Gerrit Lohmann ist Manager Innovation Unit Remote Systems bei Pepperl+Fuchs und erzählt im Interview mit P&A über die Entwicklung und Funktionsweise des Profinet-Gateways LB.

Bild: Pepperl+Fuchs

Profinet-Gateway für Remote-I/O-Systeme „Wir werden analoge Feldgeräte noch lange sehen“

07.06.2019

Mit dem LB-Profinet-Gateway bringt Pepperl+Fuchs eine leistungsfähige Kommunikationszentrale für das Remote-I/O-System LB auf den Markt. Gerrit Lohmann, Manager Innovation Unit Remote Systems bei Pepperl+Fuchs, erklärt im Gespräch mit P&A, weshalb analoge Feldgeräte keineswegs aus der Mode kommen und warum der Bedarf an Remote I/O in nächster Zeit sogar noch zunehmen wird.

P&A:

Herr Lohmann, wie groß ist heutzutage überhaupt noch der Bedarf an Remote­I/O-Systemen?

Gerrit Lohmann:

Die meisten Kunden setzen nach wie vor auf den konventionell verdrahteten Kommunikationsweg. Andere setzen dagegen schon auf Feldbus-Systeme. Remote-I/O füllt genau die Lücke dazwischen, und der Bedarf nach solchen Systemen wird in nächster Zeit sicher noch steigen, weil die Anwender mehr Daten sammeln möchten, um ihre Prozesse zu optimieren. Wir sehen also einen erhöhten Bedarf an Remote-I/O-Systemen, die eine Brücke bauen zwischen konventionellen Feldgeräten mit HART, Ventilen et cetera und Leitsystemen, zusätzlich aber auch zu Systemen mit herstellerunabhängigen Schnittstellen für Maintenance- und Diagnosezwecke und zur Prozessoptimierung.

Wie lange werden wir analoge Feldgeräte Ihrer Meinung nach noch sehen?

Ich denke, wir werden die analogen Feldgeräte noch relativ lange sehen. Es gibt eine große Basis an installierten Geräten und sie sind im Alltag erprobt. Zumal heute ja praktisch alle analogen Feldgeräte bereits eine digitale HART-Schnittstelle haben. Sobald sich der Advanced Physical Layer (APL) durchsetzt und man wirklich alle Geräte über Ethernet verbindet, wird sich das wahrscheinlich ändern. Allerdings möchte auch dann nicht jeder Kunde angesichts der hohen Investitionskosten gleich seinen ganzen Bestand an Feldgeräten austauschen. Wir werden die 4…20-mA-Feldgeräte also noch lange Zeit sehen. Zusammen mit RIO-Systemen sind sie nach wie vor eine hervorragende Brückentechnologie. Mit einem Rückgang rechne ich daher frühestens in zehn Jahren – je nachdem, wie schnell sich APL durchsetzt.

Wie kam es zur Entwicklung des LB-Profinet-Gateways?

Bis heute sind Geräte mit Profibus-Anbindung mit rund 80 Prozent unser größter Absatzmarkt. Allerdings ist die Ethernet-Kommunikation im Bereich der Fabrikautomation schon länger im Gespräch und dringt nun immer mehr in die Prozessautomation vor. Wir erfahren schon seit einiger Zeit ein sehr großes Interesse von Seiten unserer Kunden, und wenn wir insbesondere den europäischen Markt betrachten, ist Profinet der nächste logische Schritt. Daher haben wir uns dazu entschlossen, eine neue Plattform zu schaffen, um die Ethernet-basierte Kommunikation stärker voranzutreiben. Der erste Meilenstein in diese Richtung ist nun das LB-Profinet-Gateway. Und beim Rest – da beobachten wir gerade, wo es hingeht.

Was meinen Sie damit?

Ich habe die Vorstellung, dass wir in den nächsten Jahren Profibus auf diese Plattform heben, auch die Modbus-Protokolle und Ethernet-IP. Denn all diese Protokolle lassen sich dank des verbauten FPGA relativ leicht implementieren. Deswegen haben wir uns gegen einen dedizierten Mikrochip entschieden, um erst im letzten Produktionsschritt die Diversifizierung durchzuführen. Das heißt, die künftigen Gateways sehen genauso aus wie die Profinet-Variante, sind allerdings auf die jeweiligen Protokolle optimiert. Im Grunde möchten wir all unsere Gateways auf diese Plattform heben.

