Vernetzte Welten

Mit Profinet steht für die Prozessindustrie eine offene Lösungsplattform basierend auf Industrial Ethernet zur Verfügung

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  • PNO: Der Feldbus im Kontext des RAMI Modell
  • PNO: FDI Technologie ­Client-Server-Architektur
  • PNO: Übermorgen mit Profinet bis in die Feldebene
  • PNO:  FDI Technologie Client-Server-Architektur
  • PNO: Geräteprofile standardisieren die Kommunikation
  • Jens Scheib,  Siemens,  Leiter ­Working Group Marketing ­Process  Automation, PNO
  • Karl Büttner,  Endress + Hauser, Leiter Working Group Marketing Process  Automation, PNO

In der Prozessindustrie wird inzwischen offen über das Thema Industrie 4.0 und den Einsatz von Ethernet-Technologien diskutiert.

Der Wettbewerbsdruck in der Prozessindustrie steigt; es werden neue Wege gesucht, um die Produktion noch effizienter zu gestalten. Damit einher geht der Trend zu kleineren Chargen und kundenspezifischen Produkten, die jedoch eine intelligente Prozessführung benötigen. In Zukunft werden also neue Ansätze benötigt, wie etwa die Fernparametrierung der Instrumentierung zur Optimierung von Regelkreisen oder die automatische Datenerfassung von Messreihen in einem ERP-System. Auch das ganze Thema der modularisierten Anlagen wird mit den bisherigen Automatisierungstechnologien nur unzureichend abgedeckt.
Dies hat zur Folge, dass über Aspekte wie Industrie 4.0, vernetzte Produktion und intelligente Kommunikation seit zwei Jahren vermehrt diskutiert wird. So ist der Einsatz von Ethernet-Technologien in der Prozessindus­trie mittlerweile ein vorstellbarer Weg, vor allem da sich Profinet in anderen Branchen als Back­bone für Industrie 4.0-Anwendungen entwickelt. Die Hersteller haben nachgezogen und bieten bspw. immer mehr Feldgeräte mit Profinet-Schnittstelle, vom Durchflussmessgerät bis zum Datenschreiber, an. So wird schrittweise das Portfolio erweitert und der Einstieg in Profinet auch für Anwender aus der Prozess­industrie erleichtert.

Schrittweiser Übergang in die Industrie 4.0-Welt
In der Fabrikautomation wird Profibus DP bereits schrittweise durch Profinet abgelöst. Ein ähnlicher Trend wird auch in der Prozessautomatisierung erwartet. Allerdings liegen die Hürden in der Prozessindustrie etwas höher. Die häufig kontinuierlichen Produktionsprozesse lassen sich nicht einfach abbrechen und im Fall einer Störung besteht meist ein hohes Gefährdungspotential für Mensch und Umwelt. Davon abgesehen bedeutet ein ungeplanter Stillstand hohe finanzielle Einbußen. Verlangt werden daher einfach handhabbare Lösungen, die sich – auch über große Distanzen – durch hohe Leistungsfähigkeit hinsichtlich Verfügbarkeit, flexible Topologien, robuste Verbindungstechnologie, Redundanz und Durchgängigkeit auszeichnen.

Auch der Ex-Schutz spielt eine Rolle. Gleichzeitig sollten die Technologien – angesichts langer Lebenszyklen von 20 Jahren und mehr – langlebig sein.
Dennoch ist man mit der Umsetzung weiter, als es zunächst den Anschein hat. Profibus & Profinet International (PI) hat in den vergangenen Jahren eine ganze Reihe an technologischen Entwicklungen angestoßen, um diese Anforderungen zu erfüllen. Hierzu gehören Themen wie Profinet für die Prozessindustrie, Diagnose und Condition Monitoring, Integration mit FDI, PROFIenergy sowie Profinet Security.
Besonders wichtig ist den Mitspielern von PI, dass diese Technologien nachhaltig sind, sprich auch noch in Jahrzehnten einsetzbar sind. Dies wird vor allem durch eine offene Technologie erreicht, aber auch durch die Tatsache, dass frühzeitig eng mit Anwendern, Herstellern und anderen Organisationen zusammen gearbeitet wird. Nur so lässt sich ein gemeinsamer Standard erzielen, der allen Anforderungen gerecht wird. Vor diesem Hintergrund spielt derzeit das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) eine große Rolle. RAMI 4.0 wurde von einer Interessengemeinschaft aus den Verbänden Bitkom, VDMA, ZVEI und VDI sowie den Normungsorganisationen IEC und ISO mit ihren nationalen Spiegelgremien DKE und DIN entwickelt. Trotz des etwas sperrigen Namens: Das Modell wurde eingeführt, um die Arbeiten rund um Industrie 4.0 zu vereinfachen. Hintergrund ist, dass anhand eines solchen Referenzarchitekturmodells Aufgaben und Abläufe in überschaubare Teile zerlegt werden können. Damit kann der Übergang in die Welt von Industrie 4.0 schrittweise erfolgen. Existieren für denselben oder ähnlichen Sachverhalt aus der Modellbetrachtung heraus mehrere Standards, kann ein Vorzugsstandard im Referenzarchitekturmodell diskutiert werden.
Im Detail werden in der senkrechten Achse des Modells Layer/Schichten der unterschiedlichen Sichtweisen, wie z. B. Datenabbild, funktionale Beschreibung, Kommunikationsverhalten, Hardware/Assets oder auch Geschäftsprozesse verwendet. Der Produktlebenszyklus wird auf einer waagrechten Achse abgebildet. Die Verortung von Funktionalitäten und Verantwortlichkeiten innerhalb der Anlagen ist auf einer dritten Achse angesiedelt. Sechs Schichten beschreiben Maschinen, Komponenten und Anlagen.

