Ein Netzwerk für alle Wie Sie mit Profinet die Herausforderung Digitalisierung meistern

Autor / Redakteur: Sabine Mühlenkamp / Dr. Jörg Kempf

Eine innovative Instandhaltung, eine engere Kundenbeziehung oder neue Diagnosekonzepte basieren meist auf Ethernet-Lösungen. In der Prozessindustrie basiert die Automatisierung jedoch meist auf proprietären Lösungen. Diese beiden Ansätze gilt es nun, intelligent zu verbinden. Profinet bietet hier ein einfaches und bewährtes Konzept, das zugleich offen für zukünftige Lösungen bleibt.

Firmen zum Thema

Profinet in der Prozessautomatisierung: Bereits heute ist eine flexible Plattform verfügbar.
Profinet in der Prozessautomatisierung: Bereits heute ist eine flexible Plattform verfügbar.
(Bild: Profibus Nutzerorganisation/PROCESS)

Ohne Digitalisierung geht es selbst in der Prozessindustrie nicht mehr. Allerdings gelten – obwohl sich die Anforderungen im Markt drastisch geändert haben – in der Prozessautomatisierung immer noch die gleichen Regeln. So ist neben der hohen Verfügbarkeit (24/7) vor allem die Langlebigkeit vieler Anlagen eine Herausforderung. Flexibilität möchte die Branche dennoch, dies gilt insbesondere für den Austausch einzelner Feldgeräte, der auch im laufenden Betrieb möglich sein sollte. Schließlich bedeutet jede ungeplante Unterbrechung des Betriebs einen Verlust in der Produktion, der mit hohen Kosten verbunden ist. Und schon gar nicht darf der Ausfall eines einzelnen Gerätes die gesamte Produktion lahm legen. Daher spielen Redundanz und Skalierbarkeit eine entscheidende Rolle. Von den Herausforderungen, die der Explosionsschutz in dieser Branche mit sich bringt, ganz zu schweigen.

Um die Digitalisierung der Anlagen voranzutreiben, müssen daher vielfältige Aspekte beachtet werden. So unterstützen die in den Betrieben vorliegenden Leitsysteme die einfache Anbindung von ergänzenden Tools in der Regel nicht, z.B. zur Optimierung von Instandhaltungsmaßnahmen. Deren Einbindung würde einen aufwändigen Installations- und damit verbundenen Engineeringprozess in Gang setzen. Dieser wird gescheut, sodass ein solcher Eingriff – da man das lauffähige System nicht verändern möchte – wahrscheinlich erst gar nicht vorgenommen wird. In vielen Betrieben tritt man daher auf der Stelle.

Bildergalerie

Mittlerweile zeichnet sich ein anderes Bild. Es wurde in den vergangenen Jahren viel Aufwand betrieben, um ein strukturiertes Ethernet-Netzwerk zu entwickeln, das den besonderen Anforderungen der Prozessindustrie genügt. So existieren Lösungen für explosionsgeschützte Bereiche und Kommunikations- und Bussysteme für die typischen Prozessautomatisierungs-Topologien.

Gleichzeitig gibt es für die Digitalisierung auf den letzten Metern vielversprechende Ansätze. So wurde mit dem PA-Profil 4.0 eine Profil-Spezifikation entwickelt, die unabhängig vom Kommunikationsprotokoll ist. Alle Parameter und Funktionen, die im PA-Profil spezifiziert sind, sind sowohl über Profinet als auch über Profibus verwendbar. Um die Handhabung von Feldgeräten noch weiter zu vereinfachen, lassen sich über die Profile GSDs alle für das Messprinzip spezifischen Diagnosen der Namur-Spezifikation NE107 (Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten) nutzen.

Auch werden die Standard-Geräteparameter der NE131 (Namur-Standardgerät, das für 80 Prozent der Einsatzfälle geeignet ist) unterstützt. Zu verdanken ist diese Entwicklung u.a. der engen Zusammenarbeit zwischen der PNO und den Anwendern (Namur), damit der Praxisblick nicht verloren geht.

Tatsache ist jedoch auch, dass immer noch in vielen Anlagen 4…20 mA und das Hart-Protokoll vorherrschen. Dies wirft einige Fragen auf: Wie lassen sich Industrie-4.0-Ansätze, Plant-Asset-Management-Lösungen oder Condition-Monitoring-Systeme mit dieser Welt verbinden? Wie kommen die Betriebe mit den daraus folgenden höheren Datenströmen in der Anlage zurecht? Und wie finden diese neuen Technologien schneller den Weg in die Betriebe?

Über Ethernet und das überlagerte Profinet-Protokoll lassen sich nicht nur andere Netzwerke einbinden – etwa um vor- und nachgelagerte Produktionsschritte, beispielsweise Verpackungslinien, zu integrieren – sondern eben auch Diagnosetools, Instandhaltungswerkzeuge oder einzelne zusätzliche Sensoren. Der Vorteil dabei ist, dass Profinet mit diesen unterschiedlichsten Netzwerken umgehen kann – im Gegenzug bedeutet dies für den Anwender, dass er nur noch ein einziges physikalisches Netzwerk kennen muss.

