichen Prinzip abläuft. PROFIBUS regelt jedoch den Bus-zugriff über die Token-Weitergabe, von der die DP-Slaves ausgeschlossen sind. Im Ethernet-System ist das nicht möglich, weil alle Teilnehmer am Netz beim Buszugriff gleichberechtigt sind. Der Provider sendet seine Daten ohne Aufforderung des Kommunikationspartners. Bei der Hardware-Projektierung eines IO-Systems wird jedoch ein Buszyklus, z. B. 10 ms, einge-stellt, den der IO-Controller beim System-Hochlauf seinen IO-Devices mitteilt. Die Eigen-schaften der IO-Devices werden durch deren GSD-Datei (General Station Description auf XML-Basis) beschrieben, wie dieses auch von PROFIBUS DP her bekannt ist. Die Steuerungsintelligenz in Form eines Anwenderprogramms befindet sich bei PROFINET IO oftmals nur im IO-Controller, kann aber auch teilweise in intelligenten IO-Devices (Feldgeräte mit eigener CPU) untergebracht sein, vergleichbar mit PROFIBUS DP. Das nachfolgende Bild zeigt zusammen mit der anschließenden Gegenüberstellung der Grund-begriffe die Ähnlichkeit beider Systeme auf.

Bild 19.1: PROFINET IO

Ziffer 1 2 3 4 5 6 7

PROFINET IO IO-System IO-Controller IO-Device Industrial Ethernet IO-Supervisor HMI = Human Machine Interface GSD (XML-Datei)

PROFIBUS DP DP-Mastersystem DP-Master DP-Slave Profibus PG/PC DP-Master Klasse 2HMI GSD (ASCII-Datei)

Bemerkung Alle Geräte (IO-Controller, IO-Devices) und Kommunikationsverbindungen Gerät, über das angeschlossene Feldgeräte angesprochen werden Dezentrale Feldgeräte z. T. mit eigener CPU Netzwerkinfrastruktur mit Switches (im Bild 19.1 nicht dargestellt) Programmieren, Inbetriebnahme/Diagnose Gerät zum Bedienen und Beobachten mit Zugriff auch auf IO-Devices über Ethernet! Gerätebeschreibungsdatei für die IO-Devices und DP-Slaves

19.1 Grundlagen 577

19.1.2.2 Gerätemodell und Peripherieadressen IO-Controller und IO-Devices können modular aufgebaut sein und haben Steckplätzen für Baugruppen/Module über deren Kanäle Prozesssignale eingelesen oder ausgegeben werden.

Bild 19.2: PROFINET-Gerätemodell Anschaltung (1) Steckplatz mit Baugruppe/Modul (2..4) Kanäle mit zugeordneter Peripherieadresse gemäß

Adressübersicht wie bei PROFIBUS DP

19.1.2.3 Adressen MAC-Adresse:

Jedes PROFINET-Gerät wird mit einer weltweit eindeutigen MAC-Adresse ausgeliefert, die aus 3-Byte-Herstellerkennung und 3-Byte-Gerätekennung (laufende Nummer) besteht.

IP-Adresse: Jedes PROFINET-Gerät unterliegt dem TCP/IP-Protokoll und benötigt daher für seinen Betrieb am Industrial Ethernet eine im Netz eindeutige IP-Adresse, die mit der hersteller-spezifischen Software (z. B. STEP 7) vergeben werden kann. Die Adressvergabe beginnt mit dem Konfigurieren des IO-Controllers. Die IP-Adressen der zugeordneten IO-Devices werden danach automatisch in aufsteigender Reihenfolge er-zeugt und haben immer dieselbe Subnetzadresse wie der IO-Controller. Diese Adressen werden den IO-Devices aber erst bei Anlauf der CPU zugewiesen. Für ein IO-System ist also nur einmal eine IP-Adresse zu vergeben. Eine IP-Adresse besteht aus 4 Dezimalzahlen mit dem Wertebereich 0 ... 255. Die Dezi-malzahlen sind durch einen Punkt von einander getrennt (z. B. 255.255.255.10). Die IP-Adresse setzt sich zusammen aus: – der Adresse des Netzwerkteils oder Subnetzteils (Net-ID) und – dem teilnehmerspezifischen Benutzerteils oder Hostteils (Host-ID)

Subnetzmaske: Die Eingabe einer Subnetzmaske (z. B. 255.255.255.0) bestimmt die Subnetzadresse, mit der feststellbar ist, welche anderen Netzteilnehmer sich im gleichen Subnetzes befinden.

Gerätenamen: IO-Devices werden von ihrem IO-Controller über Gerätenamen angesprochen (vergleich-bar mit PROFIBUS-Adressen). Im Auslieferungszustand haben die IO-Devices noch kei-nen Gerätenamen. Wichtig ist, dass die Gerätenamen direkt in die IO-Devices geladen werden. Bei fehlenden Gerätenamen findet der IO-Controller seine Devices nicht.

