Industrielle Kommunikation mit Profinet

Industrielle Kommunikation mit Profinet
Prof. Dr.-Ing. Heinz Frank
(Stand: 12/2009)
Inhalt:
1
Übersicht
2
Profinet IO
3
3.1
3.2
3.3
RT-Kommunikation
Geräteklassen
Aufbau von Applikations- und Kommunikationsbeziehungen
Zyklische Übertragung von Ein-/Ausgabesignalen
4
IRT-Kommunikation
5
Profinet CBA
6
Literaturhinweise
Anhang 1: Profinet für SIMATIC S7-Steuerungen
Anhang 2: Laboraufgaben
Industrielle Kommunikation mit PROFINET
1
1 Übersicht
PROFINET unterstützt als industrielles Kommunikationssystem drei Leistungsstufen (siehe Bilder 1-1
und 1-2) [1]:
•
PROFINET CBA (CBA - component based automation)
Die Übertragung von Engineeringdaten und anderen zeitunkritischen Daten erfolgt über
TCP/IP und DCOM ( = Distributed Component Object Model). Diese Kommunikation findet
zwischen intelligenten Feldgeräten in verteilten Automatisierungsstrukturen statt.
•
PROFINET IO – RT-Kommunikation (realtime)
Die RT-Kommunikation ist für die Kommunikation von Steuerungen („Controller“) mit dezentralen Sensoren und Aktoren („Devices“) vorgesehen. Ähnlich wie beim Profibus werden die
folgenden Dienste unterstützt:
- Es können zyklisch Daten übertragen werden.
- Mit READ-/WRITE-Diensten können azyklische Daten übertragen werden.
- Für verschiedene Ereignisse wurde eine Alarmbearbeitung standardisiert.
•
PROFINET IO - IRT-Kommunikation (isochronous realtime)
Für Motion-Control-Anwendungen wird eine isochrone Echtzeitkommunikation unterstützt.
Sie ermöglicht z.B. bei einer Taktrate von 1 ms eine Jitter-Genauigkeit von 1 μs.
Bild 1-1: Zeitliche Anforderungen an industrielle Kommunikationssysteme [Quelle: PNO]
Bild 1-2: Protokolle von Profinet [Quelle: PNO]
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2
Zur besseren Strukturierung von Profinet-IO-Feldgeräten wurden folgende Geräteklassen definiert
(siehe Bild 1-3):
-
Ein IO-Controller ist typischerweise eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), in der
das Automatisierungsprogramm abläuft. (Entspricht bei Profibus „Master Klasse 1“)
-
Ein IO-Superisor ist typischerweise ein Programmiergerät (PG), ein Personal Computer (PC)
oder Human-Machine-Interface (HMI). (Entspricht bei Profibus „Master Klasse 2“)
-
Ein IO-Device ist ein dezentral angeordnetes IO-Gerät, das über Profinet IO angekoppelt
wird. (Entspricht bei Profibus „Slave“)
In einem Profinet-Netzwerk gibt es mindestens einen IO-Controller und ein oder mehrere IO-Devices.
Ein IO-Device kann mit mehreren IO-Controllern Daten austauschen. Ein IO-Supervisor ist für
Inbetriebnahmezwecke meist nur temporär vorhanden.
Profinet IO folgt beim Datenaustausch dem Provider-Consumer-Modell:
-
Der Provider (z.B. ein Feldgerät) bietet dem Consumer (z.B. eine Steuerung) eine Leistung
innerhalb eines Rahmens (Vertrag).
Der Consumer kann sich Provider aussuchen.
Die Leistung beschreibt der Provider in Form von „Services“, die er anbietet.
Profinet ist in der IEC 61158 und der IEC 61784 standardisiert.
Bild 1-3: Strukturierung der Geräte in einem Profinet-Netzwerk
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3
2 Profinet IO
Der Anschluss der Profinet-IO-Feldgeräte erfolgt ausschließlich über Switches. Ein Profinet-IONetzwerk kann in Stern-, Baum-, Linien- oder Ringtopologie aufgebaut werden. Profinet IO basiert auf
der Fast-Ethernet-Standardübertragung mit 100 Mbit/s. Als Übertragungsmedien sind Kupferleitungen
oder Lichtwellenleiter zugelassen. Die Festlegungen für Funkübertragung für Profinet IO sind zurzeit
in der Spezifikationsphase.
