Automation and Network Solutions Interoperabilität in PROFInet en Hirschmann Interoperabilität White Paper Rev. 1.2
Inhalt Interoperabilität in PROFInet-en 1 Einleitung 3 2 Interoperabilität 7 2.1 Switches vs. Hubs 7 2.2 Übertragungsgeschwindigkeit 7 2.3 Auto-negotiation 8 2.4 Multicast Filtering 8 2.5 VLAN Unterstützung 8 2.6 Port Mirroring 9 2.7 Netzwerkmanagement 9 2.8 Redundanz 9 2.9 Zusammenfassung 10 3 Tests und en 11 3.1 Hirschmann-Switches in PROFInet-en 11 White Paper 2 / 9
Interoperabilität in PROFInet-en 1 Einleitung Der Grundstein für PROFInet wurde von der Nutzerorganisation Profibus International (PI) im Jahr 2000 gelegt. PROFInet ist eine Automatisierungsarchitektur, die die Kommunikation von der Feldebene zur Leitebene unter Einbeziehung von Feldbussystemen und Industrial Ethernet definiert. PROFInet beschreibt als Kernelemente ein Enigneering-Modell und die Kommunikation zwischen den Komponenten. Die Entwicklung wird sehr stark von Siemens getrieben. Engineering-Modell Mit PROFInet lassen sich Geräte, Maschinen oder Anlagen in technologische Module aufteilen. Um die internen Funktionen dieser technologischen Module zu konfigurieren und zu programmieren, werden herstellerspezifische Programme benutzt. Die Funktionalität der Module ist in Software-Komponenten gekapselt, den sogenannten PROFInet Komponenten (XML-Dateien). Jede PROFInet-Komponente ist über eine einheitlich definierte Engineering-Schnittstelle anzusprechen. Sie beinhaltet die technischen Variablen der Komponente. Aufgrund der standardisierten Schnittstelle lassen sich PROFInet-Komponenten und somit auch Geräte, Maschinen sowie Anlagen unterschiedlicher Hersteller in beliebiger Weise kombinieren. Die Kommunikationsbeziehungen zwischen den PROFInet-Komponenten werden in einem Engineering- Tool, dem sogenannten Verschaltungseditor, in graphischer Form verbunden. Auf diese Weise lassen sich die unterschiedlichen en zu einem System zusammenführen. Anschließend werden die Verschaltungsinformationen in die Geräte übertragen. Danach kennt jedes Gerät seine Kommunikationspartner, Kummunikationsbeziehungen und Daten, die mit den Partnern auszutauschen sind. Herstellerspezifische Programmier- und Konfigurationssoftware C Hersteller Z Component Editor Interface Profinet-Komponente C B A Verbindungseditor B Hersteller Y Component Editor Interface A Hersteller X Component Editor Interface XML-Dateien Figure PROFInet-1: Generierung von PROFInet-Komponenten und Kommunikationsverbindungen White Paper 3 / 9
Kommunikation zwischen den Komponenten PROFInet basiert auf Industrial Ethernet und der Einbindung offener Feldbussysteme. Die Integration von Feldbusgeräten und Feldbussystemen ist über sogenannte Proxy s möglich. Dabei repräsentiert ein Proxy die Funktionalität der Feldbusgeräte bzw. des Feldbussystems im Industrial Ethernet-Netzwerk. Um der Forderung nach unterschiedlichen Netzwerk-Topologien wie Linien-, Ring-, Stern- und Baumstrukturen gerecht zu werden, kommen in PROFInet-en vorrangig Switches zum Einsatz. PROFInet Industrial Ethernet SPS Proxy Feldbus, z.b. Profibus Figure PROFInet-2: Elemente der PROFInet-Architektur Bezüglich der Kommunikation bietet PROFInet drei Leistungsklassen, die in den Spezifikationen V1 bis V3 beschrieben sind. Laut Profibus International lassen sich alle drei Klassen in einem System kombinieren. In der PROFInet-Version 1 sind sowohl Feldbusse wie