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Die Digitalisierung von Profibus PA

Einfache Migration in die Ethernet-Welt

29.07.2019 Die Prozessautomation unterliegt einem stetigen Wandel - auch im Bereich der Kommunikationstechnik. Der analogen 4…20mA-Stromschleife folgte das Feldbussystem. Heute nutzen viele Unternehmen Ethernet zur Datenübertragung. Phoenix Contact hat daher eine Lösung entwickelt, mit der Profibus PA-Segmente direkt mit dem Profinet-Protokoll verbunden werden können.

Durch die Einführung der Elektronik vor etwa 50 Jahren etablierte sich die analoge 4…20mA-Stromschleife als weltweit führendes Verfahren zur Messung und Steuerung industrieller Prozesse. Elektronikbasierte Feldgeräte wurden über geschirmte Twisted-Pair-Kabel angeschlossen und mit 24 V DC versorgt. Im Laufe der Jahrzehnte ergaben sich dann Fortschritte bei der Miniaturisierung der Geräte sowie einer höheren Dichte der Signalverdrahtung. Die Integration von Mikroprozessoren in Steuerungen trieb die Umstellung von pneumatischen Technologien auf das 4…20mA-Signal ebenfalls voran – und das in der Fabrik- ebenso wie der Prozessautomation.

Aufgrund der ständigen Verbesserungen der Elektronik und Kommunikationstechnologien entwickelten sich einige prozessorientierte Feldbussysteme für die Industrie. Diese arbeiteten entweder als hybride Lösung in Kombination mit dem 4…20mA-Signal, wie es beim Hart-Protokoll der Fall ist. Auf der anderen Seite handelte es sich um rein digitale Feldbussysteme wie Foundation Fieldbus oder Profibus PA.

Die schnelle Einführung und Verwendung von Ethernet in den Fabriken und Anlagen führt jetzt zu einer neuen Welle der Vernetzung und Digitalisierung von Prozessanwendungen in den Bereichen Öl und Gas, Wasser, Bergbau, Energie und Chemie sowie der pharmazeutischen, Lebensmittel-, Getränke- und Brauindustrie. Die Anwender verlangen hier nach mehr Ethernet-Konnektivität, was sich durch Einsatz des Profinet-Protokolls einfach lösen lässt.

Bislang Umwandlung von Profibus PA- in Profibus DP-Daten

Die Technologien der Feldbussysteme Foundation Fieldbus und Profibus PA nutzen die gleiche in der IEC 61158 standardisierte Bitübertragungsschicht. Der Anwender kann somit auf die Twisted-Pair-Verkabelung zurückgreifen, die er bereits für die Übermittlung von 4…20mA-Signalen von der Feld- an die Steuerungsebene verwendet. Die Feldbustopologie ermöglicht also die Nutzung der bestehenden Verdrahtung eines 4…20mA-Geräts sowie von 28 V DC – statt 24 V DC -, um mit einem Power-Trunk-Konzept statt eines Geräts bis zu 32 Feldgeräte mit 15 Watt zu betreiben.

Je nach Feldgerät – ob einfache Temperatur- oder komplexe Ablauf- und Ventilsteuerung – können auf diese Weise viel größere Datenmengen zwischen der Steuerung und der Feldebene ausgetauscht werden. Auf der Grundlage der zusätzlichen digitalen Daten lassen sich Anomalien in den Anlagen außerdem schnell identifizieren, die Verfügbarkeit der Systeme durch eine vorausschauende Instandhaltung sicherstellen, Stillstandszeiten minimieren sowie die Anlageneffizienz verbessern. Letztendlich werden alle Anlagegüter effektiver eingesetzt und eine höhere Rentabilität erzielt.

