Ethernet in der Prozessindustrie Gateway als Brücke in eine zukunftssichere State-of-the-Art-Prozesswelt

Im Zeitalter von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge (IoT) ist Ethernet auch in der Prozessindustrie auf dem Vormarsch. Spezielle Gateways erleichtern den Umstieg und schaffen die Voraussetzungen für einen durchgängigen, schnellen und sicheren Informationsfluss auf horizontaler und vertikaler Ebene. Parallel steigt die Performance und Anlagenbetreiber können deutlich flexibler agieren.

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DECHEMA e.V.

HIMA Paul Hildebrandt GmbH

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Softing Industrial Automation GmbH

Die horizontale und vertikale Integration ist ein Kerngedanke des Konzepts von Industrie 4.0. Hier sind standardisierte Kommunikationsschnittstellen gefragt, über die das Zusammenwirken unterschiedlichster Komponenten sowie ein konsistenter Datenfluss sichergestellt sind. Entsprechend hoch sind die Vorgaben hinsichtlich Verfügbarkeit, vereinfachter Handhabung, Zuverlässigkeit, Robustheit und Redundanz. Auf Profibus DP basierende Anwendungen werden diesen Anforderungen nur mit Einschränkungen gerecht. Auch die Anzahl der Geräte ist begrenzt, ein weiteres Limit, dass durch Profinet, dem Ethernet-Standard im Bereich der Automatisierung, aufgehoben wird.

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Sukzessive Umsetzung schafft Planungssicherheit

Um den Wechsel so einfach wie möglich zu gestalten, hat Softing Industrial Automation das PN Gate PA entwickelt, über das sich eine direkte Profibus PA-Segment-Integration in Profinet-Steuerungssysteme realisieren lässt. Das Gateway fungiert als Schnittstelle zwischen Host-Ebene und den Feldgeräten und übernimmt Profinet-Device- und Profibus-PA-Master-Aufgaben. Zudem unterstützt es bekannte Werkzeuge für die Gerätekonfiguration, Parametrierung und Zustandsüberwachung. Dazu zählen z.B. Siemens PDM, Profinet-Engineering-Systeme und DTM-Anwendungen.

Anwender schätzen darüber hinaus, dass ein Technologie-Upgrade auch schrittweise erfolgen kann. Von Relevanz ist dies insbesondere bei komplexen, vernetzten Produktionsanlagen in der Prozessindustrie, in denen die Betriebssicherheit trotz „Operation am offenen Herzen“ unvermindert gewährleistet sein muss.

Diesen Weg wählte beispielsweise auch ein renommierter Hersteller von Farben und Lacken und hat zunächst in einem seiner Werke das vorhandene Profibus-DP-Netzwerk (Decentralized Periphery) mithilfe von PN Gate PA (Process Automation) auf Profinet umgestellt. In diesem Pilotprojekt sollten erste Erfahrungen mit der neuen Technologie gesammelt werden.

Zentrale Zielsetzung der Einführung war, auf Steuerungsebene flexibler agieren zu können und die Vielzahl proprietärer Kommunikationsprotokolle zu reduzieren. Gleichzeitig versprachen sich die Projektverantwortlichen deutlich erhöhte Übertragungsgeschwindigkeiten sowie vereinfachte Parametrierungsmöglichkeiten, etwa beim Condition Monitoring bzw. bei der Zustandsüberwachung. So unterstützt das Gateway beispielsweise auch wichtige Profinet-Engineering-Werkzeuge, wie TIA-Portal, Step 7 und PC Worxs. Vorbereitet ist das PN Gate PA zudem für die Integration in Standard-Engineering- und Plant-Asset-Management-Tools.

Dank einer solchen Lösung können bekannte Tools weiter genutzt werden, sodass der Wechsel von Profibus-DP-Mastern auf Profinet-Controller für die Bediener nicht ad hoc mit einer Vielzahl gravierender Neuerungen verbunden ist. Es werden keine zusätzlichen Geräte benötigt und auch der Verkabelungsaufwand hält sich in Grenzen. Zu diesem Zweck werden die Produkte Bus-Carrier Series 9419 und Power Supply 9412 von R. Stahl genutzt.

