Automatisieren mit PROFINET

Transkript

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2 Pigan/Metter Automatisieren mit PROFINET

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4 Automatisieren mit PROFINET Industrielle Kommunikation auf Basis von Industrial Ethernet von Raimond Pigan und Mark Metter 2., überarbeitete und erweiterte Auflage, 2008 Publicis Corporate Publishing

5 Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. SIMATIC, S7-300, S7-400, ET 200S, STEP 7, Safety Integrated, SIMATIC NET, SCALANCE sind eingetragene Marken der Siemens AG. Wenn Markenzeichen, Handelsnamen, technische Lösungen oder dergleichen nicht besonders erwähnt sind, bedeutet dies nicht, dass sie keinen Schutz genießen. Für eine bessere Lesbarkeit wurden die Marken sowie die internationalen Benennungen PROFINET, PROFINET IO, PROFINET CBA, PROFIBUS DP, PROFIBUS DPV1, SCADA, SCALANCE, SINEMA in allgemein üblicher Schreibweise (Groß- und Kleinbuchstaben) verwendet. Autoren und Verlag haben alle Texte in diesem Buch mit großer Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht ausgeschlossen werden. Eine Haftung des Verlags oder der Autoren, gleich aus welchem Rechtsgrund, ist ausgeschlossen. Die in diesem Buch wiedergegebenen Bezeichnungen können Warenzeichen sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann. Print ISBN epdf ISBN Auflage, 2008 Herausgeber: Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München Verlag: Publicis Corporate Publishing, Erlangen 2008 by Publicis KommunikationsAgentur GmbH, GWA, Erlangen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, Bearbeitungen sonstiger Art sowie für die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Dies gilt auch für die Entnahme von einzelnen Abbildungen und bei auszugsweiser Verwendung von Texten. Printed in Germany

6 Vorwort Die Erfolgsgeschichte von Industrial Ethernet beginnt im Jahre 1985 mit der industriellen Einführung des auf IEEE basierten SINEC H1 durch die Firma Siemens. Vor allem durch seine Leistungsfähigkeit beim Austausch großer Datenmengen ist Industrial Ethernet prädestiniert für den Einsatz in der Fertigungsleittechnik. Drei Jahre später begann die Etablierung spezieller Feldbussysteme wie Profibus für die Kommunikation in der Feldebene. Sie ermöglichen einen schnellen und zuverlässigen Datenaustausch zwischen Steuerungen und dezentralen Peripheriegeräten. Das Wachstum des zu übertragenden Datenvolumens auf Grund immer intelligenterer Feldgeräte lässt heutige Feldbussysteme jedoch an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit stoßen. Mit der ersten Vorstellung von Profinet durch die PROFIBUS Nutzerorganisation tritt Industrial Ethernet im August 2000 an, diese Grenze zu überwinden. Profinet macht den Weg frei für eine durchgängige Kommunikation von der Feld- bis in die Leitebene. Heute erfüllt Profinet als offener Industrial-Ethernet-Standard alle Anforderungen für den industriellen Einsatz. Ein Standard, der die industrielle Leistungsfähigkeit und den für Motion-Control-Applikationen erforderlichen Determinismus in der Kommunikation mit den Vorteilen der modernen Bürokommunikation vereint. Mit Profinet IO sind Automatisierungslösungen realisierbar, die bisher ausschließlich Feldbusapplikationen vorbehalten waren. Profinet CBA ermöglicht das Verteilen komplexer Automatisierungsanwendungen in überschaubare und autonom arbeitende technologische Module. In beiden Fällen können bestehende Feldbussysteme mit Hilfe von Proxies einfach in zukünftige Strukturen eingebunden werden. Profinet ist der erste Kommunikationsstandard, der sowohl Standard- als auch sicherheitsgerichtete Kommunikation über Industrial Ethernet ermöglicht. Mit dem nach IEC zertifizierten PROFIsafe-Profil erfüllt Profinet die höchsten Sicherheitsanforderungen für die Prozess- und Fertigungsindustrie nach SIL 3 und EN Kategorie 4. Profinet bietet eine komplette Lösung, vom industriegerechten Kabel und Steckverbinder, bis hin zu echtzeitfähigen Switches. Ein speziell auf die Automatisierungstechnik zugeschnittenes Security-Konzept umfasst die Bereiche Zugriffskontrolle, Datenverschlüsselung, Authentifizierung und Logging und trägt dem entstandenen hohen Bedarf an Netzwerksicherheit Rechnung. Mit Profinet wurde Industrial Ethernet neu erfunden und dessen Erfolgsgeschichte um ein weiteres Kapitel ergänzt. 5

