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

16 1.1 Die Simatic-Erfolgsgeschichte 1995 wurde die Simatic S7-Familie eingeführt. Simatic S7 bildet die Grundlage für Totally Integrated Automation (TIA). TIA ist eine durchgängige Lösungsplattform der Firma Siemens für alle Branchen der Industrie und umfasst ein lückenloses Angebot aufeinander abgestimmter Produkte und Lösungen zum Bearbeiten von Automatisierungsaufgaben. Im Zuge der Weiterentwicklung der Simatic S7 wuchs das Angebot durch eine in Leistung und Ausbaugrad abgestufte Reihe von Steuerungen mit den dazugehörigen Signalumformern für verschiedene Ein- und Ausgangsspannungen beziehungsweise Ausgangsströme. Mittlerweile reicht das Spektrum von kleinen Steuerungen für einfache Binäroperationen bis hin zu großen Geräten für komplexe Aufgaben, die bisher nur Prozessrechnern vorbehalten waren (siehe Bild 1.3). Eine der wichtigsten Faktoren in der Entwicklung war die einfache Handhabung des Systems. Es wurde eine robuste, lüfterlose Aufbautechnik ermöglicht, die den direkten Anschluss externer Leitungen in Schraub- oder Stecktechnik erlaubte. Aber nicht nur die Steuerungen, auch die Programmierumgebung entwickelte sich weiter. Über die Programmerstellung hinaus ermöglichen Programmiergeräte das Korrigieren und Dokumentieren der Programme, die Inbetriebnahme der Anlage und die Fehlersuche. Für das Beobachten und Dokumentieren von Funktionsabläufen war schon bald der Anschluss von Standardperipheriegeräten wie Drucker und Sichtstationen an die Steuerungen möglich. Ab ca kamen erste Windows-basierte Programmieroberflächen auf den Markt. Programmieren mit Kommentarzeilen und das strukturierte Aufbauen von SPS-Programmen waren damit möglich geworden Strukturwandel durch Dezentralisierung Der nächste Innovationssprung in der Geschichte der SPS wurde ausgelöst durch einen Strukturwandel hin zur Dezentralisierung der Ein- und Ausgänge. Maßgeblich war hier der Wunsch nach einer Reduzierung der Verkabelungskosten. Die E/A-Peripherie rückte an den Ort des Geschehens und wurde über dünne 2- oder 4-Drahtleitungen (Feldbusse) mit der zentralen Steuerung verbunden. Kleinsteuerungen erledigten jetzt einfache Aufgaben direkt vor Ort, die zentralen Steuerungen wurden entlastet. Die Steuerbefehle wurden von den Zentralgeräten über Feldbusnetze an die dezentralen Schaltgeräte weitergegeben. Mit den ersten Peripheriegeräten in der Schutzart IP 65/67 konnte auf zusätzliche Klemmenkästen verzichtet werden. Schnell zeigte sich, dass neben den dezentralen Ein- und Ausgabegeräten auch weitere Feldgeräte wie Antriebe oder Ventile für eine dezentrale Automatisierungslösung erforderlich sind. So begann Anfang der 1990er-Jahre der Standardisierungsprozess vieler Feldbusse mit dem Ziel, eine zukunftssichere und für jeden Hersteller offene Norm festzulegen. Heute lassen sich alle wichtigen Bussysteme über unterschiedliche Kommunikationsinterfaces anschließen, wobei Industrial Ethernet, Profibus und AS-Interface die wichtigsten Vertreter im europäischen Raum sind. 15

17 1 Vom Schütz zum offenen Standard 1.2 Der Weg zum Industrial Ethernet Robert Metcalf präsentierte 1976 auf der National Computer Conference seine Idee des Ethernet (Bild 1.4). Der Begriff Ethernet sollte an das alte Gedankenmodell des Lichtäthers erinnern, das die Erde umhüllt und nach alter Überlieferung das Ausbreitungsmedium für elektromagnetische Energie war. Ähnlich wie der Lichtäther sollte das Koaxialkabel als passives Medium die Nachricht eines Senders an alle angeschlossenen Teilnehmer weiterleiten. Bild 1.4 Präsentation des Ethernet vor der National Computer Conference 1980 wurde durch ein Firmenkonsortium von DEC, Intel