Innerhalb von Profinet IO werden die beiden Protokolle unterschieden (siehe auch Bild 2-1):
-
RT-Kommunikation (RT – realtime) und die
IRT-Kommunikation (IRT – isochronous realtime)
Profinet IO unterstützt die folgenden Kommunikationsdienste
-
Adressauflösung bei Feldgeräten
Zyklische Übertragung von I/O-Daten
Azyklische Übertragung von Alarmen
Azyklische Übertragung von Bedarfsdaten (Parameter, Diagnosen, Geräteidentifikation, …)
Taktsynchronisation
Redundanz des Übertragungsweges
Komfortable Anlagendiagnose
Gerätetausch ohne zusätzliche Tools
Bild 2-1: Merkmale der RT- und der IRT-Kommunikation (Quelle: Siemens)
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4
3 RT-Kommunikation
3.1 RT-Klassen
Bei der RT-Kommunikation werden 4 Klassen unterschieden. Der Unterschied liegt hierbei nicht in
der Performance, sondern im Determinismus:
-
RT_CLASS_1
Unsynchronisierte RT-Kommunikation innerhalb eines Subnetzes. Bei dieser Kommunikation
sind keine speziellen Adressierungsinformationen notwendig. Der Zielteilnehmer wird nur
anhand der "Dest. Addr" identifiziert. Die unsynchronisierte RT-Kommunikation innerhalb eines
Subnetzes ist bei Profinet IO die übliche Art der Datenübertragung. Wenn sich der RTDatenverkehr auf ein Subnetz (gleiche Netz-ID) beschränken lässt, ist diese Variante die
einfachste. Dieser Kommunikationsweg ist parallel zur UDP/IP-Kommunikation standardisiert
und in jedem IO-Feldgerät implementiert. In dieser RT-Klasse können industrietaugliche
Standard-Switches eingesetzt werden.
-
RT_CLASS_2
RT_CLASS_2-Frames können synchronisiert oder unsynchronisiert übertragen werden. Die
unsynchronisierte Kommunikation ist hier genauso zu sehen wie die RT_CLASS_1Kommunikation. Bei der synchronisierten Kommunikation wird der Beginn eines Buszyklus für
alle Teilnehmer definiert. Damit ist das Zeitraster genau festgelegt, wann Feldgeräte senden
dürfen. Dies ist für alle an der Kommunikation beteiligten Feldgeräte in der RT_CLASS_2 immer
der Anfang des Buszyklus. Profinet-taugliche Switches müssen bei dieser Kommunikation diese
Synchronisation unterstützen. Für diese auf Performance ausgelegte Datenübertragung sind
spezielle Hardware-Vorkehrungen zu treffen (Ethernet-Controller/Switch mit Unterstützung der
Taktsynchronisation).
-
RT_CLASS_3 (IRT)
Synchronisierte Kommunikation innerhalb eines Subnetzes. Bei der synchronisierten
RT_CLASS_3-Kommunikation erfolgt das Senden der Prozessdaten nach einer genauen, beim
Anlagen-Engineering festgelegten, Reihenfolge mit höchster Präzision (maximal erlaubte
Abweichung vom Beginn eines Buszykluss ist 1 µs). Diese optimierte Datenübertragung wird
auch als IRT-Funktionalität bezeichnet (Isochronous Real-Time oder Taktsynchronität). Bei der
RT_CLASS_3-Kommunikation kommt es zu keinen Wartezeiten. Für diese auf höchste
Performance getrimmte Datenübertragung sind spezielle Hardware-Vorkehrungen zu treffen
(Ethernet-Controller mit Unterstützung der Taktsynchronisation). ‚
-
RT_CLASS_UDP
Die unsynchronisierte subnetzübergreifende Kommunikation zwischen unterschiedlichen
Subnetzen benötigt Adressierungsinformationen über das Zielnetzwerk (IP-Adresse). In dieser
RT-Klasse können Standard-Switches eingesetzt werden. Für RT-Frames ist es ausreichend,
Datenzyklen von 5 ms bei 100 Mbit/s im Vollduplex-Betrieb mit VLAN-Tag zu erreichen. Diese
RT-Kommunikation kann mit allen verfügbaren Standardnetzwerkkomponenten realisiert
werden.
