Benutzer:Felser/Spielwiese

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Pendenzen

Profisafe

Profisafe (Process field safety) (Eigenschreibweise: PROFIsafe) ist ein Standard für ein Kommunikationsprotokoll zur Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten in Anwendungen der Automatisierung mit funktionaler Sicherheit.

Systemaufbau

Profisafe[1] definiert wie sicherheitsgerichtete Geräte (Not-Aus-Taster, Lichtgitter, Überfüllsicherungen, …) über Profinet, Profibus oder einen Backplane mit Sicherheitssteuerungen so sicher kommunizieren, dass sie in sicherheitsgerichteten Automatisierungsaufgaben bis SIL3 (Safety Integrity Level) eingesetzt werden können.

Funktionsprinzip

Sicherheitsrelevante Daten werden mit Profisafe[2][3] als F-Nachrichten zwischen einem F-Host (Sicherheitssteuerung) und seinem F-Device (Sicherheitsgerät) als Nutzfracht in einem Telegramm eines industriellen Netzwerkes transportiert. Im Fall eines modularen F-Devices mit mehreren F-Modulen besteht die Nutzfracht aus mehreren F-Nachrichten. Dabei stellt Profisafe keine weiteren Anforderungen an den Übertragungskanal, dieser wird als "Black-Channel" betrachtet. Somit können verschiedene Transportprotokolle wie Profibus oder Profinet verwendet werden. Unterschiedliche Übertragungskanäle wie Kupferkabel, Lichtwellenleiter (LWL), Rückwandbus oder drahtlose Systeme wie WLAN können eingesetzt werden. Weder die Übertragungsraten noch die jeweilige Fehlererkennung des Transportprotokolls spielen eine Rolle für die Sicherheit.

In der nachfolgenden Abbildung ist das Format der Nutzfracht einer „Safety Protocol Data Unit (SPDU)”[4] dargestellt:

Nutzdaten Status/Control Byte CRC Signatur
1 bis 12/13 (maximal 123) Bytes 1 Byte 4 Bytes

Die Zyklische Redundanzprüfung (CRC Signatur) wird dabei über alle lokalen Sicherheitsparameter, die übertragenen Daten und die lokal abgespeicherte Monitoring-Nummer der SPDU gerechnet. Damit wird sichergestellt, dass alle Informationen des Senders und des Empfängers konsistent sind, ohne alle Parameter immer übertragen zu müssen.

Anhand der Monitoring-Nummer kann der Empfänger nachvollziehen, ob er die Nachrichten vollzählig und in der richtigen Reihenfolge erhalten hat. Mit der Quittung gelangt die Monitoring-Nummer innerhalb einer definierten maximalen Verzögerungszeit (Timeout) zur Prüfung zurück zum Sender. Da einige Buskomponenten, wie z.B. Switches, über einen Zwischenspeicher verfügen, wurde für Profisafe eine 32-Bit Monitoring-Nummer gewählt.

Die 1:1 Kommunikationsbeziehung zwischen F-Host und F-Device vereinfacht die Erkennung von fehlgeleiteten F-Nachrichten. Dazu benötigen Sender und Empfänger eine eineindeutige Kennung (Codename) im gesamten Netzwerk, die der Überprüfung der Authentizität von F-Nachrichten dient. Bei Profisafe wird der Codename auch „F-Address” genannt.

Die nachfolgende Tabelle zeigt auf, welche Fehler von welcher Massnahme erkannt werden können:

Fehler Monitoring-Nummer Timeout Codename CRC
Verdoppelung einer Meldung Ja
Auslöschung einer Meldung Ja Ja
Einfügen einer Meldung Ja Ja Ja
Ändern der Reihenfolge von Meldungen Ja
Veränderung an den Daten Ja
Verzögerung einer Meldung Ja
Eine Nachricht gibt sich als sichere Meldung aus Ja Ja Ja
Übertragungspuffer wird (z.B. in einem Switch) entfernt Ja

Spezifikation

Die internationale Norm IEC 61508 Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme[5] [6] und IEC 62061 Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme sind auch die Basis für Profisafe.

