Technologien für die intelligente Automation

Transkript

1 Technologien für die intelligente Automation Technologies for Intelligent Automation Band 5 Weitere Bände in dieser Reihe

2 Ziel der Buchreihe ist die Publikation neuer Ansätze in der Automation auf wissenschaftlichem Niveau, Themen, die heute und in Zukunft entscheidend sind, für die deutsche und internationale Industrie und Forschung. Initiativen wie Industrie 4.0, Industrial Internet oder Cyber-physical Systems machen dies deutlich. Die Anwendbarkeit und der industrielle Nutzen als durchgehendes Leitmotiv der Veröffentlichungen stehen dabei im Vordergrund. Durch diese Verankerung in der Praxis wird sowohl die Verständlichkeit als auch die Relevanz der Beiträge für die Industrie und für die angewandte Forschung gesichert. Diese Buchreihe möchte Lesern eine Orientierung für die neuen Technologien und deren Anwendungen geben und so zur erfolgreichen Umsetzung der Initiativen beitragen. Herausgegeben von init Institut für industrielle Informationstechnik Hochschule Ostwestfalen-Lippe Lemgo, Germany

3 Lars Dürkop Automatische Konfiguration von Echtzeit-Ethernet

4 Lars Dürkop init Institut für industrielle Informationstechnik Hochschule Ostwestfalen-Lippe Lemgo, Deutschland Dissertation, Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg, 2016 Technologien für die intelligente Automation ISBN ISBN (ebook) DOI / Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Deutschland Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, Berlin, Germany

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für industrielle Informationstechnik (init) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe. Ich möchte an erster Stelle dem Leiter des Instituts, Herrn Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite, dafür danken, dass er durch seine Anregungen diese Arbeit erst möglich gemacht hat. Die von ihm maßgeblich geprägte Arbeitsumgebung, seine kritische Begleitung sowie die gewährten Freiräume haben in hohem Maße zum Gelingen der Arbeit beigetragen. Herrn Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay möchte ich für seine Bereitschaft danken, als Erstgutachter meine Arbeit an der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg zu betreuen. Seine detaillierten Anmerkungen während der gesamten Entstehungsphase dieser Arbeit waren für mich sehr hilfreich. Herrn Prof. Dr. Markus Bause danke ich für die Übernahme des Vorsitzes des Promotionsausschusses. Weiterhin möchte ich den Kollegen des Instituts für industrielle Informationstechnik und des Fraunhofer-Anwendungszentrums Industrial Automation meinen Dank für die vertrauensvolle Zusammenarbeit in den letzten Jahren aussprechen. Insbesondere der rege Austausch mit Herrn Dr.-Ing. Henning Trsek war mir eine große Hilfe. Bei technischen Fragen konnte ich jederzeit auf die hervorragenden Fachkenntnisse der Herren Dipl.-Ing. Markus Schumacher, Dipl.-Ing. Sergej Gamper und Dipl.-Ing. Carsten Pieper zurückgreifen. Für die praktische Evaluierung der Ergebnisse dieser Arbeit hat mir die Phoenix Contact Software GmbH Produkte aus ihrem Profinet-Portfolio zur Verfügung gestellt. Hierfür möchte ich Herrn Dipl.-Ing. Andreas Toensfeuerborn danken, welcher als verlässlicher Ansprechpartner bei jeder Gelegenheit die Unterstützung der Firma anbot. Lemgo, Dezember 2016 Lars Dürkop

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Zielsetzung Gliederung Stand der Technik und Forschung Struktur heutiger automatisierungstechnischer Anlagen Kommunikationstechnologien Grundlagen industrieller Kommunikationssysteme Feldbusse Echtzeit-Ethernet ProfinetRT ProfinetIRT Ethernet/IP EthernetPowerlink Ethercat Zusammenfassende Betrachtung der RTE-Standards Ausblick: IEEE Time-Sensitive Networking Engineering von automatisierungstechnischen Anlagen Integrationstechnologien für Feldgeräte Kommunikationsspezifische Gerätebeschreibungsdateien Electronic Device Description Language FieldDeviceTool OPC Unified Architecture Field Device Integration Bewertung Plug & Play-Konzepte in der Informationstechnik

7 viii Inhaltsverzeichnis Universal Serial Bus Universal Plug and Play Bewertung Plug & Play-Konzepte in der Automatisierungstechnik Serviceorientierte Architekturen Plug-and-Play für Echtzeit-Kommunikationssysteme Zusammenfassende Bewertung Lösungsansatz und Vorgehensweise Anforderungen Lösungsmöglichkeiten Lösungskonzept Vorgehensweise Identifizierung und Klassifizierung der notwendigen RTE-Parameter ProfinetRT ProfinetIRT Ethernet/IP Ethernet Powerlink Ethercat Konzept für die automatische RTE-Konfiguration Erkundung DPWS OPCUA Bewertung Prozessdatenzuordnung Problemstellung Lösungsansätze Fazit Umsetzung RTE-spezifischeKonzepte ProfinetRT NRT-Kanal Erkundung / Geräteeigenschaften Erkundung / Topologieeigenschaften

8 Inhaltsverzeichnis ix Adresszuweisung Scheduler Zusammenfassung Integration nativer Geräte ProfinetIRT NRT-Kanal Erkundung / Geräteeigenschaften Erkundung / Topologieeigenschaften Adresszuweisung Scheduler Zusammenfassung Integration nativer Geräte Ethernet/IP NRT-Kanal Erkundung / Geräteeigenschaften Erkundung / Topologieeigenschaften Adresszuweisung Scheduler Zusammenfassung Integration nativer Geräte Ethernet Powerlink NRT-Kanal Erkundung / Geräteeigenschaften Erkundung / Topologieeigenschaften Adresszuweisung Scheduler Zusammenfassung Integration nativer Geräte Ethercat NRT-Kanal Erkundung / Geräteeigenschaften Erkundung / Topologieeigenschaften Adresszuweisung Scheduler Zusammenfassung

9 x Inhaltsverzeichnis Integration nativer Geräte Automatische RTE-Konfiguration: Zusammenfassung Prototypische Implementierung Applikation Autokonfiguration Profildefinitionen (Datei profiles.xml) Applikationsschnittstelle (Klasse ApplicationInterface) IO-Objekte (Klassen IoObject, ApplicationIoObject, DeviceIoObject) Erkundung (Klasse Discovery) IO-Gerät (Klasse ProfinetDevice) Prozessdatenzuordnung (Klasse ProcessDataMapping) Graphische Benutzeroberfläche (Klasse GUI) Erzeugung der Konfigurationsdatei für den Profinet-Stack (Klasse GenerateControllerSettings) Profinet-Stack Evaluierung DurchführungderStudie Herkömmliche Inbetriebnahme Inbetriebnahme mittels Autokonfiguration Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 193 A Auflistung der notwendigen Parameter für die RTE-Inbetriebnahme 197 A.1 ProfinetRT A.2 ProfinetIRT A.3 Ethernet/IP A.4 Ethernet Powerlink A.5 Ethercat Literaturverzeichnis 225 Abkürzungsverzeichnis 239 Abbildungsverzeichnis 243 Tabellenverzeichnis 247