3.2 Aufbau von Applikations- und Kommunikationsbeziehungen
a) Strukturierung von Daten
Es werden „IO-Data Objects“ zwischen einem „Provider“ und einem „Consumer“ zyklisch unquittiert
übertragen. Die IO-Data Objects können in „IO-Elemente“ gegliedert werden. Diese können aus einem
Satz von Datenelementen bestehen, die konsistent zu übertragen sind.
Für die Übertragung werden die IO-Elemente modelliert:
- Sie werden einem bestimmten Modul oder Submodul zugeordnet.
- Sie erhalten einen Producer- und Consumer-Status (Producer = Sender; Consumer =
Empfänger).
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5
b) Applikations- und Kommunikationsbeziehungen
Für die Nutzung der in Abschnitt 2 genannten Kommunikationsdienste ist es immer notwendig
zwischen den Teilnehmern zunächst eine Applikationsbeziehung (AR – Application Relation)
aufzubauen.
In einer AR können mehrere Kommunikationsbeziehungen (CR – Communication Relation) aufgebaut
werden. Diese sind eindeutig durch die FrameID und den EtherType referenziert. Die wichtigsten
Arten von Kommunikationsbeziehungen sind:
- azyklischer CR = Record Data-CR (wird immer als erstes aufgebaut),
- IO-CR für die zyklische Übertragung von IO-Daten,
- Alarm-CR für die azyklische Übertragung von Ereignissen.
Beim Aufbau einer IO-CR (ConnectSeq) werden die folgenden Vereinbarungen festgelegt:
- FrameID,
- Datenelemente, die übertragen werden sollen,
- Reihenfolge der Frames,
- Übertragungszyklus der Frames.
3.3 Zyklische Übertragung von Ein-/Ausgangssignalen (Nutzdatenaustausch)
In Bild 3-1 ist ein Beispiel für die zyklische Übertragung von Profinet RT-Frames mit Ein/Ausgangssignalen dargestellt. Eine solche Übertragung ist durch die folgenden Merkmale
gekennzeichnet:
- Die Daten werden in einem festen Takt übertragen. Dabei können die Aktualisierungsraten bei
den einzelnen Devices unterschiedlich sein (reduction ratio = Untersetzung) (siehe Bild 3-1).[46]
- Der Consumer überwacht die Kommunikation. Die Wiederholungsüberwachung erfolgt mit Hilfe
eines „CycleCounters“.
- Der Empfänger schickt keine explizite Quittierung (Übertragung erfolgt unconfirmed).
Bild 3-1: Übertragung von Frames mit IO-Signalen [2]
Der Aufbau eines Profinet RT-Frames ist in Bild 3-2 dargestellt.
- Die kleinste Framegröße ist 64 Bytes. Diese bedeutet, dass zwischen FramID und Cycle
mindestens 40 Bytes übertragen werden müssen.
- Optional können die Frames auch über IP/UDP übertragen werden.
Bild 3-3 zeigt ein Beispiel für ein RT-Telegramm.
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DestAddr
SrcAddr
VLAN
EtherType
-
6
Zieladresse (MAC-Adresse)
Quellenandresse (MAC-Adresse)
VLAN-Tag für die Übertragung der Priorität
0x8892 -> RT-, IRT- oder Zeitsynchronisationstelgramm
0x0806 -> VLAN-Tag
FrameID
- enthält die im Connect ausgetauschte FrameID (siehe auch Tabelle 3-1)
Daten; IOPS, IOCS
- Input-Daten: IO-Device -> IO-Controller
Output-Daten: IO-Device <- IO-Controller
Cycle
- enthält die Zyklusnummer in Werten von 31,25 µs
Beispiel für Zykluszeit 4 ms: Der Wert von Cycle wird in jedem Telegramm
um 128 modulo 65535 erhöht (128 * 31,25 µs = 4 ms)
Data Status
- Bit0 (State): 1 = Primary, zeigt den aktuellen Übertragungskanal an
- Bit2 (DataValid): 1 = Daten sind gültig; 0 = nur im Hochlauf erlaubt
- Bit4 (ProcessState) 1 = Der Prozess, von dem die Daten kommen läuft
ist noch in Ordnung
- Bit5 (ProblemIndicator) 1 = Es sind keine Probleme vorhanden.
