Standard-Kommunikation für eine vernetzte Produktion

Milliarden internetfähiger Geräte können heute mehr als eine Billion Verbindungen herstellen. Daran sind zu einem wesentlichen Teil Maschinen beteiligt, die miteinander im ‚Internet der Dinge‘ kommunizieren. Dieser Trend macht auch vor der Industrie nicht Halt. Für die Unterstützung solcher ‚Big Data‘-tauglichen Prozesse kann der Einsatz standardisierter Systeme wertvolle Dienste leisten.

Eine Roboterhand löst ein würfelförmiges Puzzle: Auf dem SPS-System des Demonstrators wird Profinet IRT wertvolle Dienste leisten.
mit Ethernet ausgeführt. Für die Anzeige auf dem Monitor kommen ebenfalls Profinet, die Intel I210 Netzwerkkarte, der KW-Software Profinet IRT Stack zum Einsatz. Bild: inIT

Die Welt befindet sich derzeit im Übergang vom Computer- zum Computing- Zeitalter. Parallel fordert die zunehmend schneller werdende Entwicklung innovativer Produkte immer kürzere Produktionszyklen. Ohne den Einsatz von Systemen, die über das Internet miteinander kommunizieren können, ist dieses Tempo kaum einzuhalten. IDC-Marktforscher gehen davon aus, dass bis 2015 mehr als ein Drittel der vernetzten Geräte intelligente Systeme sein werden − das ist ein Markt mit etwa vier Milliarden Einheiten. Anwendungen können generell in fast jeder Branche zur Rationalisierung von Arbeitsabläufen und Effizienz- bzw. Produktivitätssteigerung beitragen. Die Optimierung von Geschäftsprozessen kann dabei zu signifikanten Kosteneinsparungen führen.

Frameworks zum Erschließen von ‘Big Data‘-Potenzial

Um diese Chance nutzen zu können, benötigen Unternehmen Tools, Technologien und Plattformen, die das massive Datenvolumen in verwertbare Informationen umwandeln können und proprietär Anwendungen in der Maschine- zu-Maschine-Kommunikation (M2M) zu einem gemeinsamen, skalierbaren System zusammenfassen. Intel hat zu diesem Zweck das Intel Intelligent Systems Framework ins Leben gerufen. Das Framework umfasst Hardware und Software mit kompatiblen Lösungen, die eine sichere Kommunikation und die Verwaltung der vernetzten Geräte unterstützen. Darunter finden sich auch Embedded-Lösungen, die in diversen Industriebereichen im Einsatz sind, sowie Xeon-, Core- und Atom-Prozessoren. Auch Software und Middleware von Wind River und Mcafee werden angeboten.

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KI in Fertigungsbranche vorn

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Anwender aus der Industrie erhalten damit schlüsselfertige Komponenten und können sich auf die Entwicklung von Anwendungen und Services sowie die Erschließung ihrer Daten konzentrieren. Ein Beispiel für den Einsatz der Technologie im industriellen Umfeld liefert die Kooperation mit KW-Software: Das Unternehmen entwickelt seit mehr als 30 Jahren Softwaretechnologien und erschließt Anwendungen für industrielle Kommunikations- und Vernetzungslösungen mit Profinet. Dabei sorgt der Intel Ethernet Controller I210 für hohen Datendurchsatz und Synchronisierung. Zu den Kerntechnologien des Softwareanbieters gehören Lösungen für Industriesteuerungen nach IEC 61131, Sicherheitstechnologien entsprechend IEC 61508 sowie Profinet-Kommunikationsund -Vernetzungslösungen. Diese Technologien sind so konzipiert, dass sie individuell angepasst werden können. Auf diese Weise können Anwender vom Zusammenspiel aktueller Prozessor-Generationen und Ethernet-Controller profitieren.

Industrielle Kommunikation im Fokus

Mit dem dabei verwendeten Ethernet-Controller lassen sich Echtzeitprotokolle wie Profinet IRT mit einem standardmäßigen Ethernet Controller nutzen. Da keine auf die Branche zugeschnittene Lösung erforderlich ist, können Signalpräzision und Low-Jitter-Performance platzund stromsparend erreicht werden. Die Prozessoren sind mit dem IO-Protokoll, das für die IRTKommunikation benötigt wird, kompatibel und lassen sich somit für industrielle Steuersysteme verwenden. Einen wesentlichen Fortschritt der Lösung stellt dabei die Trennung von Echtzeitund Nicht-Echtzeit-Kommunikation dar: Das Gerät nutzt separate interne Warteschlangen für die Gewährleistung von Echtzeit-Kommunikation.

In Verbindung mit einer Hochpräzisionsuhr wird der Datenverkehr so gesteuert, dass die Echtzeit-Kommunikation zum genauen Timing erfolgt, wie durch das Profinet-Protokoll vorgegeben. Wird diese Fähigkeit mit dem KWSoftware- Profinet-Stack für IRT kombiniert, können Anwender ein hohes Maß an Präzision erreichen, während zugleich die Standard-ITKommunikation und die Remoteverwaltung unterstützt werden. Zu den Eigenschaften der Controller-Lösung zählen außerdem hohe Energieeffizienz, vergleichsweise geringe Umweltbelastung und Kompatibilität mit dem Intel 82574L Gigabit Ethernet Controller. Daneben bietet das Gerät integrierter Triple-speed-Base- T-PHY-Unterstützung, Serdes/SGMII-Schnittstellen und Industrietemperaturunterstützung. Eine Produktionsverfügbarkeit von mindestens sieben Jahren wird ebenfalls zugesagt.