und Xerox der sogenannte DIX-Standard publiziert. Er ersetzte den bis dato experimentellen Zustand des Ethernets durch ein offenes, voll spezifiziertes 10-Mb/s-System. Die Standardisierung erfolgte 1985 vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) unter der Nummer als Vernetzungsstandard für LAN (Local Area Networks). Damit war der Weg frei für die Etablierung als Industriestandard. Das sogenannte Ethernet ist grundsätzlich eine Datenrahmen-basierte Datennetztechnologie. Ethernet erlaubt jedem, an ein LAN angeschlossenen Teilnehmer, mit jedem anderen Gerät, das in diesem Netz angeschlossen ist, Daten in Form sogenannter Datenrahmen (Frames) oder Pakete auszutauschen. Heute verbindet die Ethernet-Technologie Geräte über weite Entfernungen über den gesamten Globus. Das Internet basiert komplett auf dieser Technologie. Ethernet beschreibt die Signalisierung und legt Paketformate und Protokolle fest. Ebenso spezifiziert es in verschiedenen Ausprägungen Festlegungen für Medien wie Kabeltypen und Stecker. Aus Sicht des OSI-Modells spezifiziert Ethernet sowohl die physikalische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2). Ethernet ist weitestgehend in der IEEE-Norm standardisiert. Es wurde ab den 1990er Jahren zur meist verwendeten LAN-Technologie und hat alle anderen LAN- Standards wie Token Ring, FDDI und ARCNET verdrängt. Ethernet kann die Basis für Netzwerkprotokolle wie z. B. TCP/IP, AppleTalk oder DECnet bilden. 16

18 1.2 Der Weg zum Industrial Ethernet Im Laufe der Zeit wurden einige Ergänzungen des Ethernet-Standards eingeführt, insbesondere hinsichtlich Verkabelung und Geschwindigkeit. Das ursprüngliche Ethernet 10Base5, inzwischen auch Thicknet genannt, hat heute keine Bedeutung mehr. Dem Thicknet folgte mit 10Base2 Thinnet, auch Thinwire oder Cheapernet genannt. 10Base2 verwendete wesentlich dünnere und damit billigere Koaxialkabel und erreichte damit eine sehr große Verbreitung. Es ist bis heute in Privat- oder alten Büronetzwerken anzutreffen begann der Siegeszug des Twisted-Pair-(TP)-Standards. Mit 10Base-T und der damit möglichen Datenübertragungsrate von 10 Mb/s erreichte Ethernet den endgültigen industriellen Durchbruch. Die Fast-Ethernet-Story begann im Juni Mehr als 50 Hersteller schlossen sich zur Fast Ethernet Alliance zusammen, mit dem gemeinsamen Ziel ein 100- Mb/s-Ethernet zu spezifizieren. Dieses Ziel wurde im Juni 1995 mit der Verabschiedung des Fast-Ethernet-Standards IEEE 802.3u (100Base-T) für Datenübertragungen mit 100 Mb/s auf verdrillten Leitungspaaren erreicht wurde in einem weiteren Schritt die Standardisierung von Gigabit Ethernet abgeschlossen, gefolgt vom Standard IEEE 802.3ae für 10-Gigabit-Ethernet aus dem Jahr Mittlerweile ist Ethernet mit einem stetig ansteigenden Anteil von weltweit heute über 80% das Netzwerk Nummer eins in der LAN-Landschaft Industrial Ethernet Noch im Jahr der Verabschiedung als IEEE Standard führte die Siemens AG 1985 Ethernet unter dem Namen SINEC H1 in der Industrie ein. Das war die Geburtsstunde des Industrial Ethernet. Die Industrie-Einführung war notwendig, da sich die Einsatzbedingungen von Ethernet im industriellen Umfeld grundlegend von denen einer Büroumgebung unterscheiden, durch: anlagenspezifische Kabelführung mit individuellem Vernetzungsgrad für jede Maschine /Anlage sowie linienförmige oder redundante Netzstrukturen, robuste und industriegerechte Komponenten mit Meldekontakten, Kabel und Steckverbinder mit besonderen Anforderungen an deren EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) sowie Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Vibrationen, Feuchte und Verschmutzung (Öl, Schmier-, Kühl-, Reinigungsmittel). SINEC