Default Router: Der Default Router ist der Router, den der Datenabsender ansprechen muss, wenn er Daten zu einem Datenempfänger weiter leiten möchte, der sich nicht im selben Subnetz befindet wie er selbst. Dazu muss der Datenabsender die IP-Adresse seines Default Routers kennen und deshalb bei sich projektieren, durch Markieren „Router verwenden“ und der Angabe einer Router-IP-Adresse. Die von STEP 7 vorgeschlagene IP-Adresse ist in der letzten Stelle entsprechend abzuändern.

Switches: Einfache, nicht diagnosefähige Switches bekommen keine IP-Adresse.


19.1.3 Netzaufbau

19.1.3.1 Leitungen und Steckverbinder PROFINET spezifiziert eine Übertragungstechnik entsprechend dem Fast-Ethernet-Standard mit einer Datenrate von 100 MBit/s. Bei Einsatz von Kupferkabeln sind diese 2-paarig, symmetrisch (erdfrei), verdrillt und ge-schirmt ausgeführt (Twisted Pair oder Stern Vierer) mit einem Wellenwiderstand von 100 . Twisted Pair-Verbindungen sind grundsätzlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen einem Sender- und einem Empfängerbaustein. Die Maximallänge zwischen einem Endgerät und einer Netzkomponenten (Switch, Router) oder zwischen zwei Netzkomponenten darf 100 m nicht überschreiten. Netzkomponenten wie z. B. Switches, über die Verbindungen zwischen IO-Controllern und IO-Devices hergestellt werden, führen automatischen den Cross Over durch, sodass zur Ver-bindung grundsätzlich nur 1:1-Kabel mit beidseitigem Steckeranschluss verwendet werden. Lediglich in dem Ausnahmefall, dass kein Ethernet Netzwerk sondern nur eine einzelne Direktverbindung zwischen einem IO-Controller und einem IO-Device geschaltet werden soll, ist ein besonders zu kennzeichnendes Cross Over-Kabel zu verwenden.

Bild 19.3: Signalübertragung über symmetrische Kupferkabel

Beim Einsatz von Lichtwellenleitern LWL sind diese 2-fasrig auszuführen. Auch Lichtwellen-leiter sind grundsätzlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen elektrisch aktiven Kompo-nenten, wobei ein optischer Sender immer mit einem optischen Empfänger zu verbinden ist. Die Maximallänge der Verbindung zwischen Endgerät und Netzkomponente bzw. zwischen zwei Netzkomponenten (z. B. Switchports) liegt je nach Herstellerangaben bei Multimode-LWL zwischen 2000 m bis 3000 m und bei Monomode-LWL zwischen 14 km bis 26 km. Ein wichtiger Vorteil der LWL ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Stör-feldern.

Bild 19.4: Signalübertragung über Lichtwellen- leiter

19.1 Grundlagen 579

19.1.3.2 Switches Zur Erinnerung: Profibus ist ein Bussystem und hat daher eine linienförmige Netzstruktur, auch wenn kurze Stichleitung zulässig sind und durch Repeater mehrere Buslinien angelegt werden können. Alle Busteilnehmer sind an der Busleitung parallel angeschlossen. Im Gegensatz dazu besteht ein Industrial Ethernet Netz aus Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Endgeräten und aktiven Netzkomponenten, den so genannten Switches, die über eine bestimmte Anzahl von Anschlüssen (Ports), verfügen. Switches prüfen und regenerieren die an einem Port ankommenden Datentelegramme und verteilen sie anhand der gelesenen Ziel-MAC-Adresse an einen anderen zutreffenden Port, mit Hilfe der im Selbstlernmodus beim Hochlauf angelegten MAC-Adressentabellen. Alle über Switches verbundenen Endgeräte befinden sich in ein und dem selben Netz, einem Subnetz. Ein Subnetz wird physikalisch durch einen Router begrenzt. Wenn Geräte über Subnetze hinaus kommunizieren sollen, muss ein Router projektiert werden. PROFINET-Switches sind für Fast Ethernet (100 MBit/s) und Full Duplex-Übertragung ausge-legt, bei dem am selben Port gleichzeitig Daten empfangen und gesendet werden können. Bei Nutzung von Switches können keine Kollisionen auftreten. Hubs dürfen auf keinen Fall für den Netzaufbau verwendet werden, da sie die Daten an alle angeschlossenen Geräte weiterlei-ten. Weiterhin unterstützt ein PROFINET-Switch priorisierte Telegramme, was für die weiter hinten erläuterte Runtime-Kommunikation von großer Bedeutung ist.

19.1.3.3 Netztopologien Switches dienen der Strukturierung von Netzwerken. Im Bürobereich haben sich stern- und baumförmige Strukturen durchgesetzt. Im Automatisierungsumfeld sind oftmals Linienanord-nungen günstiger. Sterntopologie Durch den Anschluss der PROFINET-Geräte an einem Switch entsteht automatisch eine Sternstruktur. Linientopologie Alle Geräte werden in einer Linie hintereinander geschaltet. Bei PROFINET wird die Linien-struktur durch Switches realisiert, die in Endgeräte integriert sind.