Spezialisiertes IT-Wissen nicht erforderlich

Im aktuellen Fall war die Ethernet-basierte Elektroverkabelung bereits vorhanden, es mussten nur serielle Teile ersetzt werden. Sämtliche Anlagenkomponenten sind somit über nur ein Profibus-Kabel vernetzt, über das sämtliche Prozess- und Diagnosedaten übertragen werden. Beim Engineering kommen vertraute Werkzeuge wie bei Profibus zum Einsatz. Infolgedessen ist kein spezialisiertes Know-how erforderlich, sodass sich auch der Schulungsaufwand in Grenzen hielt.

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Keine Probleme mit Pulver, Staub und Feuchtigkeit

Dem Farben- und Lacke-Hersteller kommt zudem entgegen, dass das PN Gate PA funktionssicher auch dort seinen Dienst verrichtet, wo Anlagen in rauen Industrieumgebungen betrieben werden, in denen Pulver, Staub und Feuchtigkeit vorherrschen sowie Ex-Bereiche existieren. Entsprechend sind die vorhandenen Schaltschränke teils dort platziert, wo produziert wird, während man weitere in separaten, geschützten Räumen untergebracht hat.

Die Umrüstung der ersten Anlage fand vor rund zweieinhalb Jahren statt, wobei die vorhandenen Feldbusse übernommen werden konnten. In diesem ersten Schritt hat das Softing-Team zwei PA-Stränge mit jeweils sechs Geräten installiert. Sukzessive wurde seither auf 30, an einem Gateway angeschlossene PA-Geräte aufgestockt. Im Zuge anstehender Erweiterungen kann die Zahl noch erheblich gesteigert werden. Bei Profibus-Anwendungen ist in der Regel bei insgesamt 125 Geräten Schluss. Nach der Umstellung ist heute ein Vielfaches mehr möglich. Folge ist eine vereinheitlichte Systemlandschaft, in der die Anzahl der Teilnehmer bei Bedarf jederzeit erhöht werden kann. Ein konsistenter Datenfluss ist ebenso gewährleistet wie eine verbesserte Übertragungsgeschwindigkeit.

Auch können heute verlässlichere Diagnosen hinsichtlich der Anlagenperformance respektive einzelner Komponenten getroffen werden. Was den Kunden während der Umstellung insbesondere überrascht hat, war der vergleichsweise minimale Aufwand. Vereinfacht ausgedrückt mussten einfach nur die alten Koppler demontiert, das neue Gateway installiert und an das Kabel angeschlossen werden. Damit war praktisch alles erledigt. Durch die Profibus PA-Segment-Integration bzw. den Umstieg von Profibus DP auf Profinet profitiert der Anlagenbetreiber zudem von erhöhter Betriebssicherheit, die sich letztlich ebenfalls wieder positiv auf Kostenebene auswirkt.

Stützpfeiler der digitalen Transformation

Das Gateway PN Gate PA ist außerdem ein wichtiger Baustein im Rahmen der Transformation in Richtung einer Industrie 4.0-affinen Prozessgestaltung. Für die damit verbundenen Anforderungen hat Softing weitere Digitalisierungslösungen parat, die ebenfalls aus eigener Entwicklung stammen: das Modbus-zu-Profibus-PA-Gateway für TCP-Steuerungssysteme sowie das Modbus TCP-zu-Foundation Fieldbus H1-Gateway für die Integration von FF-Geräten in Modbus-Netzwerke zwecks Prozesssteuerung und Plant Asset Management.

Ferner wird mit dem Mobilink-Interface eine mobil nutzbare Anwendung angeboten, die Inbetriebnahme und Wartung von Feldgeräten erleichtert. Das Interface bedient die wichtigsten Protokolle im Rahmen der Prozessautomatisierung (Hart, Foundation Fieldbus, Profibus PA), ist kompatibel mit FDT-Rahmenapplikationen und verfügt über die in explosionsgefährdeten Arbeitsumgebungen vorgeschriebene Atex-Zulassung für Zone 1.

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* T. Hilz ist Program Marketing Manager und D. Palme ist Gruppenleiter Gateway-Entwicklung, beide bei der Softing Industrial Automation GmbH, Haar.

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