TransferStatus - muss immer 0 sein!
Bild 3-2: Aufbau eines Frames [2]
von
bis
Bedeutung
0000
007F
Zeitsynchronisation azyklisch
0080
00FF
Zeitsynchronisation azyklisch
0100
7FFF
RT Klasse 3 Frames zyklisch
(IRT)
8000
BEFF
RT Klasse 2 Frames zyklisch unicast
BF00
BFFF
RT Klasse 2 Frames zyklisch multicast
C000
FAFF
RT Klasse 1 Frames zyklisch unicast
FB00
FBFF
RT Klasse 1 Frames zyklisch multicast
FC00
FCFF
Azyklische Übertragung high
FC01
Profinet IO Alarm high
FC02
Profinet IO Event high
FE00
FEFF
Azyklische Übertragung low
FE01
Profinet IO Alarm low
FE02
Profinet IO Event low
Zeitsynchronisation bei IRT: Precision Transparent Clock Protocol (PTCP).
von
bis
Bedeutung
0000
001F
Azyklisches RT Sync-Telegramm
0080
Zyklisches RT Sync-Telegramm
FF00
Azyklisches RT Sync-Telegramm (Takt)
FF01
Azyklisches RT Sync-Telegramm (Zeit)
FF20
Azyklisches RT FollowUp-Telegramm (Takt)
FF21
Azyklisches RT FollowUp-Telegramm (Zeit)
FF22
FF3F
Azyklisches RT FollowUp-Telegramm
FF40
Azyklisches RT DelayReq-Telegramm
FF41
Azyklisches RT DelayResp-Telegramm
FF42
Azyklisches RT FollowUpResp-Telegramm
Tabelle 3-1: Frame-IDs
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IOxS
Frame-ID
APDU-Status:
DataStatus / Transferstatus
Cycle Counter
Bild 3-3: Telegramm für eine RT-Kommunikation (Beispiel)
7
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4. IRT-Kommunikation
Die wichtigsten Merkmale einer IRT-Kommunikation können wie folgt zusammengefasst werden:
-
Die Übertragung der Daten erfolgt in äquidistanten Zeitintervallen. Bei einem Zeitintervall von 1
ms wird ein Jitter von < 1 µs erreicht.
Jedes Zeitintervall wird in ein IRT-Intervall (IRT-Kanal) und in ein offenes Intervall (offener
Kanal) unterteilt (siehe Bild 4-1).
Am Anfang eines jeden Zeitintervalls erfolgt eine Zeitsynchronisation.
Ein IRT-Frame (siehe Bild 4-2) ist durch seine zeitliche Lage innerhalb des IRT-Kanals
gekennzeichnet.
Für die Gewährleistung der zeitlichen Anforderungen sind spezielle IRT-Switches erforderlich
(siehe Bild 4-3):
¾ Real Time Netze sind vergleichbar mit Autobahnen, die eine Überholspur besitzen, auf
der RT-Frames die IT-Frames überholen.
¾ Durch die Zeitsynchronisation bekommen alle Switches den Zeitpunkt für den Start
mitgeteilt, IRT-Telegramme durchzuschleusen.
Bild 4-1: Zeitintervalle bei einer IRT-Kommunikation [6]
56 Bits
Preamble
8 Bits
SYNCH
6 Byte
Dest.Addr.
6 Byte
Src. Addr.
- wird immer ohne VLAN-Tag übertragen!
Bild 4-2: Aufbau eines IRT-Frames
2 byte
Ether
type
2 byte
Frame
ID
36..1490 byte
RT – User data
4byte
FCS
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Bild 4-3: Verhalten von IRT-Switches
Die Zeitsynchronisation erfolgt bei IRT mit Hilfe des Precision Transparent Clock Protocol (PTCP)
bzw. PTP (nach IEEE 1588). Der Ablauf einer solchen Zeitsynchronisation ist in Bild 4-4 dargestellt.
- Zunächst werden in einem Synchronisationskanal die zeitlichen Verzögerungen der
Telegramme zu den Teilnehmern im Netzwerk bestimmt (Line Delay Measurement: Tld).