Bild 19.5: Netztopologien bei PROFINET


19.1.4 PROFINET CBA 19.1.4.1 Gegenüberstellung von PROFINET IO und PPROFINET CBA PROFINET IO ist als Konzept eine Nachbildung von PROFIBUS DP auf Industrial Ethernet Basis und Switching-Technologie. In STEP 7 ist für PROFINET IO weitgehend alles so ge-blieben wie es von PROFIBUS DP her bekannt ist, bis auf die beiden neuen Adressen MAC und IP sowie dem Gerätenamen für die IO-Devices anstelle der Profibus-Stationsadresse. So-mit treten auch keine Änderungen im Anwenderprogramm auf. Die Peripherieadressen für die zentralen und dezentralen Baugruppen werden in der Hardware-Konfiguration automatische vergeben und sind in der Adressübersicht einzusehen. Auch gibt es bei PROFINET IO keine Controller-Controller-Kommunikation, entsprechend der fehlenden Master-Master-Kommuni-kation bei PROFIBUS DP. Ersatzweise kann eine Send/Receive-Verbindung mit den Baustei-nen PNIO_SEND und PNIO_RECV programmiert werden. PROFINET CBA (Component Based Automation) dagegen ist ein vollständig anderes Kon-zept für verteilte Automatisierung auf der Basis gekapselter Softwareeinheiten, die mit Unter-stützung der Windows-Betriebssystemerweiterung COM/DCOM oder zukünftig .NET inter-agieren können. Die Vorteile dieses aus der IT-Technolgie übernommenen Konzepts sind:

Modularität: Modulare (wiederverwendbare oder leicht re-konfigurierbare) so genannte technologische Komponenten bestehen aus der Hardware-Konfiguration der Steuerung, dem Anwenderprogramm und einer technologischen Schnittstelle. PROFINET CBA gestat-tet durch den Einsatz eines herstellerspezifischen Komponentengenerators die Erzeugung von PROFINET Komponenten. Für jede Komponente wird eine Komponenten-Beschrei-bung PCD (PROFINET Component Description) im XML-Format erzeugt, deren Aufbau im PROFINET-Standard genau festgelegt ist. Bild 19.6 zeigt einen modularen Anlagenauf-bau.Grafische Kommunikations-Projektierung: Die PROFINET-Komponenten werden durch Ziehen von grafischen Verbindungslinien zwischen den technologischen Schnitt-stellen zu einer Gesamtanlage zusammengefügt. Diese einfache grafische Kommunika-tions-Projektierung erfolgt bei PROFINET CBA durch den Einsatz eines herstellerüber-greifenden Verschaltungseditors. Die Verbindungslinien repräsentieren die vom Verschal-tungseditor angelegten Kommunikationsbeziehungen zwischen den Komponenten.

Bild 19.6: PROFINET CBA mit drei Komponenten: Förderer_Zu, Bearbeit_Station, Förderer_Ab

19.1 Grundlagen 581

19.1.4.2 PROFINET-Komponente bilden PROFINET-Komponenten werden mit herstellerspezifischen Projektierungswerkzeugen er-zeugt. Das sind die bekannten SPS-Programmiersysteme, soweit sich diese Hersteller der PNO angeschlossen haben. Diese Projektierungstools müssen um einem so genannten Komponen-tengenerator erweitert sein, der die PCD-Dateien erzeugen kann. Alternativ kann aber auch der hersteller-unabhängige PROFINET Component Editor gegen Bezahlung genutzt werden, der auf der Website www.profibus.com angeboten wird. Zum Erstellen einer PROFINET-Komponente in STEP 7 sind im Prinzip folgende Schritte erforderlich: 1. Vorbereitend: Aufteilen der Anlage in technologische Komponenten bestehend aus den

Teilen: Mechanik + Elektrik/Elektronik + Software. Der Softwareteil für sich wird als PROFINET-Komponente bezeichnet. PROFINET-Komponenten werden von Geräten mit eigener CPU gebildet und bestehen aus einem Steuerungsprogramm und einer technologi-schen Schnittstelle mit verschaltbaren Eingängen und Ausgängen. Im Sonderfall kann eine PROFINET-Komponente auch von einem Gerät mit fester Funktionalität gebildet werden, also von einfachen IO-Devices mit ihren Ein-/Ausgängen. In diesem Fall besteht die PROFINET-Komponente nur aus einer technologischen Schnittstelle, wobei die Signalein-gänge direkt auf die Schnittstellenausgänge und die Schnittstelleneingänge direkt auf die Signalausgänge führen.