Die PNO hat dafür explizit für Anwendungen in der Prozessindustrie in Profinet wichtige Funktionen umgesetzt – welche, das lesen Sie auf der nächsten Seite ...

Wussten Sie schon...

Wie wichtig ist es für Ihr Unternehmen, digital auf dem neusten Stand zu sein?

Die Statistik zeigt das Ergebnis einer Umfrage unter deutschen Unternehmen zur Wichtigkeit der Digitalisierung im Jahr 2017 nach Branchen. Rund 72 Prozent der IKT-Unternehmen gaben an, dass es für ihr Unternehmen äußerst wichtig sei, digital auf dem neusten Stand zu sein. Weitere interessante Bildergalerien finden Sie auf unserer Homepage.

Dazu gehören die skalierbare Netzwerk-Redundanz, die System-Redundanz oder die dynamische Rekonfiguration. Weiter ist der Austausch zyklischer und azyklischer Daten, die Integration von Feldbussystemen über Proxies, Zeitsynchronisation und Zeitstempelung sowie die Anlagen-Konfiguration während des laufenden Betriebs möglich. Zudem sind Controller und Remote-IOs verfügbar. Die Stromversorgung und Kommunikation erfolgt über die Profibus PA-Verkabelung. Die automatische Systemintegration geschieht via GSDML-Generator und/oder Gateway Driver.

Dank des schon immer offenen TCP/IP-Kanals bei Profinet-Netzen kann der OPC-UA-Zugriff über die Steuerungen, Gateways oder auch direkt auf unterlagerte Geräte erfolgen. Auch bei FDI (Field Device Integration) ist man einen Schritt weiter. FDI 1.2, das dieser Tage erscheint, spezifiziert ein einheitliches OPC UA basiertes Device Information Model, das vollständig aus der Gerätebeschreibung generiert wird. Damit haben FDI-Host-Systeme bereits heute in Brownfield-Applikationen Zugriff auf die Daten der Feldgeräte.

Schlussendlich stehen auch die Systemkomponenten bereit. So sind bereits heute zahlreiche Feldgeräte mit Profinet verfügbar, wie Coriolis-Durchflussmesser oder MIDs, Hart-Multiplexer, Netzwerk-Infrastruktur oder Stellgeräte. Damit steht aus technologischer Sicht dem Einstieg in Profinet nichts mehr im Weg.

Den Anwender mitnehmen

Angesichts der breiten installierten Basis an PA-Geräten ist es wichtig, dass der Übergang zu Profinet möglichst reibungslos geschieht, bzw. dass die Feldgeräte nicht ausgetauscht werden müssen. In den PI-Guidelines wird auf einfache Weise erklärt, wie der Wechsel von Profibus PA auf Profinet gelingt. Ebenso wichtig für den Anwender: Auch sind alle Geräte durch unabhängige Zertifizierungsstellen (PITLs) zertifiziert. In den akkreditierten PI-Testlaboren werden automatisierte Testdurchläufe durchgeführt, die sowohl die Konformität der Schnittstellenfunktionalität mit der Norm und die Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller prüfen. Dank dieser Maßnahmen ist Profinet bereit für die Prozessautomatisierung – ob kleines Klärwerk oder große Chemieanlage.

Letzter Schritt – APL

Jetzt fehlt nur noch der letzte Schritt: Um auch Branchen wie Öl&Gas oder die Chemie zu bedienen, müssen weitere technische Voraussetzungen für Ethernet im Feldbereich geschaffen werden. Das fängt mit dem Kabel an, so sind in der Prozessautomatisierung längere Verkabelungsdistanzen bis zu 1000 Metern gefordert. Gleichzeitig wird die 2-Leitertechnik mit dem bekannten Feldbuskabel (verpolungssicher und dem Anschluss von Loop-Powered-Feldgeräten) sehr geschätzt. Aber die Stromversorgung über den Bus und Eigensicherheit sind mit heutigem Ethernet noch nicht standardisiert realisierbar.

Fachbuch „Industrie 4.0“Das Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen" bietet Professionals einen umfassenden und praxisorientierten Einblick in die Digitalisierung von Fertigung und Produktion. Das Buch „Industrie 4.0“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

Und hier kommt das APL-Konzept ins Spiel. Dies wurde vor zwei Jahren vorgestellt und ist nun ein gutes Stück vorangekommen. Abgesehen von den technischen Voraussetzungen ist es gelungen, alle Hersteller, sei es von Feldgeräten oder Leitsystemen, sowie verschiedene Nutzerorganisationen, wie die Fieldcomm Group, ODVA und PI, zusammenzubringen.

