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Profinet IO – Arbeitsweise

Konfiguration mit GSD-Dateien

Die Konfiguration eines Profinet-Netzwerkes erfolgt mit einem speziellen Konfigurationstool, z.B. Simatic Step 7. Jeder Hersteller eines IO-Controllers stellt auch ein eigenes Engineering-Tool für die Profinet-Konfiguration zur Verfügung. Für die Konfiguration werden die elektronischen Datenblätter der angeschlossenen Profinet-IO-Geräte, die so genannten GSD-Dateien (Generic Station Description) benötigt. Jedes Profinet-IO-Gerät benötigt eine individuelle GSD-Datei, die vom jeweiligen Gerätehersteller zur Verfügung gestellt werden muss. Bei der Konfiguration des Profinet-Netzwerkes wählt der Projekteur die in der GSD-Datei definierten Module/Submodule aus, um sie auf die reale Anlage abzubilden und den Slots/Subslots zuzuordnen. Die reale Anlage baut sich der Projekteur sozusagen symbolisch im Konfigurationstool auf.

Konfiguration


Geräteidentifikation durch Namesvergabe

Zur Konfiguration gehört auch die Festlegung der Netzwerk-ID, für die bei der Adressierung zugeteilten IP-Adressen der einzelnen Feldgeräte. Jedem Feldgerät wird ein logischer Name zugeordnet, der einen Bezug zur Funktion in der Anlage oder zum Einbauort haben sollte und schließlich bei der Adressauflösung zur Zuteilung einer IP-Adresse führt. Die Namenszuweisung erfolgt mit dem standardmäßig in jedem Profinet-IO-Feldgerät integrierten DCP-Protokoll (Discovery and Configuration Protocol). Jeder Hersteller eines IO-Controllers stellt auch ein Engineering-Tool zur Projektierung einer Anlage zur Verfügung.

Download der Konfiguration in den IO-Controller

Nachdem die Profinet-Konfiguration beendet ist, lädt der Projekteur die Konfigurationsdaten in den IO-Controller. Damit hat der IO-Controller alle Informationen für die Adressierung der IO-Devices und zur Durchführung des Datenaustauschs. Nach dem erfolgreichen Download beginnt der IO-Controller mit dem Hochlauf des Profinet-IO-Netzwerkes.

Adressierung der IO-Devices

Profinet-Feldgeräte werden anhand von MAC-Adressen und IP-Adressen adressiert. Das Profinet-IO-Konfigurationstool (Profinet IO Supervisor) vergibt anfangs einmalig einen symbolischen Namen an die jeweiligen IO-Devices mit dem in Profinet IO integrierten Adressierungsprotokoll DCP (Discovery and Configuration Protocol). Nach Abschluss der Konfiguration lädt das Konfigurationstool alle zum Datenaustausch erforderlichen Informationen in den IO-Controller, inkl. der IP-Adressen für die angeschlossenen IO-Devices. Anhand des Namens kann ein IO-Controller die projektierten Feldgeräte identifizieren und ihnen die festgelegten IP-Adressen zuweisen.

Adressierung

Nach der Adressauflösung folgt der Systemhochlauf mit der Übertragung der Parameter an die IO-Devices. Anschließend kann die Anlage in den Produktivdatenverkehr übergehen.

Applikations- und Kommunikationsbeziehungen

Um die Kommunikation zwischen dem IO-Controller und einem IO-Device aufzubauen, müssen die Kommunikationswege etabliert werden. Diese werden im Systemanlauf vom IO-Controller aufgrund der vom Konfigurationstool erhaltenen Projektierungsdaten aufgebaut. Jeder Datenaustausch ist in eine "Application Relation" (AR) eingebettet. Hierzu wird zwischen dem IO-Controller und dem IO-Device eine genau spezifizierte Beziehung (AR) aufgebaut. Innerhalb der AR spezifizieren "Communication Relations" (CR) die Daten eindeutig. Zu einem IO-Device können mehrere ARs von unterschiedlichen IO-Controllern aufgebaut werden.

Einrichten einer Applikationsbeziehung (AR)

Das Einrichten einer Applikationsbeziehung wird im Systemhochlauf durch den IO-Controller initiiert. Dadurch werden neben allgemeinen Kommunikationsparametern alle Daten für die Gerätemodellierung in das IO-Device geladen. Gleichzeitig werden die Kommunikationskanäle für den zyklischen/azyklischen Datenaustausch (IO Data CR, Record Data CR), die Alarme (Alarm CR) und die Querverkehrsbeziehungen (MCR) eingerichtet.