2. Vorbereitend: Festlegen der technologischen Schnittstellen der PROFINET-Komponenten durch Bestimmung ihrer erforderlichen Eingänge und Ausgänge mit Name, Datentyp sowie Anfangswert und Kommentar.

3. Anlegen eines S7-Projekts zur Bildung einer PROFINET-Komponente bestehend aus: Hardware-Konfiguration der Geräte, Interface-DB (Global DB 100) als technologischer Schnittstelle, wobei unter Objekt-

eigenschaften bei Attribut und Wert bestimmte Einträge zu machen sind, die diesen Datenbaustein als Interface-Schnittstelle kennzeichnen,

S7-Anwenderprogramm erstellen und mit Online-Hilfe zwei Bausteine PN_IN und PN_OUT zur Datenübergabe zwischen der CPU und dem Interface-DB anlegen.

4. PROFINET-Komponente bilden mit S7-Menübefehl PROFINET Komponente erstellen. Die Komponente enthält keine Adressen und ist nicht auf ein spezielles Projekt festgelegt.

Bild 19.7: Die abstrakte Komponentensicht auf eine Anlage zeigt nur die technologischen Beziehungen


19.1.4.3 PROFINET-Komponenten verschalten Ein Verschaltungseditor muss nach PROFINET Vorgabe ein herstellerübergreifendes Soft-ware-Werkzeug sein, mit dem PROFINET-Komponenten zu einer Anlage zusammen geführt werden können. Der Verschaltungseditor muss über eine Anlagensicht und eine Netzsicht verfügen. In der Anlagensicht werden die Komponenten zu einer logischen Struktur verbun-den, also welche Eingänge auf welche Ausgänge führen. In der Netzsicht wird die topologische Struktur der Komponenten gebildet, also wo die Geräte in welchen Netzwerksegmenten liegen und über welche Adressen sie anzusprechen sind. SIMATIC iMap ist ein nach PROFINET-Spezifikationen entwickelter Verschaltungseditor der Firma Siemens. Ein entsprechendes Produkt bietet auch die Firma Hilscher an. Die PNO selbst hat nur die Spezifikation für den herstellerübergreifenden Verschaltungseditor erstellt. Zum Verschalten der Komponenten in iMap sind im Prinzip folgende Schritte erforderlich: 1. Eine Bibliothek in iMap anlegen und die erstellten PROFINET-Komponenten importieren.

Die Komponenten erscheinen in einem Bibliotheksfenster und können dort markiert wer-den, um über zwei Schaltflächen entweder als technologische Schnittstelle mit deren Ein-gängen und Ausgängen (Anlagensicht) oder als am Netz angeschlossenes Gerät (Netzsicht) im Vorschaufenster dargestellt zu werden.

2. PROFINET-Komponenten aus dem Bibliotheksfenster im Modus Netzsicht in das Projekt einfügen und Adressen zuweisen. Es müssen genau die IP-Adressen und Subnetzmasken eingetragen werden, die in der STEP 7 Projektierung vergeben wurden.

3. Verschalten der technologischen Schnittstellen der Komponenten in der Anlagensicht. 4. Verschaltungs-Projekt generieren. 5. Anlagenaufbau und Download der Programme und Verschaltungen in die Geräte.

19.1.4.4 Diagnose Wenn iMap online mit der Anlage verbunden ist, kann im Diagnosefenster unter Anlagensicht oder Netzsicht der Status der PROFINET-Kommunikationsteilnehmer bzw. der Betriebs-zustand der Geräte (abhängig vom Gerätetyp) beobachtet werden. Eventuelle Störmeldungen, die im Verschaltungsbereich liegen, werden eingeblendet. Es wird keine STEP 7 Diagnose benötigt.

19.1.4.5 Prozessdaten über OPC visualisieren In iMap können mit dem Menübefehl Extras > OPC-Symboldatei erstellen für das Projekt zwei OPC-Symboldatei (_TAGFILE_.SSD und _TAGFILE_.WSD) erzeugt werden, die In-formationen über alle Prozessdaten enthalten. Dann muss dem PN OPC-Server von SimaticNET die Symboldatei bekannt gemacht werden: Start > SIMATIC > SIMATIC NET > Einstellungen > PC-Station einstellen und dort unter Applikationen > OPC-Einstellungen den Ordner Symbolik öffnen und die

OPC-Symboldatei _TAGFILE_.SSD suchen. Mit Hilfe einer weiteren speziellen Einstel-lung können auch nicht verschaltbaren Anschlüsse abgefragt werden.

Ferner müssen noch unter OPC Einstellungen > OPC-Protokolle die Protokolle S7 und PROFINET markiert werden, damit der auf einem PC laufende PN OPC-Server weiß, mit welchem Protokoll er auf die unterlagerte Steuerung zugreifen soll.