- In den nachfolgenden Synchronisationskanälen kann die Zeitsynchronisation dann mit Hilfe von
Followup-Telegrammen, die als Multicast-Telegramme übertragen werden, erfolgen.
- Das Synchronisationsverfahren setzt ein symmetrisches Leitungsmodell voraus. Alle
Unsymmetrien
der
Leitung
und
der
Übertragungseinrichtungen
führen
zu
Synchronisationsfehlern.
Bild 4-4: Ablauf der Zeitsynchronisation mit Hilfe des PTCP-Protokolls
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5. Profinet CBA
PROFINET IO-Systeme können mit Hilfe von PROFINET CBA in die Maschine-MaschineKommunikation eingebunden werden. Aus einem PROFINET IO-System wird z. B. in STEP 7 eine
PROFINET-Komponente erstellt. Mit SIMATIC iMap können solche Komponenten dann miteinander
verbunden werden. Die Kommunikationsverbindungen zwischen den Geräten werden einfach grafisch
als Verschaltungslinien projektiert. Bild 5-1 zeigt eine verteilte Automatisierungslösung mit mehreren
Komponenten, die über PN kommunizieren. Die rechte Komponente enthält ein PN IO-System.
Bild 5-1: Vernetzung von Steuerungen mit Profinet CBA
6. Literaturhinweise
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
PROFIBUS Nutzerorganisation: PROFInet – more than Just Ethernet
PNO, März 2003 www.profibus.com PROFInet_Web-March2003_de[1].pdf
M. Popp, K. Weber: Der Schnelleinstieg in PROFINET.
PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. Karlsruhe, 2004.
A. Boller, C. Münch: Innovation für Echtzeit-Ethernet.
Elektronik (2005) Nr. 10, S.36 – 40.
J. Schwager: Ethernet erreicht das Feld. Sechs Echtzeit-Varianten im Vergleich – Teil 1.
Elektronik (2004) 11, S. 48 – 54.
N.N.; Profinet – Technologie und Anwendung.
PROFIBUS-Nutzerorganisation, Karlsruhe, 2003. (4131_dSeptember-2003-german.pdf)
R. Pigan, M. Metter: Automatisieren mit PROFINET. Industrielle Kommunikation auf Basis von
Industrial Ethernet. Publicis Corporate Publishing, 2005.
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Anhang 1
Profinet für SIMATIC S7-Steuerungen
1 Projektierung eines Profinet mit Step 7
a) CPU projektieren
Es wird davon ausgegangen, dass in HW-Konfig die CPU bereits projektiert wurde (siehe Bild 1-1)
Bild 1-1: Hardwarekonfiguration mit
CPU 315-2 PN/DP
Projektierung der Profinet-Schnittstelle (= X2-Schnittstelle) auf der CPU:
-> Doppelklick auf X2-Schnittstelle
-> Eingabe im Bild „Eigenschaften – PN-IO“ im Register Allgemein (siehe Bild 1-2):
Gerätename: z.B. sp088 (Name von EDV-Administration)
-> Eigenschaften
-> Eingaben im Bild „Eigensch. – Ethernet Schnittstelle“ im Register Parameter (siehe Bild 3-2):
IP-Adresse: z.B. 141.7.213.178 (wird von EDV-Administration festgelegt)
Subnetz-Maske: 255.255.255.0
Router verwenden!
Router-Adresse: 141.7.213.1
Bild 1-2: Bilder „Eigenschaften – PN-IO“ und „Eigenschaften – Ethernet Schnittstelle“
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-> Neu -> Anzeige „Eigenschaften – Neues Subnetz Industrial Ethernet“ (siehe Bild 1-3)
-> Subnetz-Name eingeben (z.B. BeispielProfinet) -> OK -> OK ->OK
Bild 1-3: Bild „Eigenschaften – Neues Subnetz Industrial Ethernet“
b) IO-Device einfügen
Im Hardwarekatalog muss das IO-Device ausgewählt und mit Drag&Drop an das Profinet angehängt
werden (siehe Bild 1-4).
