Redundanzkonzepte im Profinet
Die CTE arbeitet stetig daran, die Verfügbarkeit der Anlagen unserer Kunden zu erhöhen. Bei hochverfügbaren Anlagen kommen deshalb in erster Linie Ethernet basierte Kommunikationssysteme zum Einsatz. Diese bieten mehrere Vorteile: Nicht nur die Anlagenverfügbarkeit kann mit unterschiedlichen Redundanzmöglichkeiten dynamischer gestaltet werden, sondern die Systeme sind auch schneller.
Für Automationssysteme sind Feldbusse ein essenzielles Element zur Kommunikation verschiedener Teilnehmer mit einem Leitsystem. Durch die immer grösser werdenden Anforderungen an deren Verfügbarkeit und Geschwindigkeit stossen serielle Feldbusse wie Profibus immer mehr an ihre Grenzen. Aus diesem Grund werden diese nach und nach von Industrial Ethernet basierenden Systemen abgelöst. Diese bringen eine grössere Flexibilität bei der Anbindung und bieten eine erhöhte Transfergeschwindigkeit von bis zu 1Gbit pro Sekunde. Durch diese Flexibilität kann das System je nach Anforderungen an die Verfügbarkeit mit unterschiedlichen Redundanzmöglichkeiten ausgestattet werden.
Die drei wichtigsten für Industrial Ethernet Systeme sind dabei die Controllerredundanz, die Netzwerkredundanz und die logische Redundanz innerhalb der Software. Auf dem Markt sind viele Optionen für Lösungen mit Industrial Ethernet vorhanden. Eine, die sich im europäischen Markt durchgesetzt hat, ist Profinet. Die Profibus & Profinet International Group (PI) lancierte Profinet bereits im 2003 als Alternative zu Profibus. Zu Beginn hat sich dieses neue Format jedoch nur zögerlich durchgesetzt. In den letzten Jahren haben die technischen Vorteile der Ethernet basierten Lösungen sowie das wachsende Portfolio an Unterstützter-Hardware Profinet in Europa zu einem der Markführer gemacht. Und auch im Bereich der Verfügbarkeit bietet Profinet viele Vorteile.
Vier Topologien für Systemredundanzen
1. Systemredundanz S1
Hier werden die IO-Devices ohne jegliche Redundanzen an den Controller angeschlossen. Das Unterbrechen der Kommunikationsverbindung führt zu einem Ausfall der Teilnehmer.
2. Systemredundanz S2
Dabei handelt es sich um eine Controllerredundanz in Kombination mit einer logischen Redundanz aufseiten der Teilnehmer. Diese sind in einem offenen Ring zu den Controllern verbunden. Bei einem Ausfall des primären Controllers oder einem Kommunikationsunterbruch wird automatisch der sekundäre Controller aktiv und alle Teilnehmer stellen die Verbindung individuell her. Bei einem Ausfall eines Interfacemoduls fällt der Teilnehmer jedoch komplett aus.
3. Systemredundanz R1
Dies ist eine Kombination von Controller- und Netzwerkredundanz. Dabei ist jeder Teilnehmer über zwei Interfacemodule mit jeweils einem Controller verbunden. Im Vergleich zu der Systemredundanz S2 unterscheidet sich das System durch zwei getrennte Netzwerke und schützt damit vor einem Ausfall eines Netzwerks. Bei einem Ausfall eines Interfacemoduls ist der Teilnehmer weiterhin verfügbar. Der Nachteil dieser Lösung ist das doppelte Volumen der verwendeten Kabel.
4. Systemredundanz R2
Die R2 Redundanz ist eine Kombination aus der S2 und R1 Redundanz. Dementsprechend ist sowohl die logische als auch die physikalische Redundanz aufseiten der Controller und Teilnehmer gegeben. Durch diesen Aufbau kann eine Störung auf Netzwerk- und Controllerebene auftreten, ohne dass die Funktionalität des Systems beeinträchtigt wird.
5. Medienredundanzprotokoll
Zusätzlich zu den Systemredundanzen unterstützt Profinet das Medienredundanzprotokoll (MRP), welches die Verfügbarkeit durch eine Ring-Topologie sicherstellt. Bei dem MRP handelt es sich um eine logische Redundanz. Dabei blockiert ein Ringmaster einen Port des Ringes und kommuniziert über den anderen mit allen IO-Devices. Verliert der Master die Verbindung zu einem oder mehreren IO-Devices durch einen Drahtbruch oder einen Ausfall eines IO-Devices, wird der zweite Port freigegeben und die Kommunikation darüber wieder hergestellt.
Fazit
Profinet unterstützt viele standardisierte Möglichkeiten, wie eine Systemredundanz aufgebaut werden kann. Ausserdem sind diese frei kombinierbar, um weitere Sicherheiten für kritische Anwendungen zu schaffen. Wichtig ist es aber zu berücksichtigen, dass nicht alle Anbindungsmöglichkeiten und Protokolle bei allen Leitsystemen und Teilnehmern verfügbar sind. Vor Festlegung der Systemtopologie muss dies deshalb jeweils abgeklärt und das System entsprechend angepasst werden.
Aktuell arbeitet CTE daran, Profinet auf weitere Leitsysteme anwenden zu können, mit dem Ziel, die Sicherheit in den hochverfügbaren Anlagen unserer Kunden zu erhöhen.
