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Steuern & Vernetzen

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Netzwerkgrenzen überwinden

Text: Michael Volz, HMS Industrial Networks Fotos: Anja Hild; HMS Industrial Networks
Ein anlagenweites Energiemangement mit Profienergy senkt den Energieverbrauch von Produktionsanlagen. Grundlage ist ein Profinet-Netzwerk. Aber nicht alle Automatisierungsgeräte verfügen über eine geeignete Kommunikationsschnittstelle. Gateways schaffen Abhilfe.

Für die Automatisierung neuer Fertigungsanlagen setzen Audi, BMW, Daimler und VW meist Profinet als Netzwerkstandard ein. Dieser soll nun auch für das anlagenweite Energiemanagement genutzt werden. Die dazu notwendigen Festlegungen wurden im Profienergy-Profil definiert. Alle Zulieferer sind aufgefordert ihre Automatisierungsgeräte mit einer Profinet-Schnittstelle auszustatten, die auch die Profienergy-Funktionen für das herstellerübergreifende Energiemanagement unterstützt. Werden diese Funktionen in die SPS-Steuerungen integriert und die Steuerkommandos über das herstellerübergreifende Profinet-Netzwerk übertragen, ist es möglich, die energiefressende Leistungselektronik der einzelnen Automatisierungsgeräte koordiniert und automatisiert ein- und auszuschalten. Voraussetzung ist, dass alle Automatisierungsgeräte über eine Profinet-Kommunikationsschnittstelle verfügen, die den Anforderungen der Automatisierungsinitiative deutscher Automobilhersteller (AIDA) entspricht. Im Idealfall verfügen alle Automatisierungsgeräte über eine integrierte Profinet-Schnittstelle mit Profienergy-Unterstützung. Unter dieser Voraussetzung ist ein anlagenweites Energiemanagement relativ einfach zu realisieren. Alle Geräte sind über Profinet erreichbar und setzen die Profienergy-Kommandos einheitlich um. Bis dahin ist es jedoch noch ein weiter Weg. Heute verfügen noch lange nicht alle Automatisierungsgeräte über eine geeignete Kommunikationsschnittstelle.

Kommunikationsmodule für Gerätehersteller

Eine integrierte Profinet-Schnittstelle zu realisieren, sollte für Gerätehersteller die erste Wahl sein. Hierzu bietet HMS mit der Anybus-Technik einbaufertige Kommunikationsmodule. Sie wickeln das gesamte Profinet-Protokoll selbständig ab - ohne den Geräteprozessor zu belasten. Auf dem Modul befinden sich alle Hardware-Komponenten der Profinet-Schnittstelle einschließlich des integrierten 2-Port-Switches. Die Entwicklung beschränkt sich auf die Anbindung des Moduls an die Geräteelektronik, die über eine serielle oder parallele DualPortRam-Schnittstelle erfolgt. Neben Profinet stehen auch funktionskompatible Module für andere Industrial-Ethernet-Varianten und Feldbusse zur Verfügung. Alle Module haben eine einheitliche Hard- und Software-Schnittstelle, sodass sich die Geräte-Software weitgehend unabhängig vom jeweils eingesetzten Bussystem realisieren lässt. Einbaufertige Anybus-Kommunikationsmodule vereinfachen die Umsetzung einer Profinet-IO-Geräteschnittstelle. Der Einsatz erspart bis zu 70 Prozent Entwicklungskosten und verkürzt die Time to Market. Der Profienergy-Server ist in der Firmware des Kommunikationsmoduls implementiert. Das einbaufertige Modul arbeitet im Profinet-Netzwerk als Profinet IO Device. Der im Modul integrierte Profilserver wickelt Profienergy-Befehle und Parameter ab und hat eine standardisierte Hard- und Software-Schnittstelle zur Elektronik des Automatisierungsgeräts.