Bild 1

Bild 1: Der Profinet-Profibus PA-Proxy ermöglicht auch die Integration von Modbus/RTU- und Hart-Geräten in die Topologie

In den vergangenen 25 Jahren hat sich Profibus PA weltweit in zahlreichen Anlagen als Kommunikationsstandard etabliert. Derzeit sind international mehr als elf Millionen Profibus PA-Feldgeräte installiert. Damit sie an eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder ein PLS (Prozessleitsystem) angebunden werden können, bedarf es eines Geräts, welches die Profibus PA- in Profibus DP-Daten umwandelt (Bild 1).

Im Office-Bereich wird schon seit Jahrzehnten über das in der IEEE standardisierte Ethernet kommuniziert. Allerdings weisen das Protokoll und die entsprechenden Geräte nicht die hohe Robustheit und Temperaturbeständigkeit auf, die in der Feldebene der Fabrikhallen erforderlich sind. Durch die Entwicklung des Profinet-Protokolls, das in den letzten beiden Dekaden zum globalen Standard in der Fabrikautomation geworden ist, profitiert nun auch die Industrie von den systemischen Ethernet-Vorteilen.

Neues Baukastensystem zur direkten Profinet-Ankopplung

Im Jahr 2015 begannen die Arbeiten an einer Standardisierung, die den Zwischenschritt über Profibus DP abschaffen und eine direkte Verbindung zwischen Profinet und Profibus PA (sowie sämtlichen Feldgeräten) ermöglichen soll. Auf der Achema 2018 gab Phoenix Contact eine Vorschau auf ein Baukastensystem, das vorhandene Profibus PA-Segmente direkt an das Profinet-Protokoll ankoppelt. Jedes Profibus PA-Segment wird über den Simplex- oder Redundanzmodus mit 500 mA/28 V DC Spannung versorgt und beliefert die angeschlossenen Geräte auf Basis der High-Power-Trunk-Technik mit 14 Watt.

Bild 2

Bild 2: Die steckbaren Leistungsmodule bieten die Wahl zwischen Simplex- oder Redundanz-Versorgung für ein Segment und verfügen über eine On-Board-Anzeige sowie einen Datenzugang über den Profinet-Link

Der zur Integration notwendige modulare Profinet-Profibus PA-Proxy aus der Produktfamilie Axioline P verbindet maximal acht Profibus PA-Segmente, die sich jeweils aus bis zu 32 Geräten zusammensetzen, mit dem Profinet-Protokoll. Die Konvertierung der Daten auf Profinet erfolgt mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10/100 MBit (Bild 2).

Der Proxy ist hot swappable, lässt sich also im laufenden Betrieb ohne Kommunikationsunterbrechung erweitern oder austauschen. Zudem steht eine Basis-PA-Segmentdiagnose über Profinet und ein DTM zur Verfügung. Der Profinet-Profibus PA-Koppler aus der Axioline P-Serie unterstützt das Media Redundancy Protocol (MRP). Darüber hinaus kann er über einen S2-Redundanzmodus an zwei Profinet-Steuerungen angeschlossen werden.

Bild 3

Bild 3: Alle Profinet-Redundanzstrukturen (S2, R1 & R2) sind mit zwei Buskopplern möglich; der modulare Aufbau benötigt je nach Anwendungsbedarf nur eine kleine Grundfläche

Zur weiteren Erhöhung der Verfügbarkeit erlaubt ein zweiter Proxy die Projektierung eines R1- oder R2-Redundanzsystems (Bild 3). Um die Installation und Inbetriebnahme des Kopplers zu vereinfachen, hat Phoenix Contact einen GSDML-Composer entwickelt, der die GSD-Datei (General Station Description) im XML-Format erstellt. Sie wird von der Profinet-Steuerung zur Adressierung der an den Proxy angebundenen Profibus PA-Segmente benötigt. Das System lässt sich bei Bedarf modifizieren, woraus sich Änderungen in der GSDML-Datei ergeben.

Wichtige Grundlage für das Heben von Optimierungspotenzialen

Phoenix Contact baut sein umfassendes Portfolio für die Prozessindustrie stetig aus. Neben einer großen Auswahl an Reihenklemmen umfasst das Leistungsspektrum unter anderen Stromversorgungen, Security Appliances und Überspannungsschutz.

