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Feldbus und Ethernet sind das Nervensysteme für GAMP

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  • Jörg Freitag, Vorsitzender des Vorstands der PNO (links) im Interview mit Dr. Volker Oestereich (rechts).

Auf dem Weg zu GAMP (Good Automated Manufacturing Practice) ist die effiziente Kommunikation innerhalb und zwischen den verschiedenen Ebenen der Leittechnik von großer Bedeutung. Skalierbare Feldbus- und Ethernet-Systeme, die in ihrem Funktionsumfang einfach an die anstehenden Aufgaben angepasst werden können, bilden quasi das Nervensysteme der „digitalen Fabrik". Branchenübergreifend gehören Profibus und Profinet zu den weltweiten Marktführern der industriellen Kommunikation.

Die Technologiefabrik in Karlsruhe ist die Heimat der Geschäftsstelle der Profibus Nutzerorganisation (PNO) und von Profibus und Profinet International (PI). Von hier aus wird die Entwicklung und die weltweite Unterstützung der Kommunikationstechnologien Profibus und Profinet koordiniert. Eine anspruchsvolle Aufgabe für die 10 Mitarbeiter der Geschäftsstelle: etwa 50 internationale Working Groups mit circa 500 Mitarbeitern arbeiten an der Weiterentwicklung und Qualitätssicherung der Kommunikationstechnologien. 27 Landesgesellschaften mit weltweit insgesamt 1400 Mitgliedsfirmen sowie 37 akkreditierte PI Competece Center sind für den Support von Herstellern und Anwendern zuständig.
Profibus und Profinet decken als einzige Kommunikationssysteme die Anforderungen sowohl der Fertigungs- als auch der Prozessautomatisierung ab. Das ebnet den Weg zur Erstellung kostenoptimierter Automatisierungslösungen und ist mit Blick auf den Investitionsschutz für bereits bestehende Anlagen bzw. deren weiteren Ausbau von hoher Bedeutung. Beides kommt insbesondere der Prozessautomatisierung zu Gute.
Von den derzeit etwa 35 Millionen installierten Profibus-Geräten haben etwa 6 Millionen in Anlagen der Prozessautomatisierung Einzug gefunden. Damit nimmt Profibus eine herausragende Rolle ein. Das Profil Profibus PA V3.02 wird die Verbreitung von Profibus in der Prozessautomatisierung weiter beschleunigen, da es eine Reihe von wichtigen anwenderseitig geforderten Funktionen enthält.
Mit dem durchgängigem Kommunikationsprotokoll Profibus DP, der eigensicheren Energieversorgung der Geräte über den Bus, den auf den jeweiligen Einsatzfall zugeschnittenen Netzwerkkomponenten, den über das PA-Profil vereinheitlichten und damit austauschbaren Geräten, den umfangreichen Diagnoseangeboten für Geräte und Bus und vielen anderen Eigenschaften ist Profibus die leistungsfähigste Lösung für verfahrenstechnische Anlagen der Prozessindustrie.

Dazu gehört auch die volle Durchgängigkeit zwischen dem zentralen verfahrentechnischen Anlagenbereich zu den Upstream- und Downstream-Applikationen mit ihren meist diskreten Abläufen bei z. B. Verpackungs- und Transportvorgängen (hybride Automatisierung).

Profibus PA
Das Applikationsprofil PA-Devices hat mit der Version V3.02 eine Innovation erfahren, die durch eine Reihe von Anforderungen der NAMUR motiviert ist. Dies betrifft vor allem die standardisierte Diagnoseinformationen und die einfache Geräteintegration. Die Gerätehersteller müssen die spezifischen Diagnoseinformationen ihrer intelligenten Feldgeräte einheitlich in den standardisierten Kategorien gemäß NAMUR-Empfehlung NE107 „Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten" mit den Kategorien Ausfall, Funktionskontrolle, Außerhalb der Spezifikation, Wartungsbedarf realisieren. Die Abbildung der herstellerspezifischen Diagnoseinformationen erfolgt im Feldgerät selbst; nur die standardisierten Informationen werden standardmäßig in das übergeordnete Prozessleit- oder Instandhaltungssystem übertragen.
Auch die NAMUR Empfehlungen NE105 und NE121 für die Geräteintegration bei Feldbussystemen werden von Profibus PA V3.02 berücksichtigt. Einer stabilen Geräteintegration steht über die langen Lebensdauern von Anlagen in der Prozessindustrie die technische Weiterentwicklung der Geräte gegenüber. Die Herausforderung besteht nun darin, eine Weiterentwicklung der Gerätetechnologie so zu gestalten, dass die Geräteintegration nicht beeinträchtigt wird. Dies erfolgt im Profil V3.02 durch eine automatische Übernahme der Funktionen der Vorgängermodelle. Der Standardmechanismus im Ersatzgerät identifiziert den Vorgänger und stellt sich dann automatisch auf die gewünschte Variante ein. Dabei steckt die gesamte Intelligenz im Feldgerät und ist damit unabhängig vom Leitsystem. Das Ersatzgerät präsentiert sich dem Leitsystem wie sein Vorgänger, obwohl es vom technischen Standpunkt einen neueren Technologiestand innehat. Bei einem späteren geplanten Stillstand lassen sich bei Bedarf neue Funktionalitäten durch ein Update der Beschreibungsdatei integrieren. Hierdurch partizipieren Anwender über den Lebenszyklus an weiterentwickelten Geräten, ohne den laufenden Betrieb einer Anlage zu stören.