7 Vorwort Auch in dieser zweiten Auflage des Buches war unser Ziel, den Leser in die Lage zu versetzen, sich schnell und pragmatisch in das Thema Profinet einzuarbeiten. Neben Korrekturen wurden die bisherigen Schwerpunktthemen Dezentrale Peripherie und Verteilte Automatisierung aktualisiert und das neue Thema Safety aufgenommen. Diese neue Auflage ist nur möglich gewesen durch unsere Leser und deren Interesse an diesem spannenden Thema, durch die Firma Siemens und deren freundliche Unterstützung in allen technischen Belangen, aber auch all diejenigen Personen, die in ihrer Freizeit Korrektur gelesen und durch vielerlei konstruktive Vorschläge zur stetigen Verbesserung des Buches beigetragen haben und last not least durch unsere Lieben mit deren Verständnis und Geduld, wenn es abends mal wieder länger wurde. Dafür allen ein herzliches Dankeschön! Erlangen im Dezember 2007 Raimond Pigan Mark Metter 6

8 Inhaltsverzeichnis 1 Vom Schütz zum offenen Standard Die Simatic-Erfolgsgeschichte Strukturwandel durch Dezentralisierung Der Weg zum Industrial Ethernet Industrial Ethernet Profinet Profinet IO Profinet CBA Real-Time-Kommunikation Feldbusintegration Sicherheit Motion Control mit Profinet Safety auf Profinet Ethernet Grundlagen und Protokolle Grundsätzliche Struktur von Ethernet Ethernet-Datenpaket Ethernet- oder MAC-Adresse Wie findet man die MAC-Adresse eines Ethernetgerätes heraus? Shared Ethernet Switched Ethernet Fast Ethernet Switche als intelligente Sternverteiler Die Betriebsarten Full und Half Duplex im geswitchten Ethernet Funktionen für Ethernet Autonegotiation Autosensing Automatische Erkennung der Datenrate MDI/MDI-X Autocrossover Gigabit Ethernet eine Einführung Gigabit Ethernet Power over Ethernet (PoE) Auf Ethernet basierende Protokolle für Profinet TCP/IP UDP/IP Weitere Protokolle der Vermittlungsschicht Real-Time-Kommunikation Anforderungen an ein echtzeitfähiges Ethernet Echtzeit@Profinet

9 Inhaltsverzeichnis 3.3 Real-Time-Kommunikation Sendetakt und Bandbreite Phase Untersetzungsverhältnis und Sendezyklus Frame Send Offset Real-Time-Verbindungsmanagement Isochrone Real-Time-Kommunikation Isochrone Real-Time-Technologie Projektieren von IRT-Applikationen Zeitsynchronisation Ablauf der Zeitsynchronisation Profinet-Protokollelemente Profinet ASIC Anwendungsbereich Entwicklung von Profinet IO-Devices Protokollanalyzer für Profinet Profinet IO Dezentrale Peripherie Das Profinet IO-Konzept Profinet IO-Geräteklassen Profinet IO-Gerätemodell Daten-Objekte (Data Objects) Kontext-Management (CM) Applikationsbeziehungen (AR) Kommunikationsbeziehungen (CR) Dienste und Protokolle Von der Projektierung zum laufenden System Proxyfunktionalität bei Profinet IO Profibus-Integration Von der Planung bis zum Betrieb einer Anlage Planen der Anlage Anlagen projektieren mit Simatic Step Betrieb der Anlage Diagnosefunktionen für Profinet IO Identifikations- und Maintenance-Daten (I&M-Daten) Diagnose mit Step 7 und NCM Diagnose im Anwenderprogramm des IO-Controllers Netzwerkdiagnose mit SNMP Diagnose über die Anzeigenelemente von Profinet IO-Geräten Profinet CBA Verteilte Automatisierung Der Weg zur verteilten Automatisierung Verteilte Automatisierungssysteme mit IEC Profinet CBA Profinet CBA-Konzept Profinet CBA-Objektmodell Integration von Feldbussen