Bild 1-4: Einfügen eines IO-Devices an ein Profinet
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-> Doppelklick auf IO-Device
-> Eingaben im Bild„Eigenschaften – ILB-PN-DIO“ (siehe Bild 3-5):
Gerätename: z.B. sp104 (wird von EDV-Administration vorgegeben)
-> Ethernet -> Eingaben im Bild „Eigenschaften – Ethernetschnittstelle …“ (siehe Bild 1-5 ):
IP-Adresse: z.B. 141.7.213.194 (wird von EDV-Administration vergeben)
-> OK
-> Eingaben im Bild „Eigenschaften – sp104“ im Register IO-Zyklus:
Aktualisierungszeit: z.B. 2 ms
-> OK
Bild 1-4: Anzeigebilder für die Parametrierung eines IO-Devices
Bild 1-5:
Anzeigebild „Eigenschaften – sp104“
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Bei modularen IO-Devices muss der Hardwareaufbau dieses Devices noch projektiert werden. Hierfür
muss das IO-Device zunächst wie in Bild 1-6 dargestellt markiert werden. Anschließend können die
Module für das IO-Device mit Drag&Drop in dem unteren Bereich des Anzeigbildes projektiert werden.
Bild 1-6: Projektierung eines modularen IO-Devices
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2 Testen einer Profinet-Kommunikation
2.1 Überprüfen der LEDs
Die Bedeutung der LEDs auf der CPU sind in Bild 2-1 und auf einem IO-Device in Bild 2-2 dargestellt.
Bild 2-1: Anzeige-LEDs auf einer CPU mit PN-Schnittstelle
Bild 2-2: Anzeige-LEDs auf einem IO-Device (Beispiel: ILB PN von Fa. Phoenix Contact)
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2.2 Beobachten/Steuern von E/A-Signalen über das Profinet
In HW-Konfig:
-> IO-Device markieren -> mit rechter Maustaste auf Ein-/Ausgänge -> Beobachten/Steuern
-> Anzeige „Beobachten/Steuern“ (siehe Bild 2-3) -> Beobachten aktivieren bzw. „Steuern“
Bild 2-3: Beobachten/Steuern von E/A-Signalen
2.3 ONLINE-Diagnose
a) Übersicht der Hardware-Konfiguration
Bedienung in HW Konfig
-> In der Menüleiste auf „Station“ -> „Online öffnen“ auswählen (siehe Bild 2-4).
Bild 2-4: Online Diagnose
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b) Baugruppenzustand
In der Übersicht der Hardwarekonfiguration kann mit einem Doppelklick auf eine Baugruppe deren
Baugruppenzustand online angezeigt (siehe Bild 2-5 und Bild 2-6).
Bild 2-5: Baugruppenzustand der CPU
Bild 2-6: Baugruppenzustand eines IO-Devices
3.3 Programmierung
Auf die Ein-/Ausgabedaten der IO-Devices kann im Prozessabbild zugegriffen werden.
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Anhang 2
Laboraufgaben
Aufgabe 1: Ansteuerung eines Motors über Profinet (LABORAUFGABE)
Die Laborarbeitsplätze sind mit einem Steuerungssystem entsprechend Bild 4-1 ausgerüstet. Das
Modell für das Garagentor ist an einen dezentralen E/A_Modul (Phoenix ILB PN) angeschlossen. Die
SPS-Steuerung empfängt die Eingangssignale und sendet die Ausgangssignale über ein EthernetNetzwerk an das Garagentor.
Switch: SCALANCE X208
12 3 4 5 6 7 8
Profinet
PG
CPU
315-2 PN/DP
Phoenix ILB PN
dig. E/A
wago IO-Device
DAU
ADU
Modell
Garagentor
Bild 4-11: CPU 315-2 PN/DP mit einem Profinet
a) Legen Sie ein neues Projekt an und konfigurieren Sie die CPU 315-2 PN/DP mit einem
Profinet-Subnetz.
b) Führen Sie die folgenden Testfunktionen durch:
- Überprüfen Sie die LEDs an der CPU und an den IO-Devices.
- Überprüfen Sie die Kommunikation über den Profinet mit der Funktion
„Beobachten/Steuern“
- Führen Sie eine Online-Diagnose durch.
c) Programmieren Sie die Steuerungsfunktion für das Garagentor.
d) Zeichnen Sie den Datenverkehr über das Profinet mit dem Netzwerkanalyzer Wireshark auf und
analysieren Sie ein Profinet-Telegramm.