Profibus-DP als auch Industrial Ethernet beschrieben. Der auf Ethernet basierende Teil der Kommunikation wird auch als Profinet Non Real Time (NRT) bezeichnet. PROFInet Real Time (RT) wurde für zeitkritische en in der Fertigungsautomatisierung entwickelt, die auf Ethernet aufsetzen. Diese Variante spezifiziert zwei Kommunikationskanäle. Dabei dient ein Kanal weiterhin der Kommunikation zeitunkritischer Daten über TCP/IP. Über den zweiten Kanal werden zeitkritischen Daten übertragen. Dieser sogenannte Real-time Kanal basiert auf optimierten Protokollen. Sie ersetzen die Layer 3 und 4 des OSI Referezmodells. Durch die Optimierungen lassen sich mit PROFInet RT Zykluszeiten von 5 bis 10ms erzielen, welche den Echtzeitanforderungen in der Fertigungsautomatisierung entsprechen. White Paper 4 / 9
PROFInet Isochrone Real Time (IRT) ist für Motion Conrol en konzipiert, wo extrem hohe Echtzeitanforderungen gefordet sind. Das Ziel von Profinet IRT ist, mehr als 50 Achsen mit Zykluszeiten von 1ms und einem Jitter kleiner 1µs bei gleichzeitiger Übertragung von Daten über einen TCP/IP-Stack zu steuern. Dieses Ziel ist nicht durch weitere Optimierungen der Software zu erreichen. Aus diesem Grund basiert PROFInet IRT auf einem ASIC. Dieser ASIC trägt die Bezeichnung ERTEC. Laut Angaben von Profibus International soll dieser ASIC sowohl Profinet RT als auch Profinet IRT unterstützen und mit zwei bzw. vier Ethernet-Ports angeboten werden. Die 4-Port Variante ist für den Einsatz in Antriebssteuerungen sowie Switches gedacht. Die 2-Port Variante soll in Antrieben eingesetzt werden, um so eine Linien- bzw. Ringtopologie zu ermöglichen. Der Einsatz von ERTEC ASICs in Remote I/Os oder anderen Geräten ist nur im Zusammenhang mit Motion Control en erforderlich. Ethernet-Switches die einen ERTEC ASIC nutzen und somit PROFInet IRT unterstützen, sollten auch IEEE802 Standards unterstützen. So können sie als Übergang zwischen Profinet IRT Segmenten und den klassischen Bereichen der Fertigungsautomatisierung dienen, die beispielsweise auf Profinet RT und Profinet NRT basieren. PROFInet RT PROFInet IRT IT z.b. HTTP SNMP DHCP PROFInet Standard Daten Echtzeit Daten IT z.b. HTTP SNMP DHCP PROFInet Standard Daten Echtzeit Daten TCP/UDP TCP/UDP IP RT IP Ethernet (Controler, etc.) Ethernet (ASIC) SRT RT Echtzeit Switch Switch Figure PROFInet-3: Kommunikationskanäle bei PROFInet RT und IRT Prototypen, die PROFInet IRT unterstützen wurden zur Jahresmitte erwartet. Mit serienreifen Produkten ist laut Profibus International erst gegen Ende 2005 zu rechnen. Zusammenfassend gesagt, die Ethernet-basierende Kommunikation bei Profinet unterscheidet die drei Leistungsklassen: 1. zeitunkritische Daten (Profinet NRT) 2. zeitkritische Prozessdaten in der Fertigungsautomatisierung (Profinet RT) und 3. besonders zeitkritische Daten für Motion Control en (Profinet IRT) White Paper 5 / 9
Hirschmann Switches unterstützen Profinet en für zeitkritische Daten in der Fertigungsautomatisierung und für zeitunkritische Daten. Sobald der ERTEC ASIC am Markt verfügbar ist, werden Switches von Hirschmann auch Profinet en für Motion Control en unterstützen. Darüber hinaus wird Hirschmann Switches anbieten, die sich in einem Profinet System wie Profinet Teilnehmer verhalten. Voraussetzung hierfür ist allerdings die Erweiterung der bestehenden Profinet I/O Spezifikation, an der bereits gearbeitet wird. 2 