Konnten Sie beim LB-Profinet-Gateway schon auf Vorarbeiten aufsetzen?

Wir haben eigentlich ganz von vorne angefangen. Die Anforderungen an Ethernet-basierte Kommunikation sind ganz andere als das, was wir von den RS485-Schnittstellen, etwa beim Profibus, kennen. Das liegt natürlich einmal an der Hardware. Es ist mehr Prozessor-Power notwendig, um die Kommunikation über TCP/IP abzuwickeln. Das hat auch Auswirkungen auf das Betriebssystem und die Softwarestruktur. Das Profinet-Gateway unterscheidet sich in fast allen Punkten von einem unserer Profibus-Gateways. Das einzige, was geblieben ist, ist der Backplane-Bus des Remote-I/O-Systems. Damit können alle bewährten LB-Module nach wie vor genutzt werden. Wir mussten lediglich das Timing der Backplane optimieren, damit wir die Daten besser schachteln können.

Wie lange hat die Entwicklung des LB-Profinet-Gateways ungefähr gedauert?

Von den ersten Ideen bis heute sind rund fünf Jahre vergangen. Das war eine intensive Zeit und sie war auch notwendig. Wir haben sowohl bei der Hardware als auch bei der Software Neuland betreten. Wir mussten einige Umwege gehen, Know-how aufbauen und neue Konzepte lernen. Das hat unsere Entwickler schon ziemlich gefordert, aber der Aufwand hat sich gelohnt; es ist gut geworden.

Ich höre hier heraus, dass die Entwicklung der Software besonders zeitintensiv war?

In die Software können Sie beliebig viel Zeit investieren. (lacht) Letztlich muss alles stabil laufen – auch unter ungewöhnlichen Rahmenbedingungen. Zum Beispiel hat sich bei den Tests früh herausgestellt, dass das Gateway irgendwann abstürzt, wenn ein E/A-Modul in schneller Folge herausgezogen und wieder eingesteckt wird – was ein Anwender normalerweise nicht machen würde. Unsere Software-Entwickler bekommen in diesem Fall natürlich kalte Füße und wollen wissen, woran das liegt. Könnte das auch im normalen Betrieb passieren? Und schon steckt der Entwickler in einer intensiven Fehlersuche, um das Problem zu beheben. Wir testen also auf alle Eventualitäten, damit unsere Produkte absolut stabil in allen Lebenslagen funktionieren.

Wie viele Feldgeräte kann das LB-Profinet-Gateway denn handhaben?

Es lassen sich maximal 80 analoge oder 184 digitale Signale übertragen. Möglich ist natürlich auch jede Mischung dazwischen, also zum Beispiel 40 analoge und 92 digitale Signale. Für den Fall, dass ein HART-Feldgerät angeschlossen ist, können zudem die via HART-Signal übermittelten, dynamischen Variablen übertragen werden. Eine Variable, die beispielsweise bei Drucksensoren gerne zusätzlich ausgelesen wird, ist die Temperatur.

Der Anwender kann dabei selbst entscheiden, welche Daten er haben will?

Ja, der Anwender kann diese Funktion auch abwählen. Denn es kann natürlich zu einem Bandbreiten-Problem führen, wenn von 80 Feldgeräten jeweils vier dynamische Variablen à vier Byte übertragen werden und damit der Kilobyte-String gesprengt wird. Deswegen haben wir dem Kunden die Möglichkeit gegeben, die Variablen, die er sehen will, selbst auszuwählen. In den meisten Fällen reicht ein zusätzlicher Wert aus. Ein weiterer Punkt ist, dass die Steuerungen nur über eine gewisse Bandbreite verfügen. Ich kann das Kilobyte mit meinem LB-System zwar vollmachen, aber dann ist vielleicht nach vier LB-Systemen Schluss, weil der Dateneingang der Steuerung nur 4 KB beträgt. Vielleicht benötigt der Anwender aber acht LB-Systeme à 500 Byte. Hier muss der Kunde also bei der Parametrierung und Planung ausprobieren, welche Informationen er genau benötigt.

Werden die Daten auf dem Gateway in irgendeiner Form vorverarbeitet?

Die Hauptaufgabe des Gateways ist die zuverlässige Übertragung der Daten – und zwar ohne große Vorverarbeitung. Es gibt aber die Möglichkeit, Zeitfilter einzustellen, Messwert zu skalieren oder eine Vorauswertung, zum Beispiel bei Frequenz- und Richtungsmessung, durchzuführen. Mehr findet im Gateway aber nicht statt.