H1 verfügte im Gegensatz zum konventionellen Ethernet über eine deutlich höhere Störfestigkeit, feste Schraubverbindungen und ein anlagenweites Erdungskonzept. Es zeigt als erstes Beispiel die Grundidee von Industrial Ethernet: Vorhandene Standards werden genutzt, um notwendige und nutzbringende Details für die industrielle Kommunikation zu ergänzen. Es wird nur dort vom Standard abgewichen, wo die normativen Festlegungen die Anforderungen im Fertigungs- und Prozessumfeld nicht berücksichtigen. Auf diese Weise ist das problemlose Zusammenspiel von Industrial Ethernet mit konventionellen Ethernet- Komponenten in jedem Fall gegeben. 17

19 1 Vom Schütz zum offenen Standard Meilensteine der Geschichte von Industrial Ethernet: 1985 SINEC H1-Buskabel: Standard Yellow Cable mit zusätzlichem massiven Aluminiumschirm ausgestattet; anlagenweites Erdungskonzept Redundante Busstruktur: erhöhte Verfügbarkeit des Netzes durch Doppelbus-Struktur; Steuerung des Zugriffes über spezielle Software in den Automatisierungssystemen Lichtwellenleiter-Netzwerke: modularer Sternkoppler und robuste Lichtwellenleiter für die Industrie Redundante optische Ringe: hohe Verfügbarkeit durch optische Ringe mit Sternkopplern; Ringstruktur senkt die Kosten für Medienredundanz im Netz Industrial Twisted Pair: verdrillte Zweidrahtleitungen mit extra dichter Schirmung; Anschlüsse mit Sub-D-Technik Optimierte optische Komponenten und einheitliches Meldekonzept: OLM Optical Link Module, ein Hutschienen-Sternkoppler bringt Kostenvorteile bei vergleichbarer Redundanz-Funktionalität. Für OLM und Sternkoppler stehen digitale Meldekontakte zur Verfügung, über die Netzzustände in ein vorhandenes B&B-System (z. B. WIN CC) eingebunden werden können, teures Netzwerkmanagement entfällt Switching und 100 Mb/s: Bewährte Industrial-Ethernet-(IE)-Konzepte werden nun auch für Fast Ethernet angeboten. Die Informationstechnologie wird in der industriellen Kommunikation eingeführt (Simatic Net-CP IT für Simatic S7-400) Simatic S7 goes IT CP IT verbindet die Simatic mit dem Internet Mobile Kommunikation startet in der Industrie: Mit dem Internet-Pad MOBIC werden mobile Anwendungen über Wireless LAN realisiert Profinet: Mit Link-Modulen für Profibus und Ethernet wachsen beide Bussysteme zusammen. Eine komponentenbasierte Automatisierung wird möglich Profinet: Industrial Ethernet wird echtzeitfähig Profinet startet im Feld durch viele Automobilhersteller setzen Profinet als Standard für zukünftige Applikationen. 1.3 Profinet Vier Jahre nach seiner ersten Ankündigung auf einer Pressekonferenz der Profibus Nutzerorganisation e.v. (PNO) im August 2000 steht die Basis für Profinet (PROcess FIeld NET) zur Verfügung. Dazu gehören die Installationstechnik, Real-Time- Kommunikation, Netzwerkmanagement sowie Funktionen zur Web-Integration (Bild 1.5). 18

20 1.3 Profinet Bild 1.5 Profinet als modulares Konzept Für die optimale Unterstützung unterschiedlicher Anwendungsfälle bietet Profinet die beiden Sichtweisen Profinet IO für die Integration dezentraler Peripherie und Profinet CBA für die Erstellung modularer Anlagen in der verteilten Automatisierung. Durch sein Proxy-Konzept ermöglicht Profinet eine nahtlose Integration von Feldbus-Systemen. Dies ist eine wichtige Funktion, um Anlagenerweiterungen auf einfachem Wege vornehmen zu können. Profinet stellt jedoch viel mehr dar als ein für die Automatisierungstechnik optimales Kommunikationssystem auf Basis von Industrial Ethernet (Bild 1.6). Profinet ist ein umfassender Standard, der alle Anforderungen für den Einsatz von Ethernet in der industriellen Automatisierung von der Kommunikation auf Controller-Ebene über die Standardautomatisierung mit IO-Systemen bis hin zu leistungsfähigen Motion-Control-Anwendungen erfüllt. Damit eignet sich Profinet für alle Anwendungen der Automatisierung. ORPC Bild 1.6 Profinet im ISO/OSI 7-Schichten-Modell 19