Kommunikationskanäle


Einrichten einer Kommunikationsbeziehung (CR)

Innerhalb einer AR müssen Kommunikationsbeziehungen (CR ="Communication Relation") für den Datenaustausch aufgebaut werden. Damit ist ein eindeutiger Kommunikationskanal zwischen einem Consumer und einem Provider spezifiziert.

Systemhochlauf

Der Systemhochlauf wird nach Power-On oder Reset vom IO-Controller angestoßen und läuft aus Sicht des Anwenders selbständig ab. Im Systemhochlauf baut der IO-Controller die ARs und CRs auf. Ferner werden die zyklischen I/O-Daten, die Alarme, der Austausch der azyklischen Read-/Write-Dienste, die erwarteten Module/Submodule und die eventuell benötigten Querverbindungen zwischen den IO-Devices festgelegt. Mit dem "Connect-Frame" leitet der IO-Controller den Verbindungsaufbau ein und überträgt alle Daten, die zum Aufbau einer AR und den erforderlichen CRs benötigt werden. Darin sind die relevanten Parametrierdaten sowie die Reihenfolge, der Prozessdatenverkehr und die Überwachungszeit für den Hochlauf enthalten. Die Übertragungshäufigkeit der zyklischen I/O-Daten wird bei der Konfiguration des IO-Controllers festgelegt.

Systemhochlauf

Mit den folgenden "Write-Frames" parametriert der IO-Controller die projektierten Submodule, die die Datenschnittstelle zum Prozess darstellen.

Sind alle Parameter in das IO-Device geladen, kennzeichnet der IO-Controller sein Ende der Parametrierung mit dem "DControl.req"-Frame ("EndOfParameterization"). Die Anwender-Software legt daraufhin die endgültigen Datenstrukturen an und aktualisiert die Submodul-Status.

Sind im IO-Device alle Datenstrukturen angelegt und die notwendigen Überprüfungen vorgenommen, sendet es einen "CControl.req" an den IO-Controller, um seinerseits die Bereitschaft für den Produktivdatenverkehr ("Application Ready") zu signalisieren. Aus Sicht des IO-Devices ist damit die Kommunikation aufgebaut. Mit der Quittung des IO-Controllers auf das "Application Ready" ist auch aus Sicht des IO-Controller die Kommunikation aufgebaut. Hat das IO-Device Fehler während der Parametrierung entdeckt, meldet es diese an den IO-Controller. Nach dem ersten erfolgreichen Austausch der I/O-Daten ist der Hochlauf beendet.

Datenaustausch

Nach erfolgreichem Systemhochlauf können IO-Controller und die zugeordneten IO-Devices zyklische Prozessdaten, Alarme und azyklische Bedarfsdaten austauschen.

Datenaustausch


Nachbarschaftserkennung

Die Nachbarschaftserkennung mit LLDP (Link Layer Discovery Protocol) ist Teil des Profinet-Gesamtkonzepts „Gerätetausch ohne Engineering-Tool“. Voraussetzung dabei ist es, die Daten der Nachbargeräte portgranular mit den LLDP-Diensten zu ermitteln und diese dem IO-Controller zur Verfügung stellen zu können. Aus dieser Kombination kann eine Anlagentopologie und eine komfortable Anlagendiagnose nachgebildet werden sowie ein Gerätetausch ohne zusätzliche Hilfsmittel vollzogen werden. Profinet-Feldgeräte tauschen über jeden Switchport die vorhandenen Adressierungsinformaitioinen mit den angeschlossenen Nachbargeräten aus, die zur eindeutigen Identifikation und zur Ermittlung der physikalischen Lage dienen.

Topologieerkennung

Automatisierungsanlagen können in Form einer Linienstruktur, sternförmig oder baumförmig aufgebaut sein. Aus diesem Grund ist es wichtig zu wissen, welche Feldgeräte an welchem Switch-Port angeschlossen sind und wer der jeweilige Port-Nachbar ist. Dadurch kann die übergeordnete Steuerung die Anlagentopologie nachbilden. Weiterhin ist es möglich, beim Ausfall eines Feldgerätes zu überprüfen, ob das Ersatzgerät auch wieder an der richtigen Position angeschlossen wurde. Eine weitere Forderung der Anlagenbetreiber ist auch der Gerätetausch ohne zusätzliches Engineering-Tool. Diese Forderungen können sehr komfortabel durch den Einsatz von Profinet-Feldgeräten erfüllt werden.