Seit 2001 Geschäftsführer Technik der PROFIBUS Nutzerorganisation PNO. Davor war er Leiter des PROFIBUS-Zertifizierungslabors am FZI (Forschungszentrum Informatik).

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Profinet: Die Entwicklung von Kommunikation zu Infomation

Die Technologie passt sich an die Anforderungen von Big Data an: Welche Entwicklungsschritte schon passiert sind und welche noch folgen werden.

Industrie 4.0 wird nur dann flächendeckend erfolgreich realisiert werden können, wenn die industriellen Kommunikationssysteme unter Berücksichtigung von relevanten Anforderungen innoviert werden, da hierfür ein hohes Maß an Digitalisierung benötigt wird. Big Data wird durch verschiedene Daten-Quellen bedient, auch von denjenigen, welche während der Produktion mit Beteiligung von Sensoren und Aktuatoren entstehen. Hierfür wird eine industrielle Kommunikation benötigt, die die erforderliche Bandbreite bereitstellt, die die im Umfeld der Produktion entstehenden Daten in die Cloud transportieren kann. Nach einer eingehenden Untersuchung der Anforderungen aus diesem Umfeld haben die Experten von PI (Profibus & Profinet International) die Richtung festgelegen können, in die die Technologien von PI – allem voran Profinet – entwickelt werden müssen: Die Folge ist, dass sich die PI-Technologien von einem kommunikationsbezogenen hin zum informationsorientierten Technologieportfolio entwickeln.

Offene Echtzeitfunktionen, offene Datenmodelle

Zwei Faktoren spielen in diesem Umfeld eine zentrale Rolle. Zum einen benötigt die OT offene, standardisierte Echtzeitfunktionen für die horizontale Kommunikation zur effizienten Bewerkstelligung der Automatisierungsaufgabe. Zum anderen sind offene, ebenen-übergreifende Datenmodelle für einen nahtlosen vertikalen Datentransfer zur IT für die Produktionssteuerung, -überwachung, -analyse und -optimierung notwendige Voraussetzung. Um dem ersten Faktor gerecht zu werden, haben die zuständigen Arbeitskreise von PI eine Reihe von Basisfunktionen von TSN in die Profinet-Spezifikation integriert, die im Juni 2019 veröffentlicht wurden (Spezifikation V2.4).

Zur Umsetzung des zweiten Faktors haben PI-Experten in Kooperation mit anderen Organisationen offene und standardisierte Semantiken für die Gerätebeschreibung und die zu übertragenden anwendungsbezogenen Daten festgelegt. Die Weiterentwicklung von Ethernet in der IEEE 802.1 bietet Echtzeitfunktionen für alle Anwendungen der industriellen Automatisierung unter Wahrung eines hohen Maßes an Robustheit bei hoher Auslastung der Netze sowie der notwendigen Deterministik für zeitkritische Anwendungen bis hin zum Motion Control. Die Arbeitskreise, die für Profinet verantwortlich sind, haben bei der Integration von TSN in Profinet auf Parameter zurückgegriffen, welche in den relevanten IEEE 802.1 Standards spezifiziert sind. Hier zählen insbesondere die Funktionen Synchronisation mittels 802.1 ASrev, TAS (time aware shaper, 802.1Qbv) und Preemption (802.1Qbu). Da TSN lediglich einen Layer 2 für die Kommunikation definiert, war es leicht, TSN in das Applikationsprotokoll von Profinet zu integrieren. Eine wesentliche Erkenntnis der bisherigen Arbeiten war aber auch, dass die einfache Konfiguration der TSN-Netzwerkparameter ausschlaggebend für die Akzeptanz bei den Anwendern sein wird. Daher bevorzugt PI vor allem das dezentrale Konfigurationsmodell der IEEE.

White Paper zum Thema

OPC UA erfordert Standardisierung der Datenformate

Bezüglich der horizontalen Kommunikation zwischen verschiedenen Steuerungen und der vertikalen zu übergeordneten Ebenen setzt PI auf OPC UA. Die Objektorientierung, das einfache Browsen sowie integrierte Security-Mechanismen bei OPC UA ermöglichen den Anwendern, die Anforderungen in dieser Ebene einfacher umzusetzen. Das funktioniert bereits in den meisten Fällen sowohl auf Basis des seit Jahren verfügbaren TCP/IP-Protokolls, das koexistent in Profinet-Netzen betrieben werden kann, als auch durch den Einsatz neuer Mechanismen wie Pub/Sub und TSN.

Die Übergänge von Profinet zu OPC UA erfordern eine Standardisierung der Datenformate. Dies erfolgt in einer engen Kooperation mit der OPC Foundation. Resultat ist eine OPC UA Profinet Companion Specification, in der ein OPC UA Information Model zur Darstellung des standardisierten Objektmodells von Profinet definiert wurde. Ein Draft wurde im August 2019 veröffentlicht, die finale Version ist für Ende des Jahres geplant. Damit können Anwendungen auf Basis von OPC UA Diensten herstellerunabhängig auf Objekte von Profinet-Geräten zugreifen. Big Data benötigt als Basis ein hohes Maß an firmen- und branchenübergreifend verfügbarer maschinell verarbeitbarer, standardisierter Informationen. PI ist schon seit geraumer Zeit dabei, dafür die notwendige Basis zu schaffen. Im ersten Schritt erfolgte dies durch die Bereitstellung von Geräte-Know-How, beispielsweise in Form von Parametern in Geräteprofilen und durch Festlegungen auf der Applikationsschicht, wie z. B. für ein Asset Management Record. Damit diese aber als Basis für einen maschinenverarbeitbaren Datenfluss über die verschiedenen Systeme hinweg vom Sensor bis zur Cloud genutzt werden können, müssen die heute bereits vorhandenen Daten mit Hilfe von semantischen Standards in eindeutig nutzbare Informationen gewandelt werden. Hierbei werden in Kooperation mit eCl@ss e.V. die in den Spezifikationsdokumenten von PI definierten Parameter um Semantik-Identifier erweitert. Der erste Schritt, die Umsetzung des PA Profil V4.0, ist für Mitte 2020 geplant für Mitte 2020. Weitere Schritte sind bereits in Vorbereitung.

Fazit: Wirtschaftlich nur bei Standardisierung

Eine leistungsfähige Kommunikation ist notwendig für eine nutzbringende Realisierung von Big Data. Darüber hinaus kann Data Mining effizient und wirtschaftlich nur bei Verwendung von Standardformaten betrieben werden. PI entwickelt ihre Technologien, allen voran PROFINET, in diesem Sinne und setzt die hierbei relevanten Anforderungen um, was dem Anwender eine langfristige Planungssicherheit beim Einsatz von PROFINET garantiert.

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