10 Inhaltsverzeichnis Profinet- und Profibus-Geräte Simatic S7 und Simatic Net Produkte für Profinet CBA Profinet CBA Engineering Erzeugen von Profinet-Komponenten Verschaltung von Profinet-Komponenten mit dem Profinet CBA- Engineering Profinet-Komponenten Technologisches Modul Profinet-Komponenten Profinet-Komponententypen Komponentisierbare Gerätekonfigurationen Profinet Component Description (PCD) Erstellen der Profinet-Komponenten mit Step Erstellen eines Step 7-Basisprojektes Belastung des Anwenderprogrammzyklus durch Kommunikationsprozesse Erstellen des Profinet-Interface Erstellen von Profinet-Komponenten Das Komponentisieren Profinet CBA-Kommunikation Verschaltungen Von der Planung bis zum Betrieb einer Anlage Planen der Anlage Erstellen von Profinet-Komponenten mit Step Erstellen von Profinet-Komponenten mit dem Profinet-Komponenten-Editor Projektieren der Anlagen mit Simatic imap Inbetriebnahme und Test der Anlage Profinet CBA Diagnose Offline-Diagnose mit Simatic imap Onlinediagnose mit Simatic imap Diagnose über die Anzeigeelemente von Profinet CBA-Geräten Profinet Anwenderprogramm-Schnittstellen bei Simatic S Grundlagen Organisationsbausteine Funktionsbausteine Funktionen Datenbausteine Systemfunktionen und Systemfunktionsbausteine Datensätze Profinet IO-Datensätze Systemzustandslisten (SZL) Kodierung von Profinet IO-Diagnose- und Konfigurationsdatensätzen BlockHeader UserStructureIdentifier (USI) ApplicationProcessIdentifier (API) SlotNumber SubslotNumber

11 Inhaltsverzeichnis ChannelNumber ChannelProperties ChannelErrorType ExtChannelErrorType ExtChannelErrorAddInfo ModuleIdentNumber SubmoduleIdentNumber ModuleState SubmoduleState Profinet IO-Anwenderprogrammschnittstellen Organisationsbausteine bei Profinet IO Standardfunktionen für die Kommunikation bei Profinet IO Systemfunktionen und Systemfunktionsbausteine bei Profinet IO Spezielle Funktionen für Profinet IO Profinet CBA-Anwenderprogrammschnittstellen Organisationsbausteine bei Profinet CBA Systemfunktionen bei Profinet CBA Spezielle Funktionsbausteine und Funktionen bei Profinet CBA Profinet-Geräte und Vernetzung Passive Netzwerkkomponenten Übertragungsmedien in leitungsgebundenen elektrischen Netzwerken Elektrische Signalübertragung bei Profinet mit 100Base-TX Base-TX Technische Ausführung FastConnect Busleitungen zur Schnellmontage IE-FC-Kabel IE-FC-RJ45-Stecker Hybridstecker M12-Stecker IE FC Outlets FastConnect Stripping Tool IE-TP-Cords Systemkonfigurationen in elektrischen Netzen mit Outlets Optische Signalübertragung Base-FX Base-SX und 1000Base-LX Lichtwellenleiter Designed for Industry LWL-Steckverbindungen und dauerhafte Verbindungen Funknetzwerke mit Profinet Funktechnologie WLAN-Topologien Sicherheit bei WLAN Wired Equivalent Privacy (WEP) WEPplus Extensible Authentication Protocol (EAP) Wi-Fi Protected Access (WPA) IEEE i (WPA 2)

12 Inhaltsverzeichnis 7.6 Scalance W Die Komponenten von Scalance W Scalance W788-1PRO Scalance W788-2PRO Scalance W744-1PRO ipcf bei Scalance W CP IWLAN/PB Link PN IO Zubehör der WLAN-Geräte Scalance W konfigurieren und parametieren Sinema E (Simatic Network Manager Engineering) Aktive Netzwerkkomponenten NICs Netzwerkkarten für Programmiergeräte und PCs CP Kommunikationsprozessoren für Steuerungen in der S7-Welt Weitere Profinet-Produkte Grundsätzliches zu Hubs und Switches Switches für den industriellen Einsatz: Scalance X Router Netztopologien für Profinet-Netzwerke Stern Baum Linie Ring Aufbaurichtlinien zum Optimieren von Profinet Elektromagnetische Verträglichkeit Installationshinweise für elektrische und optische Datenkabel Projektierung von Scalance-X-Geräten Scalance X Scalance X Scalance-X100-Medienkonverter Scalance X Scalance X200 IRT Scalance X Allgemeine Regeln für den Aufbau von Profinet-Netzwerken Übersicht der grundlegenden Normen und Richtlinien zu Profinet- Vernetzung Profinet Security Scalance S Die Schutzfunktionen der Security-Module Die Firewall-Funktionalität Paketfilter Stateful Packet Inspection Application Level Gateways Network Address Translation (NAT, NAPT) Virtual Private Network (VPN) VPNs