Profinet für die Prozessautomatisierung
Für einen optimalen Einsatz von Profinet in allen Branchen der Prozessautomatisierung hat die PNO einen Anforderungskatalog erstellt und mit Anwendern abgestimmt. Im Vordergrund steht dabei der Investitionsschutz. Es ist sichergestellt, dass die Betreiber von Anlagen bereits heute mit Profibus auf ein zukunftssicheres System setzen und ein Wechsel zu Profinet zu jedem Zeitpunkt möglich ist - eine wichtige Perspektive über die Gesamtlaufzeit einer Anlage.
Die technischen Anforderungen umfassen im Wesentlichen die Funktionen Austausch zyklischer und azyklischer Daten, Integration von Feldbussen, Einbindung und Parametrierung von Geräten inklusive der „Configuration in Run", Diagnose und Wartung, Redundanz sowie Zeitstempelung. Die energiebegrenzte Busspeisung von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen auf Ethernet ist nicht als Anforderung formuliert worden, denn hierfür gibt es mit Profibus PA eine bewährte Lösung.
Damit ist Profinet für den Einsatz in den Anwendungsfeldern der Prozessautomatisierung gerüstet. Im Vordergrund steht nicht nur die höhere Performance, die in der Papier- oder Metallverarbeitung gefordert wird, sondern vor allem der Wunsch nach bestmöglicher Einbindung in die ethernetbeherrschte Unternehmenswelt und das Internet. Der direkte Weg in die MES- und ERP-Systeme, die Nutzung von Internet-Diensten zum Beispiel für die Fernwartung, die Integration von drahtloser Kommunikation oder intelligentem Netzwerkmanagement sind hier treibende Kräfte.

ProfiEnergy
In enger Zusammenarbeit mit der AIDA (Automatisierungs-Initiative Deutscher Automobilhersteller) hat PI das Profil PROFIenergy für Profinet entwickelt, mit dem das Energiemanagement in Anlagen effizienter gestaltet werden kann. Durch zielgerichtetes Abschalten von nicht benötigten Verbrauchern mit PROFIenergy lassen sich Energiebedarf und Kosten deutlich senken.
Damit das neue Profil so praxisnah wie möglich arbeiten kann, wurden Use Cases in enger Abstimmung mit Anwendern definiert. Dazu gehören
- das Ab- und Zuschalten in kurzen Pausen mit einer typischen Dauer unter einer Stunde, zum Beispiel Mittagspausen. Dabei hält das System die Anlage definiert an und schaltet Energieverbraucher aus, die in kurzen Zeiträumen Energie sparen, aber auch schnell genug wieder hochfahren können. Wichtige sicherheitstechnische Funktionen bleiben weiterhin erhalten.
- das Ab- und Zuschalten in langen Pausen von mehreren Stunden oder einigen Tagen. Heute liegt in vielen Betrieben in der produktionsfreien Zeit am Wochenende der Energieverbrauch der Anlagen im Vergleich zur Produktion noch bei rund 60 Prozent, da Abschaltung und Wiederanlauf der Anlagen zu aufwendig im Engineering und in eventuell zusätzlich zu installierender Hardware ist.
- das Ab- und Zuschalten in ungeplanten Pausen, bei denen Zeitpunkt und Dauer der Pause unbekannt sind. Typisches Beispiel sind Unterbrechungen auf Grund von Anlagenstörungen.
- das Erfassen von Messdaten. Neben Messgeräten im eigentlichen Sinne ist in der Anlage eine Vielzahl von Geräten eingebaut, die Energiewerte heute schon implizit erfassen wie z.B. Frequenzumrichter. Unter Nutzung dieser Daten erlaubt PROFIenergy eine lastabhängige Maschinensteuerung sowie das Vermeiden von Lastspitzen.