Wie sieht das RAMI-Modell in der Praxis aus?
Am Beispiel eines Durchflussmessgerätes soll gezeigt werden, wie das RAMI-Modell in der Praxis aussieht und wie die Technologien von Profibus und Profinet bereits ihren Beitrag zu Industrie 4.0 leisten. Ein Durchflussmessgerät ist im Rami-Modell als Gerät (Asset Layer) eindeutig beschrieben und identifizierbar. Im Integration Layer finden sich Gerätebeschreibungen, etwa aus der EDDL oder FDT/DTM, bzw. in Zukunft FDI.
Im Communication Layer findet sich Profibus und Profinet per se wieder. Schließlich vereint Profinet die horizontale und die vertikale Integration mit seiner durchgängigen Ethernet-Kommunikation und schafft so eine direkte Kommunikationsverbindung zur Unternehmensleitebene und über Produktionsstandorte hinweg.
Die Instandhaltungs- und Maintenance (I&M) -Funktionen von Profinet enthalten z. B. die Laufzeit und stellen diese im Information Layer zur Verfügung. Dort werden die unterschiedlichen Profile angegliedert. Damit können nicht nur reine Daten übertragen, sondern diese können auch semantisch angereichert werden. So definiert das PA Profil nicht nur einen Messwert, sondern benennt auch Einheiten, Grenzen, etc. Solche zusätzlichen Daten werden im Hinblick auf die präventive Wartung vonnöten, z. B. wenn es darum geht, prozessbezogene Zustände angeben zu können.
Im Functional Layer stellen die Profile spezielle Funktionen zur Verfügung, etwa Parameter und Diagnoseinformation (aus der GSD-Datei) je Messprinzip und Aktor unabhängig von Gerätemodell und Hersteller. Mit diesen Informationen reagiert das Feldgerät auf Ereignisse in der realen Welt (z. B. eine Störung) und führt eine Aktion in der digitalen Welt aus.
Der Business Layer schließlich erlaubt die Modellierung von geschäftsrelevanten Prozessen und bietet die Möglichkeiten, die Informationen und Funktionen, die in den anderen Ebenen bereitgestellt werden, zur Realisierung neuer Geschäftsmodelle miteinander zu verknüpfen. Eine mögliche Anwendung wäre, dass ein Unternehmen z. B. Kalibrationsdaten mit einem Kalibrations-Dienstleister austauschen. Dieser übernimmt die Kalibrierung und hinterlegt direkt die neuen Fälligkeitsdaten im Kundensystem. Da es sich um ‚Live-Daten‘ handelt, ist es zum Beispiel möglich, besonders beanspruchte Geräte zu priorisieren.

Gesicherter Zugriff auf sensible Daten
Welche Daten auch immer gesammelt werden: Es ist entscheidend, dass diese Daten im Laufe des Lebenszyklus in einer Art abgesicherten Container gesammelt werden. Andere Unternehmen, Maschinen und Anlagen können so rückwirkungsfrei darauf zugreifen. Eine Vorstellung, wie der rückwirkungsfreie Zugriff funktionieren kann, zeigt die FDI (Field Device Integration)-Technologie. FDI standardisiert die Integration von Konfigurations- und Diagnosewerkzeugen der Feldgeräte in ein Plant Asset Management System. Die Vorteile in Kürze sind die standardisierte Oberfläche, der Zugriff auch auf Sonderfunktionen und dass eine Big-Data-­Integration über OPC-UA möglich ist.
Das Referenzarchitekturmodell benennt die FDI-Technologie ausdrücklich als probates Mittel. Die Client/Server-Architektur der FDI-Technologie bietet mit ihrem Geräteinformationsmodell (gemäß IEC 62541-100) alle Funktionen zur Modellierung realer Geräte als virtuelle Objekte für das industrielle Internet der Dinge. Interessant ist, dass die Initiative für die Entwicklung der FDI-Technologie zu einem Zeitpunkt gestartet wurde, als der Begriff Industrie 4.0 noch nicht erfunden wurde. Dies belegt, dass viele Entwicklungen sich auch ohne den Begriff ‚Industrie 4.0‘ durchgesetzt haben, einfach weil sie vom Anwender benötigt werden.