Mit einem OPC-Client Programm kann dann aus der Office-Welt heraus auf die Daten der PROFINET-Geräte zugegriffen werden, ebenso auch mit jeder OPC-fähigen Visualisierungs-Software. Auch steht mit dem OPC Scout ein fertiger OPC-Diagnose-Client zu Testzwecken zur Verfügung (Einführung in OPC siehe Kapitel 20).

19.1 Grundlagen 583

19.1.5 Feldbusintegration Das Einbinden von Profibus DP-Segmenten in das Ethernet-basierte PROFINET-System ist aus Gründen des Investitionsschutzes ein sehr wichtiger Aspekt. Es bestehen mehrere Kopp-lungsmöglichkeiten: 1. Verwendung einer SPS mit einer CPU und je einem separaten Kommunikationsprozessor

für Industrial Ethernet und Profibus DP. Diese Möglichkeit hat auch schon vor PROFINET bestanden.

2. Verwendung einer neuen CPU mit integrierten Kommunikationsprozessoren für Industrial Ethernet und Profibus DP, z. B. CPU 315-2 PN/DP. Die CPU kann in diesem Fall sowohl IO-Controller und auch DP-Master sein.

3. Verwendung eines Industrial Ethernet/Profibus-Links mit Proxy-Funktionalität. In den Varianten 1. und 2. bleibt das Profibus-Segment lokal und ist am Industrial Ethernet nicht sichtbar. Neu ist Variante 3. mit dem IE/PB-Link. Ein Link ist ein intelligentes Gerät, das mit einem Dual-Port-RAM ausgerüstet ist und die beiden unterschiedlichen Netzsysteme mit ihren sehr verschiedenen Datenraten durch diesen Zwischenspeicher verbinden und eine Protokoll-umsetzung bei den Telegramme vornehmen kann. Ein Link mit Proxy-Funktionalität kann darüber hinaus noch eine Stellvertreter-Funktionalität für die Profibus DP-Slaves ausüben, d. h. die DP-Slaves im Industrial Ethernet Netz als IO-Devices erscheinen lassen. Für den IO-Controller ist nicht sichtbar, ob er in Wirklichkeit einen DP-Slave ansteuert. Das IE/PB-Link in Bild 19.8 ist zur Profibusseite hin der DP-Master und zur Ethernetseite der Stellvertreter der 3 DP-Slaves.

Bild 19.8: Ankopplung einer Profibus-Linie an PROFINET über ein PROFINET-Link (Proxy)

Das in Bild 19.8 gezeigte PROFINET IO-System kann auch in eine PROFINET-Komponente verwandelt werden, um mit anderen Komponenten über deren Interfaces zu kommunizieren. Für das PROFINET-System ist vorgesehen, dass sich auch beliebige andere Feldbussysteme ankoppeln lassen. Wenn das mit einem Link als Koppelgerät geschehen soll, muss unterschie-den werden, ob die Profibus-Slaves als Einzelgeräte oder als eine PROFINET-Komponente angeschlossen werden sollen. Für den Fall von Profibus DP stehen zwei unterschiedliche Vari-anten von IE/PB-Links zur Verfügung.


19.1.6 PROFINET-Kommunikationskanäle Die PROFINET-Kommunikation findet über Industrial Ethernet statt und dabei werden die folgende Übertragungsarten unterstützt: 1. Zyklische Übertragung von zeitkritischen Daten (Nutzdaten) 2. Azyklische Übertragung von Engineering-Daten (Verschaltungsdaten) und zeitunkritische

Parametrierungs-, Konfigurierungs- und Diagnose-Daten. Für die genannten Übertragungsarten werden unterschiedliche Transportprotokolle verwendet, die man sich vereinfacht als Transportkanäle unterschiedlicher Leistungsstufen vorstellen kann: TCP/UDP-IP-Kanal (Standard-Transportprotokoll der IT-Welt) für die Übertragung zeit-

unkritscher PROFINET-Daten. Dieser Transportkanal steht auch zur generellen Anbindung der Automatisierungssysteme an die übergeordneten Ethernet-Netze wie den firmen-eigenen Intranets und dem öffentlichen Internet zur Verfügung.

SRT-Kanal (Soft Real Time) für zeitkritische PROFINET-Daten. Hierbei handelt es sich um ein spezielles Transportprotokoll von PROFINET, um die im Feldbusbereich geforder-te Echtzeitkommunikation zu ermöglichen. Werden Aktualisierungszeiten von ca. 10 ms bei zyklischer Datenübertragung gefordert, wird von „weicher“ Echtzeitbedingung gespro-chen. Das SRT-Transportprotokoll wird als Software auf Basis vorhandner Controller rea-lisiert.