PI Konferenz 2011
Am 15. und 16. Februar 2011 findet in Karlsruhe die zweite PI-Konferenz statt. Im Mittelpunkt stehen aktuelle Trends und Entwicklungen in der Automatisierung sowie die Energieeffizienz im automatisierungstechnischen Umfeld. Eine Schlüsselrolle nehmen dabei der direkte Dialog mit Anwendern sowie der Erfahrungsaustausch zwischen den Herstellern ein. Als Informationsplattform bietet die PI-Konferenz Anwendern und Herstellern die Möglichkeit, im Rahmen innovativer Automatisierungslösungen über die PI-Technologien, aktuelle Trends und Applikationsmöglichkeiten zu diskutieren. Dazu Prof. Dr. Frithjof Klasen, Vorsitzender des Programmkomitees der PI-Konferenz: „Das Programm reicht von der Sensor-/Aktor-Kommunikation über die Antriebstechnik und Functional Safety bis zu Diagnose und Lice Cycle Management. Es adressiert gleichermaßen die Anwendungsfelder der Fertigungs- wie auch der Prozessautomation."

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Anwenderorientierung

Profibus und Profinet sind in der Fertigungsautomation und der Prozessautomation gleichwohl zuhause. Seit beinahe drei Jahren ist Jörg Freitag Vorsitzender des Vorstands der Profibus Nutzerorganisation (PNO) und Chairman von Profibus + Profinet International (PI). Dr. Volker Oestreich sprach mit Jörg Freitag über aktuelle Themen der PNO und von PI.

CHEManager: Herr Freitag, vor drei Jahren sind Sie in den Vorstand der PNO gewählt worden. Was hat sich aus Ihrer Sicht besonderes in dieser Zeit getan?

J. Freitag: Zunächst habe ich einmal eine sehr gut arbeitende und funktionierende Organisation vorgefunden. Da galt es, das Gute weiterzuführen und auszubauen. Ich habe dabei meine Schwerpunkte insbesondere auf die weitere Internationalisierung und eine noch ausgeprägtere Anwenderorientierung gesetzt.

Bei der Internationalisierung hat sich ja wohl besonders im asiatischen Bereich einiges getan?

J. Freitag: Das ist richtig. Wir haben Anfang dieses Jahres eine regionale Organisation in Indien gegründet - damit sind wir jetzt in allen BRIC Staaten mit eigenen Organisationen präsent. Zeitgleich haben wir übrigens mit Spanien die letzte bedeutende Lücke im Netzwerk der europäischen Länder geschlossen und auch dort eine regionale Organisation gegründet. In beiden Ländern werden jetzt auch PI Competence Center etabliert.

Und wie sieht es in China aus?

J. Freitag: In China sind wir schon seit vielen Jahren erfolgreich vertreten und hier bauen wir unsere Aktivitäten, dem Wachstum dieses wichtigen Marktes entsprechend, permanent weiter aus. So waren wir gerade im November 2010 mit einem gelungenem Messestand auf der China International Industry Fair in Shanghai vertreten und haben im Umfeld dieser Messe eine viel beachtete Pressekonferenz durchgeführt.

Sie haben Eingangs die Anwenderorientierung angesprochen. Was konkret hat sich hier getan?

J. Freitag: Anwenderorientierung ist für uns nicht nur ein Schlagwort, sondern wir praktizieren das. So ist die neue Version V3.02 unseres Profils Profibus PA für die Prozessautomatisierung in enger Abstimmung mit den entsprechenden NAMUR Arbeitskreisen entwickelt und im Prüflabor von BIS Prozesstechnik in Frankfurt-Höchst erfolgreich getestet worden.

Und wie sieht es bei Profinet aus?

J. Freitag: Die Entwicklung von Profinet IO kann man schon über viele Jahre hinweg als Paradebeispiel für die Anwenderorientierung der PNO betrachten. Themen wie Profisafe für Profinet, Fast Start Up oder unser neues Profil ProfiEnergy sind in enger Zusammenarbeit mit der AIDA entstanden oder sogar durch die AIDA angestoßen worden. Mit BMW und VW sind übrigens auch gerade zwei weitere Anwenderfirmen der PNO beigetreten.

Im Februar 2011 findet die zweite PI Konferenz in Karlsruhe statt ...

J. Freitag: ... bei der wiederum die Anwender voll einbezogen sind: Neben den zwei Plenums-Vorträgen von Audi und BASF kommen Anwender von BMW, Clariant, Daimler, Evonik und VW in Vorträgen und Podiumsdiskussionen zu Wort. Ich freue mich auf die PI Konferenz 2011! 

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Profibus Nutzerorganisation
Haid-und-Neu-Str. 7
76131 Karlsruhe

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