21 1 Vom Schütz zum offenen Standard Die Entwicklung von Profinet geht kontinuierlich weiter. In Arbeit sind Festlegungen zu den Themen Security und Safety sowie die Umsetzung des Profidrive- Profils auf Profinet, um Motion-Control-Anwendungen zu ermöglichen. Gestartet wurde auch das Thema Maintenance Operations als erster Schritt hin zu einer Schnittstelle zur MES-Ebene. Hinsichtlich Prozessautomation werden derzeit Anforderungen für den Einsatz von Profinet festgelegt. Mit der Gründung der Working Group (WG) Train Applications wurden Arbeiten für das erste reinrassige Profinet-Profil aufgenommen. Bei Profinet war darüber hinaus die frühzeitige Einführung der Zertifizierung von Produkten sehr wichtig. Sie ist eine die Technologieentwicklung begleitende Maßnahme, durch die ein hoher Qualitätsstandard von Profinet-Produkten von Beginn an gewährleistet wird Profinet IO Mit Profinet IO ist die Einbindung dezentraler Feldgeräte direkt am Ethernet möglich. Alle verwendeten Geräte werden in einer einheitlichen Netzwerkstruktur angeschlossen und bieten so eine durchgängige Kommunikation in der gesamten Produktionsanlage. Die Anwendersicht von Profibus DP bei Projektierung, Programmierung und Gerätediagnose wurde dabei weitestgehend übernommen. Profinet IO spezifiziert den gesamten Datenaustausch zwischen IO-Controllern und den IO-Devices sowie deren Parametrierung und Diagnose. Es ist ausgelegt für einen schnellen Datenaustausch mit Buszyklus-Zeiten von wenigen Millisekunden und basiert auf einem Provider-Consumer-Modell. Feldgeräte in einem unterlagerten Profibus-Strang können über einen Proxy in das Profinet IO-System eingebunden werden Profinet CBA Profinet CBA (CBA: Component Based Automation) definiert eine weitere Sichtweise auf eine Automatisierungsanlage. Der Grundgedanke von CBA ist, dass in vielen Fällen eine gesamte Automatisierungsanlage in autonom arbeitende Teilanlagen, sogenannte technologische Module, gegliedert werden kann. Der Aufbau und die Funktionalität können sich dabei durchaus in mehreren Anlagen in identischer oder leicht modifizierter Form wiederfinden. Solche technologischen Module sind normalerweise durch eine überschaubare Anzahl von Eingangssignalen gesteuert. Sie besitzen eine durch ein vom Anwender geschriebenes Steuerprogramm definierte Funktionalität und geben die so erzeugten Ausgangssignale an eine andere Steuerung aus. Profinet-Komponenten sind die Repräsentanten eines solchen Moduls mit seinen Ein- und Ausgängen im Engineeringsystem. Sie werden herstellerunabhängig erzeugt und die Kommunikation eines komponentenbasierten Systems wird projektiert. Profinet CBA unterstützt azyklische und zyklische Kommunikation und ist 20

22 1.3 Profinet mit Übertragungszyklen von bis zu 10 ms sehr gut für die Kommunikation zwischen Controllern geeignet Real-Time-Kommunikation Die Profinet-Kommunikation ist in drei Stufen skalierbar. Profinet CBA nutzt sowohl TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) als auch Real-Time- Kommunikation (RT) und ermöglicht Zykluszeiten in der Größenordnung von 100 ms (TCP/IP) bis zu 10 ms (RT). Sie wird vorzugsweise zur Kommunikation zwischen Controllern verwendet. Profinet IO verwendet ausschließlich Real-Time-Kommunikation zum Prozessdatenaustausch. Durch die so erreichten Zykluszeiten in der Größenordnung von 10 ms ist Profinet IO sehr gut für den Einsatz im Bereich dezentraler Peripherie (Factory Automation) geeignet. Die isochrone Real-Time-Kommunikation (IRT) erlaubt Zykluszeiten in der Größenordnung von 1 ms und eignet sich damit sehr gut für den Einsatz im Motion- Control-Bereich. Profinet CBA beinhaltet im Wesentlichen die komponentenbasierte Kommunikation über TCP/IP und die RT-Kommunikation mit Komponenten. Profinet IO nutzt die RT- und die IRT-Kommunikation mit der dezentralen Peripherie Feldbusintegration Profibus blickt bereits heute auf eine installierte Basis von über zehn Millionen Knoten zurück. Mit der damit erreichten Weltmarktführerschaft geht gleichzeitig die Verpflichtung einher, eine einfache und nahtlose Übergangsstrategie zur Anbindung bestehender Profibus-Systeme an Profinet anzubieten. Zu diesem Zweck unterstützt Profinet ein Proxy-Konzept, das es prinzipiell ermöglicht, beliebige installierte Feldgeräte ohne Änderungen in Profinet zu integrieren. Ein Proxy besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptteilen, einem Ethernet-basierten Teil und einem Feldbusteil, beispielsweise einem Profibus DP-Master. Dieser sorgt dafür, dass alle IO- und Diagnosedaten mit den projektierten Slaves ausgetauscht werden. Das Ergebnis legt der DP-Master in einem gemeinsamen Speicher ab. Bei Profinet CBA z. B. greift der Profinet-Teil des Proxys auf diesen Speicher zu und überträgt die dort vorliegenden Daten über projektierte Verschaltungen an die jeweiligen Consumer. Ist der Consumer im Profibus-Teil zu finden, überträgt der Profibus DP-Master die eingehenden Verschaltungsdaten im nächsten Profibus-Zyklus an den jeweiligen DP-Slave Sicherheit Im Bereich der Automatisierung ist seit einiger Zeit der Trend weg von vergleichsweise isolierten Zellen- oder Insellösungen und hin zu vernetzten und zunehmend homogenen Automatisierungsstrukturen erkennbar. Prinzipiell ist es be- 21

23 1 Vom Schütz zum offenen Standard reits heute möglich, von jedem beliebigen Ort aus mit jedem beliebigen Automatisierungsgerät zu kommunizieren. Das zieht zum einen ein steigendes Potenzial an Fehlermöglichkeiten sowohl während des Betriebs als auch bei der Geräteadressierung nach sich, zum anderen wächst die Zahl potenzieller Spionage- und Sabotagemöglichkeiten. Die zunehmende Nutzung von Ethernet im automatisierungstechnischen Umfeld, die Möglichkeiten der Fernwartung über Internet sowie die Vernetzung des Anlagennetzes mit Büro-Netzen oder einem firmeneigenen Intranet, machen da keine Ausnahme. Da Sicherheitskonzepte aus dem Büro-Bereich den besonderen Anforderungen im Automatisierungsumfeld kaum Rechnung tragen, ist für die Automatisierungstechnik die Entwicklung neuer Sicherheitskonzepte notwendig. Diese Konzepte müssen einfach bedienbar und auf die speziellen Bedürfnisse, Protokolle und Netztopologien der Automatisierungstechnik zugeschnitten sein, da selbst kurzfristige Netzwerkstörungen Produktionsausfälle hervorrufen und massive Schäden bei Mensch und Maschine verursachen können. Das Profinet Security-Konzept trägt dem höheren Bedarf an Netzwerksicherheit in Ethernet-basierten Automatisierungssystemen Rechnung. Dieses Konzept umfasst die Bereiche Zugriffskontrolle, Datenverschlüsselung, Authentifizierung sowie Logging von sicherheitsrelevanten Ereignissen. Der Kern des Security-Konzeptes besteht in einer sicherheitstechnisch motivierten Segmentierung des Automatisierungsnetzwerks. Es werden so geschützte Automatisierungszellen gebildet. Die Netzknoten innerhalb einer Zelle werden durch spezielle Security-Netzkomponenten wie Switches oder Security Appliances, geschützt. Diese Netzkomponenten kontrollieren den Datenverkehr von und zu einer solchen Zelle und lassen ihn nur dann zu, wenn er zuvor durch Zugriffsberechtigungen autorisiert wurde. Für den Zugriff mit Client-PCs