Interoperabilität 2.1 Switches vs. Hubs Profibus International weist auf die einfache Auslegung des Netzes durch den Einsatz von Switches hin. Ein Switch kann im Gegensatz zu einem Hub Daten in Sende- und Empfangsrichtung sowie an mehreren Ports gleichzeitig übertragen. So entstehen sehr viele kleine Kollisionsdomänen, was die Berechnung der Kabellängen erheblich vereinfach. Für PROFInet SRT -en schreibt Profibus International den Einsatz von Switches zwingend vor. Denn nur so lassen sich die erforderlichen Bandbreiten erzielen. Hirschmann hat die Vorteile von Switches sehr früh erkannt und unterstützt die Empfehlungen von Profibus International bezüglich dem Einsatz von Switches in Ethernet basierenden Netzen. PROFInet Geräte sind in der Regel Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die mit den Bedingungen in Büroräumen nicht zu vergleichen sind. So müssen auch Ethernet-Switches, die in einer PROFInet- arbeiten, den elektrischen (EMV, 24 DC Versorgung,...) und mechanischen Anforderungen (Montage, Vibration,...) von Maschinen und Anlagen in einer industriellen Umgebung gerecht werden. Hirschmann bietet eine Vielzahl von industriegerechten Switches und Komponenten an, die einen sicheren Betrieb und eine einfache Installation in industrieller Umgebung gewährleisten. 2.2 Übertragungsgeschwindigkeit Switches in einer PROFInet- müssen Fast-Ethernet-Ports (100Mbit/s) haben, die auch 10Mbit/s Ethernet unterstützen. Nur so lassen sich ältere Geräte oder Anlagenteile problemlos integrieren. Außerdem sollten PROFInet geeignete Switches priorisierte Telegramme gemäß IEEE802.1Q unterstützen. Hirschmann-Switches unterstützen Ethernet (10Mbit/s), Fast-Ethernet (100Mbit/s) und Gigabit-Ethernet (1000Mbit/s) sowie priorisierte Telegramme gemäß IEEE802.1Q. White Paper 6 / 9
2.3 Auto-negotiation Switches, die für den Einsatz in einer PROFInet- vorgesehen sind, sollten auto-crossing, autonegotiation und auto-polarity unterstützen. Diese Funktionen dienen der automatischen Korrektur von Verdrahtungsfehlern bei Twisted Pair-Kabeln. Hirschmann-Switches unterstützen auto-crossing, auto-negotiation und auto-polarity. Anmerkung: Um eventuelle Inkompatibilitäten zu vermeiden, sollte auto-negotiation abschaltbar sein. 2.4 Multicast Filtering Multicast Filtering ermöglicht einem Switch das gezielte Weiterleiten von Multicasts, was eine Reduzierung der Datenlast im Netz bedeutet. Für PROFInet-en werden keine Multicast-Filter in Switches gefordert. Hirschmann bietet eine Reihe von Switches an, die Multicast-Datenpakete über Protokolle wie IGMP und GMRP filtern. Da diese Filter jedoch nicht in allen Netzen benötigt werden, sind sie im Auslieferungszustand der Switches nicht aktiv geschaltet. 2.5 VLAN-Unterstützung VLANs dienen der Gruppenbildung von Teilnehmern, die nur nach definierten Regeln miteinander kommunizieren können. Profibus International stellt keine Anforderung an Switches bezüglich der Unterstützung von VLANs. Hirschmann bietet eine Reihe von Switches an, die VLANs gemäß IEEE802.1q unterstützen. Dabei sind im Auslieferungszustand keine VLANs definiert. So ist eine einfache Inbetriebnahme möglich. 2.6 Port Mirroring Port Mirroring ist für die Diagnose in einem Netz eine sehr hilfreiche Funktion. Sie ermöglicht es, die einund ausgehenden Daten an einem Port eines Switches auf einen anderen Port zu kopieren und dort beispielsweise mit einem Analyser zu untersuchen. Profibus International schreibt nicht vor, das Switches Port Mirroring unterstützen müssen, weist jedoch auf die Vorteile dieser Funktion hin. Hirschmann empfiehlt den Einsatz von Switches, die Port Mirroring unterstützen. Sie ermöglichen die Diagnose von Datenpaketen, ohne den Datenfluss im Netz zu beeinflussen. 2.7 Netzwerkmanagement White Paper 7 / 9