IRT-Kanal (Isochrone Real Time) für ganz besonders anspruchsvolle Anforderungen an die Übertragung von PROFINET-Daten wie beispielsweise für Antriebssteuerungen. Hier sind „harte“ Echtzeitbedingungen einzuhalten, d. h. Aktualisierungszeiten von ca. 1 ms bei einer garantierten Taktgenauigkeit bis auf 1μs. Die IRT-Kommunikation ist zeitschlitz-gesteuert und setzt eine entsprechende Konfigurierung mit IRT-fähigen Geräten einschließ-lich der Switches voraus. IRT-fähige Switches schalten die Verbindungen zeitsynchroni-siert (nicht adressgesteuert) bereits vor dem Eintreffen der Ethernet-Telegramme durch. Die Realisierung des IRT-Transportprotokolls erfolgt auf Hardware-Basis durch einen ASIC.

Bild 19.9: Kommunikationskanäle bei PROFINET Nicht dargestellt ist die Objektkommunikation über Microsoft DCOM bei PROFINET CBA.

PROFINET nutzt auch das Prinzip der „Telegramm-Priorisierung“, um die Übertragung der Daten durch das Ethernet-Netzwerk zu verbessern. Vordringlichere Telegramme sollen die

19.1 Grundlagen 585

weniger eiligen Telegramme überholen können. Netzwerkkomponenten wie Switches können den Datenfluss priorisierter Telegramme steuern, dazu verwenden sie ihre Zwischenspeicher.

Bild 19.10: Telegramm-Priorisierung Echtzeit-Telegramm „überholt“ Standard-Telegramm. PROFINET-Switches unter- stützen Telegramm-Priorisierung.

19.1.7 PROFINET-Web-Integration Die Web-Integration wird bei PROFINET unter den Aspekten Ferndiagnose und Remote-Engineering gesehen. Mit der Webintegration sollen für PROFINET die aus dem IT-Bereich bekannten Vorteile wie die Nutzung von Browsern als einheitliche Bedienoberfläche, der ort-sunabhängige Zugriff auf Informationen von einer beliebigen Anzahl von Clients und die Plattformunabhängigkeit der Clients (Hardware und Betriebssystem) nutzbar gemacht werden. Die Web-Integration ist bei PROFINET optional. Die Basiskomponente der Web-Integration ist der Web-Server. Neu hinzu kommen so genannte Web Services für die maschinelle Weiter-verarbeitung der abgerufenen Daten.

Bild 19.11: Struktur der Web-Integration und Bestandteile eines Web-Integrations-Gerätes


19.2 Projektierung PROFINET IO

19.2.1 Übersicht Die Projektierung eines PROFINET IO Systems mit STEP 7 erfordert Arbeitsschritte, die denen einer PROFIBUS DP Projektierung sehr ähnlich sind. Größere Unterschiede bestehen eigentlich nur in der Einstellung der Stationsadresse bei den IO-Devices.

Arbeitsschritte in der Übersicht:

1. Hardware-Projektierung. 1.1 Hardwarekonfiguration der SPS-Station projektieren. Im Rahmen der Schnittstellen-

Parametrierung ein Ethernet-Subnetz einfügen und eine IP-Adresse zuweisen. 1.2 An das IO-System alle benötigten IO-Devices anbinden und gegebenenfalls die

Module der IO-Devices konfigurieren. 1.3 Für jedes IO-Device: Gerätenamen kontrollieren bzw. neu vergeben und die Parame-

ter einstellen. 2. Adressen den IO-Devices zuweisen und Projektierung laden.

2.1 Jedem IO-Device wird der projektierte Gerätename zugewiesen. 2.2 Im Betriebszustand STOP der CPU die Hardwarekonfiguration laden. 3. Software erstellen. 3.1 Ermittlung der E/A-Adressen. 3.2 Anwender-Testprogramm. 4. Inbetriebnahme Test und Diagnose.

Im Anlauf überträgt die CPU über die PROFINET-Schnittstelle die Projektierung auf die je-weiligen IO-Devices. Diese werden anhand des Gerätenamens identifiziert und erhalten impli-zit die zugehörigen IP-Adressen. Wie bei PROFIBUS DP gelten auch hier parametrierbare Überwachungszeiten „Fertigmeldung durch Baugruppen“ und „Übertragung der Parameter an Baugruppen“. Im Folgenden sind die grundlegenden Schritte beschrieben, wie ein PROFINET IO System projektiert und in Betrieb genommen wird.

19.2.2 Aufgabenstellung Es ist das abgebildete PROFINET IO-System, bestehend aus einer S7-SPS-Station und zwei IO-Devices, zu projektieren. Die CPU der SPS-Station hat einen PROFINET CP integriert. Technologieschema:

Bild 19.12: Feldbussystem mit PROFINET IO

19.2 Projektierung PROFINET IO 587

Die S7-Station besteht aus einer Stromversorgung PS, einem Steuerungsprozessor CPU315-2PN/DP und zwei Signalmodulen SM16DI sowie SM16DO. Das IO-Device mit dem Namen IM151-3-1 ist ein modulares IO-Device (ET200S IM131-3). Folgende Module sind einzufügen: 1x Power-Modul PME, 1x Modul 4DI DC24V ST, 1x Modul 4DI DC24V HF, 1x Modul 4DO DC24V/0,5A ST und 2x Modul 2DO DC24V/0,5A HF (ST = Standard; HF = High Feature).

