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OPC UA und Profinet-Diagnose

Profinet-Diagnose und OPC UA: Der Automatisierung auf den Puls gefühlt

| Autor/ Redakteur: Thomas Rummel, Thomas Schwarzenböck* / Dominik Stephan

Wie geht es der Automatisierung? – Beim Anlagenmonitoring gerät die Automatisierung in den Blick: Sie kennen Ihre Betriebsparameter, Sie kennen Ihre Messwerte – aber wie steht es um die Netzwerke? Im Zeitalter der Vernetzung rückt die Diagnose der Automatisierungssysteme in den Fokus und eröffnet Betreibern neue Möglichkeiten.

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Eine Frage des Blickwinkels: Das OPC-UA-­Informationsmodell enthält zwei Sichten auf ein Profinet-Netzwerk.
Eine Frage des Blickwinkels: Das OPC-UA-­Informationsmodell enthält zwei Sichten auf ein Profinet-Netzwerk.
(Bild: PROCESS; ©Mariia Petrakova, ©rsuicide - stock.adobe.com; Quelle: Softing)

Intelligente Geräte in modernen Anlagen der Fertigungs- und Prozessindustrie liefern Betreibern nicht nur I/O-Daten, sondern auch fundierte Erkenntnisse hinsichtlich des Zustands der gesamten Produktion. Die von Managementsystemen aus den Feldgeräten gesammelten Informationen, wie etwa Diagnosedaten, allgemeine Informationen zum Gerätezustand sowie spezifische Geräteparameter, helfen dem Betreiber auch bei der Planung von präventiven Wartungsarbeiten.

Auf diese Weise tragen sie dazu bei, ungeplante Stillstände zu vermeiden, Ausfallzeiten zu reduzieren und Wartungskosten zu senken. Damit dieses Potenzial zur Prozessoptimierung und Kosteneinsparung im vollem Umfang genutzt werden kann, müssen die Daten aller in­stallierten Geräte transparent und vor allem standardisiert zur Verfügung gestellt werden.

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Netzwerke in der Automatisierung wachsen stetig weiter, wobei parallel zur Profinet-Kommunikation immer öfter weitere TCP/IP-­Kommunikation stattfindet. Aus diesem Grund gewinnt die laufende Information über den aktuellen Zustand des Netzes sowie über die Kommunikationsabläufe im Netz und deren Qualität zunehmend an Bedeutung. Im IT-Bereich gibt es hierfür bereits ausgeklügelte Überwachungs-Systeme, die von Administratoren durchgängig betreut werden. Aber auch im Automatisierungsumfeld halten Netzwerk-Monitoring-Systeme Einzug, ist doch in der OT die hohe Verfügbarkeit des Netzes mindestens ebenso wichtig wie in der IT. Immerhin führen ungeplante Stillstände aufgrund von Fehlfunktionen schnell zu Produktionsausfällen und im schlimmsten Fall zu einer Beschädigung der Anlage. Immense Kosten und Gewinneinbußen sind die Folge.

Die Physik im Griff - sonst wird es mit der Automatisierung nichts

Durch permanentes Monitoring des Automationsnetzwerks können Fehler frühzeitig erkannt und rechtzeitig behoben werden. Bei seriellen Bussystemen, wie etwa Profibus, liegt dabei das Hauptaugenmerk auf der Bus-Physik, also der Qualität von Kabeln, Leitungen und Steckverbindern.

In Ethernet-Systemen, zu denen auch Profinet gehört, trägt die physikalische Struktur kaum mehr zu Ausfällen bei. Die steigende Komplexität von Geräten und Netzwerken erfordert vielmehr die qualitative Bewertung einer Vielzahl von Parametern auf logischer Ebene. Moderne Netzwerkdiagnose besteht daher heutzutage daraus, möglichst viele Informationen aus aktiver Anfrage von Teilnehmern sowie aus der Analyse des Telegrammverkehrs zu gewinnen. Grundsätzlich ergeben sich zwei Anwendungsfälle:

  • Asset Management: Zertifizierte Profinet-Geräte stellen eine Vielzahl an Informationen über sich selbst, ihre Modul- und Submodul-Konfiguration sowie Informationen zu angrenzenden Geräten zur Verfügung. Anhand dieser Daten ist es möglich, ein komplettes Bild der realen Anlage zu erzeugen. Durch zyklische Anfrage dieser Daten können sämtliche Änderungen wie Firmware-Updates, ein Vertauschen von Switch Ports oder das Wechseln eines Moduls exakt protokolliert werden.
  • Diagnose: Profinet-Geräte liefern sowohl umfassende Status­informationen über das Gerät selbst als auch über angeschlossene Sensoren und Aktoren. Sie protokollieren sämtliche Störfälle, wie Verbindungsabbrüche oder Fehlfunktionen sowie statistische Größen im Netzwerk, z.B. Telegrammwiederholungen oder erhöhten Jitter. Diese Informationen werden an die Steuerung gemeldet und in einer geräteeigenen Datenbank für Abfragen vorgehalten.