13 Inhaltsverzeichnis 8.5 IPsec Protokoll Sicherungsarten von IPSec Schlüsselverwaltung mit Internet Key Exchange (IKE) Grenzen von IPSec Simatic Net Scalance S602, S612 und S Simatic Net SOFTNET Security Client Beispielkonfigurationen Scalance S als Firewall betreiben VPN-Tunnel mit Scalance S Sicherheitstechnik und Profinet Einführung in Sicherheitstechnik Zielsetzung der Normen und Standards Risikobeurteilung Integrierte Sicherheitstechnik Technologisches Konzept von PROFIsafe Technische Vorteile von PROFIsafe PROFIsafe im 7-Schichten-Kommunikationsmodell Aufdecken möglicher Kommunikationsfehler zum Erreichen der funktionalen Sicherheit Die PROFIsafe-fähigen Produkte von Simatic PROFIsafe und Profinet mit IWLAN Systemüberblick Profinet mit PROFIsafe Profisafe in der Praxis Programmierung von Sicherheitsprogrammen Schutz der sicherheitsgerichteten Anwendung Einbinden von Sensoren Abnahmeunterstützung Glossar Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis

14 1 Vom Schütz zum offenen Standard Vorläufer der heutigen speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS, engl. PLC: Programmable Logic Controller) waren verbindungsorientierte Steuerungen, entstanden aus den bis dato üblichen Schützsteuerungen. Bis zu diesem Zeitpunkt bestimmten Schaltkreissysteme das Bild der Steuerungen. Die Steuerungsaufgaben wurden durch Hardware-Verbindungen zwischen einfachen logischen Schaltkreisen gelöst. Dadurch war ein großer Platzbedarf für die Hardware nötig, die Flexibilität wurde jedoch stark eingeschränkt: Jede Änderung erforderte in der Regel mühsame Umbauarbeiten konzipierte eine Ingenieur-Gruppe bei General Motors die erste SPS und Anfang der 1970er Jahre gab es die ersten funktionstüchtigen speicherprogrammierbaren Steuerungen. Die ersten Geräte besaßen eine extrem starkstromnahe Ausführung und waren mit den gleichen Leitungen und Werkzeugen wie Schützsteuerungen anschließbar. Der wesentliche Nutzen lag in der hardwareunabhängigen Änderbarkeit. Anfang der 1980er Jahre kamen mikroprogrammierte und multiprogrammfähige SPS-Geräte auf den Markt und ermöglichten die Umsetzung von Steuerungsaufgaben in Form von Software-Programmen. 1.1 Die Simatic-Erfolgsgeschichte Die Siemens AG stellte 1958 mit der Simatic G, basierend auf Germanium-Halbleitern in Widerstands-Transistor-Logik (RTL: Resistor Transistor Logic), ein erstes modulares, aber noch nicht programmierbares Konzept vor (siehe Bild 1.1) folgten zunächst die Systeme Simatic N und H mit Silizium-Halbleitern in Dioden- Transistor-Logik (DTL). In einem nächsten Schritt kamen ab 1971 die Simatic C1 Bild 1.1 Simatic-G-Modul 13

15 1 Vom Schütz zum offenen Standard Bild 1.2 Simatic S5 und C2 mit integrierten Schaltungen in stör- und zerstörsicherer Logik (SZL), sowie die Simatic C3 mit Transistor-Transistor-Logik (TTL) auf den Markt. Diesen stetig verbesserten Systemen war eines gemeinsam: Sie waren allesamt nicht frei programmierbar wurde die frei programmierbare Steuerung Simatic S3 entwickelt. Diese SPS ist der Urvater der modernen SPS-Steuerungen. Mit dem System Simatic S5 erfolgte 1979 für Siemens der komplette Durchbruch in den Massenmarkt zum Weltmarktführer (Bild 1.2). Die Simatic S5 konnte über verschiedene spezielle Sprachen programmiert werden. Erstmals fanden die Anweisungsliste (AWL), der Funktionsplan (FUP) und der Kontaktplan (KOP) im Programmpaket Step5 Verwendung. Bild 1.3 Zeitliche und funktionale Übersicht der Simatic-Generationen 14