Industrie 4.0
30.11.2018

PI gibt Einblicke in aktuelle Projekte und Arbeiten

Auf der SPS IPC Drives hat PI (Profibus & Profinet International) über aktuelle Entwicklungen rund um Profinet@TSN, Profinet auf OPC UA, Safety over OPC UA based on Profisafe sowie die Kommunikation vom Sensor to Cloud mit IO-Link über OPC UA informiert.

Karsten Schneider, Cairman von Profibus & Profinet International (PI), gab auf der PI-Pressekonferenz Einblicke in eine Vielzahl aktueller Themen und der Zusammenarbeit mit der OPC Foundation (Bild: PI)

Den Auftakt der PI-Pressekonferenz in Nürnberg bildete das Thema Profinet mit TSN: Die entsprechenden PI-Arbeitskreise arbeiten aktuell an einer offenen Lösung für die Integration von TSN in Profinet. Parallel haben die drei Unternehmen Texas Instruments, Analog Devices und Hilscher erste Lösungen entwickelt, die auf der diesjährigen SPS IPC Drives live demonstrierten, wie aufwandsarm TSN in Profinet mit Blick auf unterschiedliche Technologien integriert werden kann. "Die Verfügbarkeit von Spezifikationen und Guidelines sind das eine, der Nachweis, dass die von PI ausgewählten TSN-Mechanismen praxisgerecht sind und die Adaption des bestehenden Profinet-Stacks an den neuen Layer 2 einfach möglich ist, das andere", sagte PI-Chairman Karsten Schneider in Nürnberg. Er verwies zusätzlich auf die Vorteile, die die parallel zur Ausarbeitung der entsprechenden Spezifikation stattfindende konkrete Umsetzung in Hardware und Firmware durch verschiedene Technologiefirmen mit sich bringt. "Es lässt sich zum einen überprüfen, wie sich die Spezifikationen auch in reale Produkte umsetzen lassen, und zum anderen nachweisen, ob die Spezifikation widerspruchsfrei, vollständig und interoperabel ist", gab er an. Konkret wurden anhand der Demo folgende Vorteile sichtbar: eine taktsynchrone IO-Applikation mit einem Jitter <1µs, Plug-and-work bei Netzwerkänderungen, der einfache Anschluss von bestehenden Profinet-Geräten und eine Robustheit der Profinet-Kommunikation auch bei hohen Netzlasten.

Insgesamt ist damit der nächste Schritt eines Proof of Concepts umgesetzt, ein konsequenter Abschluss der Spezifikationsarbeiten mit Ziel Hannover Messe 2019 sowie weitere Implementierungen sind bereits unterwegs. Ebenso laufen die Vorbereitungen für entsprechende Zertifizierung-Tests.

Sebastian Hilscher erläutert auf der PI-Pressekonferenz Details zur eigenen Profinet@TSN-Lösung (Bild: VDE VERLAG)

Abbildung von Profinet auf OPC UA

Im Weiteren informierte K. Schneider über den Stand der Arbeiten der PI-OPCF-Joint Working Group, die eine Lösung für die Darstellung von Profinet-Daten im OPC-UA-Objektmodell spezifiziert: Das Review der Profinet-OPC-UA-Companion-Spezifikation steht in Kürze an. Auch hier wurde die Nutzerfreundlichkeit der Lösung bereits in der praktischen Umsetzung am Beispiel eines Multivendor-Demonstrators erprobt, der auf der SPS IPC Drives 2018 auf dem PI-Stand mehrere Anwendungen im Zusammenspiel von Profinet und OPC UA aufgezeigt hat.

Zu den wesentlichen Inhalten der Profinet-OPC-UA-Companion-Spezifikation gehören nach Abstimmungen mit Anwendern die Erfassung und Darstellung von Asset-Management- und Diagnosedaten. Sehr flexibel lässt sich diese Abbildung in verschiedenen Geräten, je nach Anforderung und Möglichkeit, konkret umsetzen.

 

OPC UA und Profinet: eine gute Kombination für Industrie 4.0 (Bild: PI)

Über bestehende, mandatory implementierte Profinet-Dienste können Asset- und Diagnosedaten von heute eingesetzten Geräten in einer Anlagensteuerung eingesammelt und über OPC UA an überlagerte Instanzen geliefert werden. Diesen Service kann auch ein Edge-Gateway, das ergänzend in der Anlage eingesetzt wird, anbieten. Der Vorteil hierbei ist, dass an der Steuerung keinerlei Änderungen vorgenommen werden müssen. Diese Use Cases sind dazu prädestiniert, typische Brownfield-Anlagen zu innovieren. Eine direkte Integration des OPC-Mappings in ein Profinet-Feldgerät ist ebenfalls möglich. Bei dieser von Kunden geforderten Verwendung von OPC UA machen sich die Basiseigenschaften von Profinet, die Offenheit für parallele TCP/IP-Kommunikation und eine umfassende Datenstrukturierung, bezahlt.

Diese Möglichkeiten sind auch Grundlage für weitere Anwendungen, wie die Implementierungen von eigenen OPC-UA-Modellierungen (beispielsweise zur Energiedatenerfassung) oder auch von standardisierten Modellen, wie Namur Open Architecture (NOA).

Bei der Ausarbeitung der Companion Spezifikation ergaben Diskussionen der Experten auf Basis der bestehenden und geplanten Anwendungen eine grundlegende Architekturfrage bei verschiedenen OPC UA-Implementierungen in einem Gerät oder Anlagen: Wie können verschiedene Aspekte eine Geräts, zum Beispiel Hardware-, Technologie-, Kommunikationssicht, sinnvoll zusammenhängend und für den Anwender nachvollziehbar dargestellt werden. Dies wird zu Erweiterungen der OPC-UA-Basisspezifikation führen und       verdeutlicht, dass PI heute wesentliche Beiträge zu Verbesserung der OPC-UA-Basisspezifikation in die Foundation trägt und durch ihr Know-how zur Industrietauglichkeit von OPC UA beiträgt.