Profibus International setzt zur Überwachungen von Geräten im Industrial Ethernet-Netz auf einen De-facto Standard, das Simple Network Management Protocol (SNMP). Unter der Bezeichnung HiVision bietet Hirschmann eine seit Jahren bewährte Management-Software für eigene Switches und Fremdgeräte an, die SNMP unterstützen. Diese Software dient der netzweiten Überwachung und Konfiguration dieser Geräte. Die Anzeige von Informationen in SCADA en, die im Netz per SNMP übertragen werden, ermöglicht HiOPC, ebenfalls eine Software von Hirschmann. 2.8 Redundanz Die Redundanz des Netzes in PROFInet-Anlagen basiert auf Ring-Topologien beziehungsweise dem Rapid Spanning Tree-Algorithmus. Profibus International überlässt den Herstellern von Switches die Entscheidung, ob ihre Geräte diese Funktionen unterstützen. Rail-, MICE- und MACH-Switches von Hirschmann unterstützen Ring-Topologien, Rapid Spanning Tree und weitere Protokolle, die der Erhöhung der Netzverfügbarkeit dienen. 2.9 Zusammenfassung Verbindungen: Switch Funktion Hirschmann RS2 and MICE Hirschmann MACH Hirschmann GES/LION Ethernet (10 Mbit/s) R S S S Fast Ethernet (100 Mbit/s) R S S S Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s) - S S Auto-negotiation R S S S Auto-crossing R S S S Auto-polarity R S S S Management: IEEE 802.1Q (Priorisierung) R S S S Port mirroring O S S S SNMP O S S S RMON O S S S VLAN - S S S Multicastfilter - S S S Ring Topologie O S S S Rapid Spanning Tree O S S S R required (ist gefordert), O optional, S supported (wird unterstützt) Figure PROFInet : Übersicht der Anforderungen und Unterstützung durch Hirschmann Produkte White Paper 8 / 9
3 Tests und en 3.1 Hirschmann-Switches in PROFInet-en Um die Interoperabilität von Hirschmann-Switches und PROFInet-Geräten zu bestätigen, erfolgten umfangreiche Tests. So kommunizierten in einem Testaufbau bei Volkswagen Steuerungen von Siemens, Kuka, Faser und Trumpf-Laser über ein Industrial Ethernet-Netz, das mit Switches von Hirschmann aufgebaut wurde. In diese PROFInet-Anlage wurden auch Feldgeräte integriert, die an einem Profibus bzw. Interbus angeschlossen waren. Das Ergebnis sämtlicher Tests lautete: Hirschmann Switches arbeiten in PROFInet en bestmöglich. Das ist einer der Gründe, weshalb Volkswagen in seinen Netzen Rail-, MICE- und MACH- Switches von Hirschmann einsetzt, beispielsweise in folgenden Anlagen: Volkswagen Hannover T5 Rohbau Mehr als 500 Rail- und 10 MACH Switches mit insgesamt ca. 2500 angeschlossenen Teilnehmern. Volkswagen Wolfsburg Golf A5 Presswerk, Lackieranlage und Montage Ungefähr 170 MICE- und 4 MACH Switches mit insgesamt mehr als 5000 angeschlossenen Teilnehmern. Volkswagen Wolfsburg Golf A5 Rohbau Mehr als 500 MICE- und 7 MACH Switches mit insgesamt ca. 7000 angeschlossenen Teilnehmern. Darüber hinaus gibt es weltweit eine Reihe weiterer PROFInet-en, die über Industrial Ethernet- Netze kommunizieren und die mit Hirschmann-Komponenten aufgebaut sind. Harald Wessels Hirschmann Electronics GmbH & Co. KG Neckartenzlingen, Germany White Paper 9 / 9