auf geschützte Automatisierungsgeräte kann eine spezielle Security-Client-Software verwendet werden. Die Endgeräte benötigen damit keine eigene Security-Funktionalität. Der Datenverkehr zwischen den geschützten Zellen bzw. zwischen dem Client und den Zellenknoten kann darüber hinaus verschlüsselt und so zuverlässig vor Datenspionage oder Datenmanipulation geschützt werden. Dies ist vor allem interessant bei Kommunikation über unsichere Netzwerke, wie es z. B. bei Remote Access über Internet bei Serviceeinsätzen der Fall ist Motion Control mit Profinet Die Leistungsfähigkeit von Profinet ermöglicht Motion-Control-Anwendungen mit einer höheren Achsenanzahl, größeren Datenmengen und kürzeren Zykluszeiten. Entsprechende Aktivitäten zur Umsetzung in Profinet hat die Working Group Profidrive der PNO im Sommer 2004 aufgenommen. Ziel der Aktivitäten ist, das bei Profibus etablierte Profidrive-Profil so auf Profinet abzubilden, dass ein einfacher Umstieg möglich ist. 22

24 1.3 Profinet Die Funktionalität und Schnittstellenmodellierung bleiben konsistent erhalten. verwendet die bekannten Anwendungsszenarien und eine unveränderte Anwendersicht, so dass keine Änderung des Anwenderprogramms bei der Umrüstung von Geräten notwendig ist. Hinsichtlich der Kommunikation setzt auf RT und IRT Safety auf Profinet Die Sicherheitstechnik ist zentraler Bestandteil vieler Automatisierungssysteme. Während sie in der Vergangenheit mit klassischer Relais-Technik gelöst wurde, geht die Tendenz heute hin zur Integration in offene, standardisierte Kommunikationssysteme. Spezialbusse werden immer weniger akzeptiert. So fordert z. B. die Automobil-Industrie eine rasche Umsetzung der sicheren Profinet-Kommunikation. Vor diesem Hintergrund wurden von der PNO Mitte 2004 Aktivitäten für eine anwendergerechte sichere Datenübertragung für Profinet IO initiiert. Die Draft-Spezifikation wurde zur Hannover Messe 2005 zum Review durch die Mitglieder fertig gestellt. Die notwendige Abstimmung mit TÜV und dem Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz (BGIA) wurde bereits aufgenommen. Basierend auf Profinet IO wird das Protokoll des bewährten PROFIsafe verwendet und damit vom Black Channel -Prinzip Gebrauch gemacht. Die Safety-Lösung wird einsetzbar sein für Sicherheitsanwendungen bis Kategorie 4 und SIL3 (Safety Integrity Level 3). 23

25 2 Ethernet Grundlagen und Protokolle Profinet basiert auf der Ethernet-Technologie und setzt auf Standards wie TCP/IP auf. Zum besseren Verständnis von Profinet ist es wichtig, diese Grundlagen zu kennen und anzuwenden. Es würde den Rahmen dieses Buches weit sprengen, das physikalische Ethernet mit allen nötigen Protokollen komplett und ausführlich zu behandeln. Wir möchten jedoch die wichtigsten Informationen zu Ethernet und den Basisprotokollen hier aufführen, so dass Sie die nötigen Hintergründe verstehen und anwenden können. 2.1 Grundsätzliche Struktur von Ethernet Beim klassischen Ethernet sind alle Netzwerkteilnehmer gleichberechtigt, so dass jeder Teilnehmer zu jeder Zeit mit einem anderen Teilnehmer Daten beliebiger Größe austauschen kann. Da das klassische Ethernet eigentlich als logisches Bus-System konzipiert ist, wird ein sendender Netzwerkteilnehmer von allen anderen Teilnehmern gehört. Jeder Ethernet-Teilnehmer filtert die für ihn bestimmten Datenpakete heraus, alle anderen werden von ihm ignoriert. Alle Teilnehmer teilen sich somit das Übertragungsmedium und sind in der sogenannten Kollisionsdomäne zusammengefasst. Die Steuerung für den Netzzugriff erfolgt über das CSMA/CD-Verfahren (Carrier-Sense Multiple Access Collision Detection). Möchte ein Netzwerkteilnehmer Daten übertragen, prüft er zuerst, ob das