Profinet und OPC UA können in der Kombination heute schon zusätzlichen Kundennutzen anbieten und werden in Zukunft neue Möglichkeiten wie TSN integrieren. „Die langjährige Zusammenarbeit mit der OPC Foundation, die zum Beispiel Technologien wie FDI hervorgebracht hat, wollen wir in den nächsten Jahren noch intensivieren“, betonte K. Schneider. „Wir können von unserem Know-how gegenseitig sehr profitieren und so Industrie 4.0 in der Kommunikation ermöglichen.“

Safety over OPC UA based on Profisafe

Und by the Way, Intensivierung der Zusammenarbeit mit OPCF: Als nächsten Punkt hob K. Schneider die zügige Erarbeitung der Review-Version der Spezifikation „Safety over OPC UA based on Profisafe“ für Controller-Controller-Kommunikation hervor. Damit seien die entscheidenden Schritte der grundsätzlichen Konzeption und detaillierten Spezifikationsausarbeitung getan.

Gestartet war das Projekt zur SPS IPC Drives 2017 mit einem Memorandum of Understanding basierend auf dem gemeinsamen Verständnis von PI und OPC-Foundation. In einer Joint Working Group wurden die jeweiligen Stärken gebündelt und eine fehlersichere Controller-Controller-Kommunikation erarbeitet.

"Nach der Etablierung einer Joint WG aus namhaften Firmen und Organisationen waren den Experten für funktionale Sicherheit schnell die Eckpunkte und Randbedingungen klar: Die bewährten Protokoll-Sicherungsmechanismen, zum Beispiel CRC-Prüfung, Codenames, Monitoring-Number, Watchdog-Überwachung und SIL-Monitor, konnten übernommen werden. Allerdings waren Anpassungen in den Zustandsmaschinen, den Protokoll-Datagrammen und der Initialisierung notwendig, da jetzt gleichberechtigte Controller untereinander, statt ein Controller mit unterlagerten Devices, kommunizieren", so K. Schneider.

Vor dem Hintergrund von Industrie 4.0 ist für die Akzeptanz des Standards außerdem die Unterstützung flexibler Anlagenstrukturen mit wechselnden Kommunikationspartnern von entscheidender Bedeutung. "Das ist nun gelöst: Safety over OPC UA wird beliebige Netzwerktopologien (Linie, Stern, Ring, etc.) unterstützen, wobei Verbindungen prinzipiell auch zur Laufzeit auf- und abgebaut werden können", so der PI-Chairman. Ein gegebenes Interface kann abwechselnd von verschiedenen Partnern genutzt werden. Davon profitieren unter anderem modulare Maschinen, Autonomous Guided Vehicles (AGV), Autonomous Moving Robots (AMR), Werkzeugwechsler usw. "Anders als bei allen heutigen funktional sicheren Kommunikationsprotokollen müssen nicht mehr alle Teilnehmer schon bei der Projektierung gegenseitig bekannt gemacht werden. Dadurch wird es möglich, der Anlagebeispielsweise einen neuen mobilen Roboter hinzuzufügen, ohne alle feststehenden Maschinen neu parametrieren zu müssen", gibt PI weiter an.

"Der First Draft ist ausgearbeitet und das Review in den Gremien kann starten. Wichtig ist, dass wir auch den dynamischen Aspekt in die Spezifikation eingebracht haben. Das Release ist zur Hannover Messe 2019 geplant", informierte K. Schneider zum Stand der Dinge. Eine erste Probeimplementierung als Proof of Concept wurde auf dem PI-Gemeinschaftsstand auf der SPS IPC Drives 2018 gezeigt.

Sensor-to-Cloud mit IO-Link über OPC UA

Für die Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud kommt IO-Link über OPC UA eine wichtige Rolle zu. Auch diesem Thema hat sich eine JWG angenommen und die Arbeiten an einer Companion Specification „OPC UA for IO-Link“ gestartet. "Die Wahl zugunsten von OPC UA fiel aufgrund der bereits breit akzeptierten standardisierten semantischen Beschreibung der zu übertragenden Daten und der Nähe an der ,Sprache' der Automatisierung", heißt es in einer PI-Pressemeldung.

Im ersten Schritt wurden in einer IO-Link-Arbeitsgruppe mit über 20 Unternehmen Hauptanwendungsfälle definiert. "Auf dieser Basis wurde die Companion Specification in Zusammenarbeit mit OPC-UA-Experten erstellt. Die Inhalte wurden von der OPC Foundation Spezifikation ,OPC UA Device Interface' abgeleitet, die das generische Modell eines Feldgeräts enthält. Das zugrunde gelegte Architekturmodell garantiert die Konformität mit allen anderen Feldgeräten, die auf OPC UA basieren", informierte K. Schneider.

Ein Y-Gateway” sendet Sensordaten zugleich zur Steuerung und der Cloud (Bild: PI)

Die Companion Specification wurde einem Review durch die IO-Link-Community und der OPC Foundation unterzogen, die finale Version V1.0 daraufhin erstellt und verabschiedet. Erste Implementierungen und Beispiele wurden für SPS IPC Drives 2018 erstellt.

Als nächstes Thema hat eine Arbeitsgruppe der IO-Link Community die Definition des in der IT-Welt weit verbreiteten JSON-Austauschformats für IO-Link gestartet. Mit ihm sollen Konfigurationstools herstellerübergreifend angebunden und schlanke Sensor-to-Cloud-Applikationen realisiert werden können.

www.profibus.com

 

 

 

 

 

 

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