Das IO-Device mit dem Namen ILB-1 (ILB PN 24 DI16 DIO16-2TX Firma PHOENIX CONTACT) ist kompakt mit 16 Digital-Eingängen und 16 Digital-Ein/Ausgängen (16 DIO) aufgebaut.

19.2.3 Arbeitsschritt (1): Hardware-Projektierung Die Hardware-Projektierung kann in die Einzelschritte S7-Station projektieren, IO-Devices an das IO-System anbinden und Parametrierung untergliedert werden.

19.2.3.1 Hardwarekonfiguration der S7-Station Die S7-Station besteht aus einer CPU 315-2PN/DP, 16 Digitaleingänge DI und 16 Digitalaus-gängen DO. Beim Einbinden der CPU ist ein Ethernet-Subnetz neu zu erstellen.

Die vorgeschlagenen Eigenschaften des Ethernet-Subnetzes sowie des PROFINET IO-Systems wurden unverändert übernommen. Auch die vorgeschlagene IP-Adresse 192.168.0.1 wurde beibehalten.


19.2.3.2 IO-Devices anbinden und Module konfigurieren Das Auswählen und Anordnen von IO-Devices wird im Wesentlichen gehandhabt wie bei PROFIBUS DP. Die IO-Devices müssen sich im Katalog-Abschnitt „PROFINET IO“ befinden oder die entsprechende GSD-Datei ist zu importieren. Sofern es sich um ein modulares IO-Device handelt, sind die benötigten Baugruppen bzw. Module noch zu projektieren. Mit Drag & Drop werden die IO-Devices an das IO-System angebunden. Im Stationsfens-ter werden dann die IO-Devices als Symbole (ähnlich wie Slaves bei PROFIBUS DP) dar-gestellt.

Beim Platzieren eines IO-Devices wird automatisch der Gerätename aus der GSD-Datei verge-ben. Das Siemens ET200S-Gerät erhielt den Namen „IM151-3PN“ und das Phönix-Contact Inline Block IO Modul den Namen „IL-ILB-DIO“. Werden weitere Geräte des gleichen Typs eingebunden, so werden die Modulnamen durch eine Ziffer ergänzt (z. B. IM151-3PN-1).

19.2.3.3 Gerätenamen und Parameter einstellen IO-Devices haben Eigenschaftsdialoge zur Abänderung der von STEP 7 automatisch beim Einfügen vergebenen Adressierungsinformation (Gerätenummer und Gerätename) sowie der Diagnoseadresse. Es sollen die Namen der beiden IO-Devices wie folgt geändert werden: statt IM151-3PN neu IM151-3-1 und statt IL-ILB-DIO neu ILB-1. Durch Aktivieren des Moduls und rechten Mausklick kann der Eigenschaftsdialog geöffnet werden.


Über die Schaltfläche „Ethernet“ kann der Dialog zur Änderung der Schnittstelle und der Subnetzeigenschaf-ten geöffnet werden. Die angezeigte IP-Ad-resse lässt sich dann ebenfalls ändern.

Die Eigenschaften der Module können über Parameterwerte eingestellt werden. Bei dem ET200S-Modul 2DO DC24V/0.5A HF wird die Diagnose für Drahtbruch und Kurzschluss nach Masse eingeschaltet. Durch Aktivieren des Moduls und rechten Mausklick kann der Ei-genschaftsdialog geöffnet werden.

Auf diese Art und Weise können alle möglichen Parameter, wie beispielsweise Diagnosedaten oder Ersatzwerte der IO-Devices, geändert werden. Welche Parameter dabei vorhanden und einstellbar sind, ist abhängig von der Leistungsfähigkeit des jeweiligen Moduls.


19.2.4 Arbeitsschritt (2): Gerätenamen zuweisen und Projektierung laden

19.2.4.1 Gerätenamen laden

Die bis jetzt nur in der Projektierung existierenden Gerätenamen müssen den I/O-Devices zugewiesen werden. Für den Online-Zugriff auf die PROFINET IO-Geräte über Ethernet muss die PG/PC-Schnittstelle auf eine TCP/IP-Schnittstellenkarte eingestellt werden. Die Eigen-schaften der Ethernet-Schnittstelle müssen ggf. in der Systemsteuerung des PCs angepasst werden. Zum Übertragen bzw. Ändern des Gerätenamens gibt es in STEP 7 mehrere Möglichkeiten.

Über das Fenster „Erreichbare Teilnehmer“ Wird das Fenster „Erreichbare Teilnehmer anzei-gen“ vom SIMATIC Manager aus geöffnet, wer-den alle am Netz gefundenen Geräte aufgelistet. Angezeigt werden S7-CPs, S7-CPUs, SIMATIC-PC-Stationen, PROFINET-Geräte und IE/PB-Link mit den unterlagerten DP-Slaves.