Netz frei ist (carrier sense). Falls ja, wird mit der Datenübertragung begonnen. Gleichzeitig wird überprüft, ob andere Teilnehmer ebenfalls begonnen haben zu senden (collision detection). Ist dies der Fall, kommt es zu einer Datenkollision. Nun stellen alle beteiligten Netzwerkteilnehmer die Datenübertragung ein und warten eine nach einem Zufallsprinzip gebildete Zeit ab. Nach Ablauf dieser Zeit wird ein erneuter Übertragungsversuch gestartet. Aufgrund des CSMA/CD-Verfahrens ist die Übertragungszeit von Datenpaketen stark von der Netzauslastung abhängig und nicht vorher bestimmbar. Je mehr Kollisionen stattfinden, desto langsamer wird das gesamte Netzwerk. Shared Ethernet mit Kollisionen eignen sich daher nur bedingt für die industrielle Automation. Im industriellen Bereich setzt man daher auf Segmentierung (Aufteilung der Kollisionsdomänen), höhere Bandbreiten wie Fast Ethernet und Gigabit Ethernet sowie auf die Switching-Technologie. All diese Technologien finden bei Profinet Anwendung, so dass Ethernet für die industrielle Automation interessant und nutzbar wird. Prinzipiell ist Profinet Ethernet ein Netzwerk aus Teilnehmern, die über Netzwerkkomponenten mittels Leitungen über Punkt-zu-Punkt-Kopplungen miteinan- 24

26 2.2 Ethernet-Datenpaket der verbunden sind. Die Teilnehmer mit ihrer NIC (Network Interface Card bei Automatisierungssystemen CPs Kommunikationsprozessoren) bilden die Endpunkte des Netzwerkes. Um die Daten zwischen den Endpunkten zu vermitteln, sind Netzwerkkomponenten wie Hubs, Switches oder Router nötig. Die Verdrahtung zwischen Netzwerkkomponenten und Teilnehmern findet meist über verdrillte Kupferaderleitungen mit einer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mb/s (Fast Ethernet) statt. Durch die Verwendung von getrennten Sendeund Empfangsleitungen (Einbahnstraßen) sind die Teilnehmer in der Lage, gleichzeitig Daten kollisionsfrei zu senden und zu empfangen. Diese Kommunikationsart nennt man Full-Duplex-(FDX)-Kommunikation (gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten). Bei Full Duplex liegt immer ein sternförmiger Aufbau zugrunde, bei der stets zwei Komponenten über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung miteinander verbunden sind. Das Netzwerk wird dann aus vielen Punkt-zu-Punkt- Verbindungen gebildet. Somit wird die eigentliche Zugriffssteuerung auf die Verbindung der zwei Teilnehmer der Punkt-zu-Punkt-Verbindung reduziert. In diesem Netzwerk werden die Leitungen zu den Kommunikationspartnern immer bedarfsgerecht mit speziellen Netzwerkkomponenten, sogenannten Switches geschaltet. Dieses Prinzip wird als Switched Media bezeichnet. Profinet bedient sich bei Ethernet immer einer 100-Mb/s-Fast-Ethernet-Verbindung in Full Duplex in einem Switched Netzwerk. 2.2 Ethernet-Datenpaket Beim Ethernet handelt es sich um ein sogenanntes paketvermittelndes Netzwerk. Dies bedeutet, dass die zu übertragenden Daten in kleinere Einheiten aufgeteilt Präambel 7 Bytes zur Synchronisierung der Stationen ( ) SD (Start Delimiter) 1 Byte zur Beendigung des Einschwingvorgangs ( ) Zieladresse 6 Bytes zur Identifikation der Zielstation (MAC-Adresse) Quelladresse 6 Bytes zur Identifikation der Datenquelle der Zielstation (MAC-Adresse) Länge 2 Bytes Längenfeld Datenfeld Byte Nutzdaten. Dieses Feld enthält die Daten und Header, die von den darüber liegenden Schichten übergeben wurden. Es enthält: DSAP: Ziel-Service-Access Point (1 Byte) SSAP: Quell-Service-Access Point (1 Byte) Info: Steuerungsfeld (1 Byte) Daten: Nutzdaten (variabel) Prüfsumme 4 Bytes Prüfsumme. Diese wird für die Kontrolle der korrekten Übertragung der Daten gebildet und verwendet. Bild 2.1 Ethernet-Datenpaket, IEEE