Profibus PA wird zur Schlüsseltechnologie
Grundlage für Industrie 4.0-Anwendungen ist Profinet, das sowohl die schnelle Übertragung von wenigen Daten sowie eine effiziente Übertragung von großen Datenmengen bei gleichzeitiger Wahrung der Real-Time-Fähigkeit meistert. Entscheidend für die Anwender aus der Prozessindustrie ist der Bestandsschutz der installierten Automatisierungskomponenten. Daher stehen bei den Entwicklungsaktivitäten derzeit folgende Themen im Vordergrund:

  • Bestandsschutz von Instrumentierung mit Legacy-Systemen
  • Migrationsstrategien von Profibus zu Profinet
  • Anschluss- und Installationstechnik von Ethernet-basierten Geräten in der Prozesstechnik

PI sieht Profibus PA als aktuelle Schlüsseltechnologie zur Digitalisierung der Feldkommunikation. Profibus PA ermöglicht lange Kabelwege und Explosionsschutz für die rauen Umgebungen in der Prozessautomatisierung und bietet die vollständige digitale Integration der Feldinstrumentierung in Leit- und Asset Management Systeme. Die Anbindung erfolgt über einen Link/Koppler typischerweise über Profibus DP. Der Anwendernutzen von Profibus PA generiert sich unter anderem aus der Verwendung digitaler statt analoger Kommunikation mit allen positiven Folgerungen, der Eignung zum besonders einfachen Nachweis der Zündschutzart Eigensicherheit (FISCO Modell) und den auf die Prozessindustrie ausgerichteten Eigenschaften des Geräteprofils PA 3.02. Die Feldbuskombination „Profibus DP mit angekoppeltem PA-Segment“ ist heute in vielen Installationen weltweit zu finden, wo sie sich immer wieder als leistungsfähige und stabile Lösung erweist.
Die Proxy-Spezifikation erlaubt nun die Einbindung heutiger (z. B. Profibus DP/PA, Hart) aber auch zukünftiger Installationen in Profinet-Umgebungen. Mit dem Einsatz dieser Proxies wird es möglich, die Stärken zweier bereits seit Jahren in der Praxis bewährter Technologien (Profibus PA und Profinet) zu kombinieren und damit auch für andere etablierte Technologien langfristig einen Investitionsschutz zu gewährleisten.

Ausblick
Mit Profinet steht eine offene Lösungsplattform basierend auf Industrial Ethernet zur Verfügung. Diese ist kompatibel mit heute existierenden Technologien und langfristig aufgesetzt. Derzeit entsteht ein an Profibus- und Profinet-Systemen einheitlich einsetzbares PA-Geräteprofil 4.0. Beispiele für den daraus resultierenden Anwendernutzen sind, etwa dass die Abläufe bei Engineering, Einbau, Inbetriebnahme und Austausch von Geräten deutlich einfacher und einheitlich werden. Für eine herstellerneutrale Projektierung der Feldgeräte in das Leitsystem bieten Geräte mit dem PA Profil eine Standard-Schnittstelle in Form des „neutralen Kanals“, der die gemeinsamen Funktionen der Geräte repräsentiert und diese in Form einer erweiterten Profil-GSD für die Geräteintegration bereitstellt. Die durch Industrial Ethernet mögliche Übertragung großer Datenmengen erweitert den bisherigen Datenaustausch zu einem Informationsaustausch, wodurch dem Betreiber nicht nur Daten und Stichworte, sondern aussagekräftige Informationen aus der gesamten Anlage verfügbar gemacht werden.
Auch bei dem Aufgabengebiet Security – ein weiteres Thema, das viele potentielle Anwender derzeit aufmerksam beobachten – arbeitet PI mit. Diese Anstrengungen zeigen, dass mithilfe aktueller Technologien zukünftige Konzepte wie Industrie 4.0 oder Big Data bereits heute verwirklicht werden können.

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