Über den Menübefehl Zielsystem > Ethernetadresse vergeben kann dann jedem IO-Device eine (andere) IP-Adresse und ein anderer Name zugewiesen werden.

Mit der Schaltfläche „Durch-suchen“ werden alle im Netz befindlichen IO-Geräte ange-zeigt. Aus dieser Liste kann dann das entsprechende IO-Device ausgewählt werden.

Durch Betätigen des Buttons „Name zuweisen“ wird dem IO-Device der im zugehörigen Eingabefeld eingetragene Ge-rätename zugewiesen.


Über das Fenster „Hardware-Konfiguration“ Im aktiven Fenster Hardware Konfiguration kann über den Menübefehl Zielsystem > Ether-net > Gerätenamen vergeben ein projektierter Gerätename ausgewählt und dem gewählten IO-Device zugewiesen werden.

19.2.4.2 Hardwarekonfiguration laden Vor dem Laden der Hardware-Konfiguration ist eine Konsistenzprüfung durchzuführen. Über den Menübefehl Zielsystem > Laden in Baugruppe wird die fehlerfreie Konfiguration in die CPU geladen. Als Schnittstelle kann entweder MPI oder Ethernet verwendet werden. Auf die entsprechende Einstellung der PG/PC-Schnittstelle ist dabei zu achten.

19.2.5 Arbeitsschritt (3): Software erstellen 19.2.5.1 Ermittlung der EA-Adressen Die EA-Adressen der Baugruppen auf dem „RACK-300“ und der IO-Devices können im Fens-ter „Hardware-Konfiguration“ abgelesen und auch verändert werden. Die Systemvorgabe ergab dabei folgende Zuordnung: RACK-300 Steckplatz 4: DI16xDC24V EB0; EB1 RACK-300 Steckplatz 5: DO16xDC24V/0,5A AB4; AB5 IO-Device IM151-3-1 Steckplatz 2: 4DIDC24VST EB2 IO-Device IM151-3-1 Steckplatz 3: 4DIDC24VHF EB3 IO-Device IM151-3-1 Steckplatz 4: 4DODC24V/0.5AST AB0 IO-Device IM151-3-1 Steckplatz 5: 2DODC24V/0.5AHF AB1 IO-Device IM151-3-1 Steckplatz 6: 2DODC24V/0.5AHF AB2 IO-Device ILB-1 Steckplatz 1: DIO16 EB4, EB5, AB6, AB7 IO-Device ILB-1 Steckplatz 2: DI16 EB6, EB7


19.2.5.2 Anwender-Testprogramm Da mit dem Testprogramm nur die Kommunikation überprüft werden soll, wird über Lade und Transferfunktionen eine Zuweisung der Digitaleingänge zu den Digitalausgängen unterschied-licher Module programmiert. OB1: Anwender-Testprogramm L EB 0 //Signalmodul Rack T AB 0 //IO-Device IM151-3-1 T AB 6 //IO-Device ILB-1 L EB 1 //Signalmodul Rack T AB 1 //IO-Device IM151-3-1 T AB 7 //7 IO-Device ILB-1

L EB 2 //IO-Device IM151-3-1 L EB 3 //IO-Device IM151-3-1 SLW 4 OW T AB 4 //Signalmodul Rack L EB 6 //IO-Device ILB-1 T AB 2 //IO-Device IM151-3-1

19.2.6 Arbeitsschritt (4): Inbetriebnahme, Test und Diagnose Nach erfolgreicher Übertragung der Adressen und Parameter gehen die PROFINET-Geräte in den zyklischen Datenaustausch und zeigen dies durch eine gelbe Signalleuchte an. Ist die Übertragung nicht erfolgreich, geht die CPU nach Ablauf der Überwachungszeiten je nach Einstellung des Parameters „Sollausbau ungleich Istausbau“ (unter Eigenschaften der CPU „Anlauf“) in den STOP- oder RUN-Zustand. In jedem Fall leuchtet aber die rote BF-LED. Mit dem geladenen Anwender-Test-Programm kann die Funktionsweise der einzelnen Ein- und Ausgänge der Module überprüft werden. Die Diagnosewege, die in STEP 7 für PROFIBUS DP-Komponenten zur Verfügung stehen, stehen auch bei PROFINET IO zur Verfügung. Die Vorgehensweise ist identisch. Über den Menübefehl Station > Online öffnen im Fenster Hardware-Konfiguration können neben den S7-Stationen auch PROFINET IO-Geräte diagnostiziert werden. Der nachfolgende Bildaus-schnitt zeigt die Diagnosemeldung, wenn am angesteuerten Digitalausgang A 1.0 des PROFINET I/O-Device IM151-3-1 ein Kurzschluss gegen Masse auftritt.

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Automatisieren mit SPS — Theorie und Praxis || Profinet — Offener Industrial Ethernet Standard