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Bild: KW-Software

Präzise Synchronisierung von Steuersystemen

Die verwendeten Profinet-Stacks werden seit Jahren in anspruchsvollen Automatisierungslösungen etwa für die Automobilbranche, den Maschinenbau und die Prozessautomation eingesetzt. Da für die Konformitätsklassen A und B keine spezielle Hardware-Unterstützung für Echtzeit-Profinet erforderlich ist, lassen sich die Stacks auf Hardware-Plattformen mit Standard-Ethernet-Schnittstellen, von PC bis hin zu komplexen Robotiksteuerungen, verwenden. Das Gesamtsystem gestattet die präzise Synchronisierung industrieller Steuersysteme mit einem Jitter von lediglich 40 Nanosekunden von der SPS bis zum ersten Gerät der Steuerkette und von 200 Nanosekunden bis zum 32. Gerät. Dies ermöglicht eine Beschleunigung zahlreicher Automatisierungsprozesse. Außerdem weist die Software folgende Funktionen auf:

• Varianten für Profinet-Geräteklassen: Verfügbar sind Stacks für Profinet-Devices oder -Controller. Ein kombinierter Controller/Device-Stack ermöglicht die schnelle direkte Kommunikation mehrerer Controller. Typische Anwendungen sind redundante oder hierarchisch segmentiert aufgebaute Automatisierungsnetzwerke, wie sie in vernetzten Produktionsanlagen genutzt werden.
• Schnelle Integration: Die Profinet-Stacks sind als kompilierte und verknüpfte Objektbibliotheken für bestimmte Kombinationen aus Prozessoren, Betriebssystemen und Compilern erhältlich.
• Grafische Benutzeroberfläche: Das Tool kann sowohl eigenständig als auch integriert eingesetzt werden. Es erzeugt aus der Netzwerkkonfiguration eine auf XML basierende Datei, die der Controller Stack weiterverarbeitet. Darüber hinaus stehen offene Schnittstellen zur Verfügung.

Die Unterstützung für Echtzeitbetriebssysteme und verschiedene Arten von Hardware steigt IT&Production 6/2013 105 Der Profinet-Stack von KW-Software lässt sich auf verschiedenen Plattformen einsetzen und unterstützt IOBefehle genauso wie Remote-Aufrufe. Bild: KW-Software dabei stetig. Die Anwenderakzeptanz für solche standardisierten Lösungen zeigt: Das Potenzial des Internets der Dinge wird dann genutzt, wenn von den erfassten Daten bei jedem Schritt eine Wertschöpfung stattfindet − von den Sensorsteuerungen zu den Edge Gateways, von der Cloud bis zum Client.

 

Der Industriekommunikationsstandard Profinet

BIld: KW-Software

Industrielle Steuersysteme erfordern ein zunehmendes Maß an Synchronisation und Genauigkeit. Diese Anforderungen adressiert das ethernetbasierte Profinet-IOProtokoll. Komponenten für die synchrone Profinet- IRT-Kommunikation basierten bislang jedoch auf anwendungsspezifisch integrierten Schaltungen (ASIC) oder ‘Field Programmable Gate Arrays’ (FPGA). Die Kombination aus Ethernet Controller und Prozessoren von Intel sowie Profinet-Stacks von KW-Software kann für Produktions- und Prozessautomatisierung, Sicherheitsanwendungen und Datenaustausch, einschließlich Echtzeit-Positionierung, eingesetzt werden. Der Standard lässt sich mit Linien-, Ring- und Sternstrukturen den Gegebenheiten der Anlage anpassen und kann mit Kupfer- und Lichtwellenleitern verwendet werden. Auch die drahtlose Kommunikation mit WLAN- und Bluetooth-Technologie wird unterstützt. Zur Differenzierung und Priorisierung der Verkehrsarten werden die Funktionen in Konformitätsklassen unterteilt (Bild):

• Die Konformitätsklasse A (CC-A) umfasst grundlegende Funktionalitäten mit Echtzeitkommunikation. Alle IT-Services können uneingeschränkt eingesetzt werden. Typische Beispiele findet man in der Gebäudeautomation. Drahtlose Kommunikation ist nur in dieser Klasse möglich.
• Die Konformitätsklasse B (CC-B) ermöglicht zusätzlich zu den CC-A-Funktionen die Netzwerkdiagnose und das Erfassen der Netzwerktopologie. Die für die Prozessautomation wichtige Funktion Systemredundanz ist in einer erweiterten Version von CC-B mit der Bezeichnung CC-B (PA) enthalten.
• Die Konformitätsklasse C (CC-C) eignet sich für zeitkritische Prozesse, die einen Jitter von weniger als einer Mikrosekunde in Linientopologien erfordern, etwa in der IRT-Kommunikation.