Feldbus- und Ethernet-Netze

Bei der Erweiterung und Modernisierung bestehender Fertigungsanlagen werden in den neuen Anlagenteilen meist ethernetbasierte Netzwerke eingesetzt, während in den bestehenden Anlagenteilen weiterhin die vorhandenen Feldbussysteme zum Einsatz kommen. Um einen durchgängigen Datenfluss zwischen den verschiedenen Anlagenteilen sicherzustellen, müssen die unterschiedlichen Netze über Gateways miteinander gekoppelt werden. Gateways können dabei unterschiedliche Kopplungsaufgaben übernehmen. Je nach Systemkonfiguration werden Master/Slave- oder Slave/Slave-Gateways eingesetzt.Bei der Kopplung autonomer Anlagenteile mit eigener SPS gilt: Da oftmals ein großer Teil des Fertigungs-Know-hows in ausgeklügelten SPS-Programmen steckt, gilt es die bestehenden feldbusbasierten Anlagenteile möglichst komplett mitsamt der zugeordneten Steuerung in die ethernetbasierten Anlagenteile einzubinden. Jeder Anlagenteil verfügt über eine eigene Steuerung. Für eine reibungslose Fertigungssteuerung und ein anlagenweites Energiemanagement sind solche Insellösungen jedoch nicht akzeptabel. Vielmehr gilt es, einen durchgängigen Informationsfluss zwischen dem Leitsystem und allen Anlagenteilen sicherzustellen. Dabei sind häufig I/O-Signale, etwa Start- oder Stopp-Signale, Bereitschaftsmeldungen oder Störsignale schnell und zuverlässig an das übergeordnete Steuerungssytem zu übertragen. Diese Koppelaufgabe lässt sich einfach und zuverlässig mit einem Slave/Slave-Gateway lösen. Hierbei verhält sich das Gateway auf beiden Netzwerkseiten als Slave. Die Datenübertragung im Gateway erfolgt kreuzweise. Dabei werden Eingangsdaten von Netzwerk A als Ausgangsdaten im Netzwerk B übertragen und umgekehrt.

Intelligenz steckt in der Steuerung

Bei einer Kopplung untergeordneter Anlagenteile ohne eigene SPS ist Folgendes zu beachten: In diesen Fällen befindet sich die gesamte Intelligenz der Anlage in der überlagerten Steuerung. Die unterlagerten Segmente bestehen aus einer Gruppe von Automatisierungsgeräten, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind. In dieser Konstellation werden typischerweise Master/Slave-Gateways eingesetzt. Das Gateway arbeitet dabei als Master (Client) im unterlagerten Segment und als Slave im überlagerten Netzwerk. Die überlagerte Steuerung sendet die Ausgangsdaten aller unterlagerten Slaves an das Gateway. Dort werden die Daten anhand der bei der Konfiguration des Gateways definierten I/O-Konfiguration aufgeteilt und an die angeschlossenen Geräte im unterlagerten Netzwerk verteilt. In der Gegenrichtung pollt das Gateway die Eingangsdaten der unterlagerten Geräte, fasst diese zu einem Datenblock zusammen und überträgt sie dann als Eingangsdaten an die überlagerte Steuerung. HMS bietet mit der Familie der Anybus-X-Gateways eine Palette für alle typischen Koppelaufgaben in der Automatisierungstechnik an. Die Produktfamilie der besteht aus 250 Gerätevarianten und beinhaltet Master/Slave- und Slave/Slave-Kombinationen. Die Gateways verbinden gängige Feldbusse wie Profibus, Devicenet und Canopen untereinander oder koppeln an die Industrial-Ethernet-Standards Profinet, Ethernet/IP, Ethercat und ModbusTCP an.

Durchgängiger Informationsfluss

Die Umsetzung der Daten zwischen den beiden Netzwerken erfolgt transparent. Die Anybus-X-Gateways übertragen sowohl zyklische I/O-Daten als auch azyklische Bedarfsdaten von einem Netzwerk in das andere. Die maximale Anzahl der Daten ist durch das Netzwerk mit der kleineren Datenbreite bestimmt und kann bis zu 512 Byte Eingangs- und 512 Byte Ausgangsdaten umfassen. Die Datenbreite wird bei der Inbetriebnahme festgelegt. Bei den neuesten Varianten der X-Gateway-Familie wird die Konfiguration auf einer SD-Speicherkarte im Gateway abgelegt. Im Störungsfall wird die SD-Karte dann einfach in das Ersatzgerät gesteckt und das Konfigurations-Tool wird nicht mehr benötigt. Moderne Gateways bieten dem Automatisierer und Anlagenbauer hohe Zuverlässigkeit und Flexibilität bei der Kopplung unterschiedlicher industrieller Netzwerke. Sie sorgen für einen durchgängigen Informationsfluss über Netzwerkgrenzen hinweg und leisten so einen wichtigen Beitrag bei der Einführung eines anlagenweiten Energiemanagements.

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