Angenommen ich habe schon ein LB-System und möchte von Profibus auf Profinet wechseln. Ist das möglich?

Die E/A-Module können Sie behalten, Sie benötigen nur eine neue Backplane. Das liegt an der Spannungsversorgung, die verändert worden ist, um dem Leistungshunger der neuen Gateways gerecht zu werden. Auf der anderen Seite: Wenn Sie bisher Profibus hatten und sowieso ein Ethernet-Kabel legen müssen – unter Umständen mit Repeatern, Hubs und Switches – ist das Tauschen der Backplane kein wirklicher Hinderungsgrund mehr.

Wie gewährleisten Sie beim LB-Profinet-Gateway Sicherheit vor unbefugtem Zugriff?

Das Gateway ist zunächst einmal nur für den Einsatz in einem abgeschlossenen Netz, also hinter einer Firewall vorgesehen. Eine direkte Verbindung nach außen beziehungsweise ins Internet ist nicht angedacht. Das Profinet-Gateway arbeitet mit einem RT-Linux-Betriebssystem, bei dem Sie weitere Maßnahmen treffen können. Grundsätzlich sind sämtliche ungenutzten Ports geschlossen und alle aktuellen Security-Patches auf dem Linux-System installiert. Auch den Webserver, ein typisches Einfallstor, muss man bei Bedarf erst selbst aktivieren. Wir haben also alle Maßnahmen getroffen, um das Gateway sicher betreiben zu können. Zweitens: Das Thema Security entwickelt sich beständig weiter; immer wieder werden Fehler im System oder neue Einfallstore entdeckt. Das beobachten wir permanent und beheben wir mit entsprechenden Patches.

Diese Updates spielt der Kunde dann lokal ein?

Ja, das soll der Anwender selbst machen. Ein Update über die Firewall hinweg könnte wieder ein Einfallstor öffnen, ferner möchte der Anwender die Kontrolle über die Softwarestände in seiner Anlage behalten. Die Patches sind verschlüsselt; das Gateway nimmt also nur signierte Updates an. Versucht man andere Software einzuspielen, lehnt es diese ab.

Geben Sie uns bitte noch einen kurzen Ausblick: Was planen Sie als nächstes?

Wir werden das Profinet-Gateway sicher noch weiterentwickeln. Es gibt schon einige neue Anforderungen, die wir aus Kundengesprächen mitgenommen haben. Hier möchte ich aber noch nicht zu viel verraten. Als nächstes gilt es dann, die bisherigen Profibus-, Modbus/TCP- und RTU-Gateways auf diese neue Plattform umzustellen. Parallel werden wir uns auf jeden Fall weiter mit OPC UA beschäftigen. Denn hieran besteht ebenfalls großes Interesse.

Welche Rolle spielt OPC UA bei Ihren Überlegungen?

Aus heutiger Sicht ist OPC UA für uns ein Add-On, um etwa Diagnose- oder Wartungsinformationen auf anderem Weg in ein Maintenance- und Optimization-System oder in die Cloud zu spielen. Das ist also sehr IT-lastig – verglichen mit einem traditionellen Protokoll wie Profibus, das speziell für die Automatisierungstechnik entwickelt worden ist. Vielleicht wandelt sich das in den nächsten Jahren und wir werden nur noch OPC UA sehen. Solche Strategien werden gerade in verschiedenen Arbeitsgruppen diskutiert; das haben wir auf jeden Fall im Blick.

Mit der Baureihe FB haben Sie noch ein Remote-I/O-System für Zone 1 im Portfolio. Planen Sie für diese Serie auch ein eigenes Gateway?

Ein Profinet-Gateway für FB ist ebenfalls geplant. Natürlich unterscheiden sich für Zone 1 die Hardware-Anforderungen etwas. Zum Beispiel reichen RJ45-Stecker nicht aus. Sie müssen stattdessen einen robusteren M12-Stecker einsetzen. Hinzu kommt, dass die Gateways sandgekapselt sind und zusätzlich bestimmte mechanische Anforderungen erfüllen müssen. Daran arbeiten wir gerade. Einen festen Release-Termin haben wir bislang aber noch nicht.

Mehr zum LB-Profinet-Gateway von Pepperl+Fuchs lesen Sie in unserer Titelstory der P&A Quarterly 2.2019 .

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