Das Unternehmen bietet ferner verschiedene Komponenten für das Profibus DP-Protokoll sowie weitere Infrastrukturprodukte für die Prozessautomation an, beispielsweise Feldkoppler in modularer und Blockbauweise zur Installation in den Ex-Zonen 1 und 2. Außerdem sind eine Reihe von Profinet-Switches mit der Konformitätsklasse B auf den Markt eingeführt worden – und zwar als 10/100-MBit- und Gigabit-Version. Ergänzt wird das Portfolio um zahlreiche weitere Geräte mit IECex-, ATEX- und der nordamerikanischen Hazloc-Zertifizierung.

Die Digitalisierung ist auch in der Prozessindustrie nicht aufzuhalten, denn sie eröffnet viele neue Möglichkeiten. Durch Nutzung Ethernet-basierter Standards wie dem Profinet-Protokoll lassen sich Anlagen zum Beispiel an Cloudlösungen ankoppeln, um sie besser überwachen und zusätzliche Optimierungspotenziale heben zu können.

Dazu zählt die höhere Verfügbarkeit durch eine vorausschauende Wartung. Mit dem Profinet-Profibus PA-Proxy aus der Produktfamilie Axioline P können bestehende Applikationen einfach in das Profinet-Netzwerk integriert werden. In Kombination mit der unkomplizierten Handhabung der Geräte spart der Anwender so Kosten ein und macht seine Anlage zudem zukunftssicher.

Hohe Anlagenverfügbarkeit durch verschiedene Redundanzkonzepte

Der Profinet-Profibus PA-Proxy aus der Produktfamilie Axioline P unterstützt verschiedene Redundanzkonzepte. Doch was verbirgt sich hinter den Begriffen? MRP (Media Redundancy Protocol) bedeutet, dass der Koppler über eine Ringtopologie an die Steuerung angebunden ist. Wird die Übertragungsstrecke an einer Stelle unterbrochen, aktiviert der Redundanzmanager den alternativen Kommunikationsweg.

Bild 4

Bild 4: Bei der S2-Redundanz ist der Koppler mit zwei Steuerungen verbunden; beim Ausfall einer Steuerung wird unterbrechungsfrei auf die andere Verbindung umgeschaltet

Bei der Systemredundanz baut der Proxy eine Kommunikationsbeziehung zu zwei redundanten Controllern auf. Dabei wird zwischen unterschiedlichen Ausprägungen der Systemredundanz differenziert. Bei der S2-Redundanz ist der Koppler über ein Interface-Modul mit den beiden Steuerungen verbunden. Fällt eine der Verbindungen aus, wird unterbrechungsfrei auf die andere Verbindung umgeschaltet. Ist allerdings das Interface-Modul defekt, hat dies auch den Ausfall des Proxys zur Folge (Bild 4).

Unter dem Begriff R1-Systemredundanz ist die Anbindung des Kopplers an zwei Interface-Module zu verstehen, die jeweils über eine Kommunikationsbeziehung zu einer der redundanten Steuerungen verfügen. Der Proxy überträgt seine Daten also über zwei getrennte Profinet-Netzwerke. Wird eine Verbindung gekappt oder funktioniert ein Interface-Modul respektive Subnetz nicht mehr, erfolgt der Datenaustausch über den zweiten Kommunikationsweg. Bei der R2-Systemredundanz sind die beiden Interface-Module jeweils an beide redundante Controllern angekoppelt, sodass vier Übertragungswege zur Verfügung stehen. Das sorgt für eine maximale Verfügbarkeit der Applikation.

Mehr Informationen:

www.phoenixcontact.de/prozess

Arnold Offner

Über den Autor

Arnold Offner

Strategic Marketing Manager Process Infrastructure, Phoenix Contact Inc., USA-Harrisburg

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