Das Konzept aus einem Guss wurde inzwischen zur Standardisierung in die IEEE eingebracht. Für die 10-Mbps-Lösung liegt das technische Konzept als Basis für IEEE 802.3cg Working Group vor. Dabei wurde der Nachweis der Umsetzbarkeit durch Simulation sowie weiterführende praktische Untersuchungen mittels Evaluation Bords erbracht. Hier wird es keine Änderungen aus technischer Sicht geben. So stehen erste Physical Layer, genauso wie Feldgeräte als Prototypen für technische Evaluierungen zur Verfügung.

Bereits im nächsten Jahr werden Industrial-Ethernet-Spezifikationen bei den Nutzerorganisationen eingearbeitet, damit man die prozessspezifischen Eigenheiten abdeckt. Mit den ersten Infrastruktur-Komponenten und Feldgeräten wird dann 2021 gerechnet. Zudem wird gerade ein technisches Konzept für die 100-Mbps-Lösung in Kooperation mit der Fachhochschule Nord-West Schweiz erarbeitet.

Die wichtigsten Anforderungen für Ethernet im Feld seitens der Prozessindustrie sind damit erfüllt. Jetzt gilt es nur noch, die Standardisierung des APL-Konzeptes durch die IEEE voranzutreiben. Doch auch hier ist man auf einem guten Weg. APL unterstützt alle IP-basierten Protokolle und ist kompatibel zu allen gängigen Architekturen, wie Namur Open Architecture oder Industrie 4.0.

„Der Anwender kann jetzt in die Profinet-Technologie einsteigen!“ Dr. Jörg Hähniche zeigt sich sehr optimistisch, dass Profinet schnell den Weg in die Prozessindustrie findet. Lesen Sie auf der nächsten Seite ein Exklusiv-Interview mit dem Vorstandsmitglied der Profibus Nutzerorganisation.

Interview mit Dr. Jörg Hähniche, Mitglied im Vorstand der Profibus Nutzerorganisation

Dr. Jörg Hähniche, Mitglied im Vorstand der Profibus Nutzerorganisation „Der Anwender kann jetzt in die Profinet-Technologie einsteigen!“
Dr. Jörg Hähniche, Mitglied im Vorstand der Profibus Nutzerorganisation „Der Anwender kann jetzt in die Profinet-Technologie einsteigen!“
(Bild: Jurga Graf 2012 (www.photo-graf.de) / PNO)

PROCESS: Herr Dr. Hähniche Warum ist die Situation bei Profinet eine andere als damals bei Profibus als dessen Einführung in der Prozessindustrie eher schleppend verlief?

Hähniche: Die Situation ist eine völlig andere als vor 25 Jahren. Diesmal liegt ein Gesamtpaket vor, dass alle Eventualitäten der Prozessindustrie abdeckt, von der einfachen Anlage bis zur Redundanzlösung oder zur ex-geschützten Anlage. Und das Konzept ist so flexibel, dass es offen für zukünftige Entwicklungen ist. Während der gesamten Entwicklungsphase war zudem der Kontakt zu den Anwendern, also zur Namur, sehr eng. So gibt jetzt z.B. in Bezug auf APL die ersten Technologieevaluierungsprojekte mit den Anwendern zusammen, um sicherzustellen, dass Fehler gleich im Ansatz erkannt und eliminiert werden.

PROCESS: Wie kann der Anwender sicher sein, dass er mit der richtigen Technologie unterwegs ist?

Hähniche: Zukunftssicherheit und der Schutz des bisherigen Investments sind seit jeher wichtige Aspekte unserer Entwicklungsarbeiten. Die PNO garantiert bei ihren Technologien immer, dass diese kompatibel zu bestehenden Lösungen sind und dass diese über viele Jahre Bestand haben. Aber es ist nicht nur eine verlässliche Technologie, die zählt. Die PNO bietet noch mehr, etwa in Form der Guidelines oder der Competence Center, die auf die Bedürfnisse der Prozessindustrie ausgerichtet wurden, um einen optimalen Support für Anwender und Hersteller sicherzustellen.

PROCESS: Ist die Technologie bereits fertig?

Hähniche: Das Portfolio ist vollständig. Es gibt Switches, die den Übergang von Profibus PA zu Profinet ermöglichen, Steuerungen sowie ein breites Angebot an Feldgeräten mit Profinet für die Prozessindustrie. Lediglich bei APL müssen sich die Anwender noch bis 2020 gedulden, damit das in IEEE standardisierte Konzept (Ende 2019) in die Profinet-Spezifikation überführt worden ist. Mit anderen Worten: Es gibt keinen Grund mehr, dass die Prozessindustrie nicht jetzt in die Profinet-Technologie einsteigen kann.

Tipp der Redaktion: Am 16.10.2019 gibt es in Stuttgart einen Profinet-Technlogie-Workshop und am 17.10.2019 einen Workshop speziell für die Prozessindustrie: Profinet in Process Automation.

* Die Autorin ist freie Fachjournalistin für Profibus & Profinet International (PI), Karlsruhe.

(ID:45951973)

Über den Autor

 Sabine Mühlenkamp

Sabine Mühlenkamp

freie Journalistin, Pressebüro Mühlenkamp