Profinet: Ein Ziel, aber kein Standard?

Produzierende Unternehmen erkennen zunehmend die großen Vorteile, die gezieltes Anlagenmonitoring mit sich bringt: So sind entsprechende Werkzeuge immer häufiger Bestandteil der Lastenhefte neuer Anlagen.

Diesem Umstand ist es zu verdanken, dass sich mittlerweile verschiedene Anbieter für Netzwerkmonitoring und Netzwerkdiagnose am Markt etablieren konnten. Bei der Mehrzahl der angebotenen Systeme handelt es sich um ein zusätzliches Gerät, das im Netzwerk angeschlossen wird und Diagnose- und Asset-Daten sammelt, die über einen integrierten Webserver übersichtlich auf verschiedenen Dashboards angezeigt werden können. Da Profinet einen einheitlichen Rahmen festgelegt, in dem Daten zur Verfügung gestellt werden, unterscheiden sich die unterschiedlichen Tools funktional kaum voneinander.

Eine weitere Gemeinsamkeit ergibt sich, wenn es um den Transfer der gewonnenen Daten an übergeordnete Systeme geht: Er ist nicht möglich. Obwohl es sich immer um die gleichen Werte handelt und diese auch ähnlich dargestellt werden, existiert kein Standard, der einen nicht proprietären Austausch ermöglichen würde. Hier kommt OPC UA ins Spiel.

Der OPC UA Companion

Im Juni 2017 hat die Profibus Nutzerorganisation PNO die „OPC UA in I4.0@PI“-Arbeitsgruppe gegründet. Das Ziel war die Erstellung einer gemeinsamen „Joint OPC UA Companion Specification“ für die Abbildung von Profinet auf OPC UA. Seit Juli 2019 befindet sich nun die „OPC 30140 – UA Companion Specification for Profinet“ im Review und wird wahrscheinlich noch im November 2019 freigegeben. Diese erste Version der Spezifikation konzentriert sich auf Anwendungsfälle aus den Bereichen Asset Management und Diagnose. Ein OPC UA Server, der die Spezifikation realisiert, kann auf einem Controller, Edge Gateway oder IO Device laufen.

Das OPC-UA-Informationsmodell enthält zwei Sichten auf ein Profinet-Netzwerk: Die Controller/Application View und die so genannte Device View. Der Controller/Application View beinhaltet die im Profinet Controller konfigurierten Profinet-Verbindungen (Application Relations), Module und Submodule. Der Device View besteht aus den Profinet Geräten mit deren real vorhandenen Modulen und Submodulen. Über OPC-UA-Referenzen werden beide Sichten miteinander verbunden. Abhängig davon, wo der OPC-UA-Server läuft, werden nur Teile der Sichten vorhanden sein. Ein Edge Gateway wird beide Sichten auf das Profinet-Netzwerk liefern.

Zusätzlich beinhaltet das Informationsmodell die Abbildung der physikalischen Netzwerktopologie des Profinet-Netzwerkes. Damit ist die genaue Verkabelung der Profinet-Geräte mit ihren Ethernet Interfaces, Ports und den Kabeln im OPC-UA-Informationsmodell enthalten und kann zur Netzwerkdiagnose genutzt werden. Die Submodule, welche das Profinet Interface und die Ports realisieren, werden über Referenzen verbunden.

OPC UA Spezifikationen und Co.

Das OPC-UA-Informationsmodell basiert auf der OPC-UA-Spezifikation V1.04 und nutzt das OPC UA V1.04 Amendment 7 „Interfaces and Add-Ins“. Ein informativer Anhang an die Spezifikation beschreibt beispielhaft die Nutzung des Informationsmodells mit der „OPC UA Part 100 – Devices“ V1.02 Spezifikation. Ein Server bietet über die Standard-Objekte „Device Set“ und „Network Set“ die Einstiegspunkte zum Profinet-­OPC-UA-Informationsmodell. Die Profinet-Controller und Profinet-IO-­Devices sind im „Device Set“ enthalten. Das „Network Set“ enthält die Profinet-Domains.

Mit diesen transparenten Standards könnte es möglich sein, nicht nur die Feldgeräte, sondern die gesamte Automatisierung transparent zu machen. Das Potenzial wäre gewaltig: Wenn ungeplante Stillstände vermieden werden können, ließen sich Ausfallzeiten und Kosten drastisch reduzieren.

* * T. Rummel ist Senior Vice President ­Engineering & Product Management, T. Schwarzenböck Product Manager bei Softing Industrial Automation in Haar.

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