Profisafe realisiert die sichere Kommunikation über ein Profil, d. h. über ein besonderes Format der Nutzdaten und ein spezielles Protokoll. Profisafe ist für Profinet und Profibus in der Norm IEC 61784-3-3 [7] festgelegt.

Auch die Normenreihe der IEC 61000 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) muss für Profisafe berücksichtigt werden.

Einzelnachweise

  1. Flyer Profisafe: Sicher, integriert, offen. In: Dokumentation. Profinet International, 2019, abgerufen am 6. September 2022.
  2. PROFIsafe Systembeschreibung. In: Dokumentation. Profinet International, 2016, abgerufen am 6. September 2022.
  3. Holger Schlingloff, Mario Friske, Herbert Barthel: Verifikation und Test des PROFIsafe-Sicherheitsprofils
  4. PROFIsafe Profile Specification. In: Specification. Profinet International, 2020, abgerufen am 6. September 2022.
  5. J. Börcsök: Elektronische Sicherheitssysteme. Hüthig GmbH & Co. KG, Heidelberg 2004, ISBN 3-7785-2939-0.
  6. P. Wratil, M. Kieviet: Sicherheitstechnik für Komponenten und Systeme. Hüthig GmbH & Co. KG, Heidelberg 2007, ISBN 3-7785-2984-6.
  7. IEC 61784-3-3: Industrial communication networks - Profiles - Part 3-3: Functional safety fieldbuses - Additional specifications for CPF 3. In: Internationale Normen. International Electrotechnical Commission (IEC), 2021, abgerufen am 6. September 2022.


omlox

Omlox oder auch omlox

IEEE 802.15.4z

Die standardisierten Schnittstellen:

  • Omlox air-Interface
  • Omlox Hub API

sollten explizit erwähnt werden.

In Zusammenarbeit mit:

https://www.researchgate.net/publication/358234389_Standardisierte_Indoor-Ortung_mit_omlox_Exakte_Lokalisierung_fur_Augmented-Reality-Anwendungen_im_Bereich_Industrie_40

https://www.researchgate.net/publication/358516443_Potenzialanalyse_eines_Standards_fur_Ortungssysteme_zum_Einsatz_in_der_Produktion_und_Logistik

Betrieb

Ein omlox hub ist für verschiedene Betriebsszenarien konzipiert. Im Umfeld der Echtzeit-Anwendungen finden dabei häufig noch Installation in Edge-Umgebungen, z.B. in der Produktionsanlage statt. Aber auch Betriebsszenarien in der Cloud oder Mischformen können durch einen omlox hub Umsetzung adressiert werden. <nicht klar? Referenzen erforderlich>


Anwendungen der omlox core zone
Fences und Zonen in einem omlox hub

Nicht für die Veröffentlichung bestimmt

https://de.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Namenskonventionen#Abk%C3%BCrzungen_und_Eigennamen_mit_Abweichungen_von_den_Regeln_der_Rechtschreibung

https://de.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Namenskonventionen#Gro%C3%9F-_und_Kleinschreibung_des_Anfangsbuchstabens


https://youtu.be/u1wI7JU6tJc

https://youtu.be/rDWNorimI2E


Ethernet

100BASE-T1

100BASE-T1 IEEE 802.3bw-2015
in der von IEEE 802.3b [1] standartisierten Fast-Ethernet Definition 100BASE-T1[2] werden die Daten über ein symetrisch verdrilltes Kupferpaar mit PAM-3 vollduplex übertragen. Das Twisted-Pair-Kabel von 100 Ω Impedanz muss mindestens 66 MHz übertragen können, damit eine maximalen Länge von 15 m erreicht werden kann. Der Standard ist für Anwendungen im Automobilbereich[3] vorgesehen. Für industrielle Anwendungen wurde von der Interessengruppe Single Pair Ethernet (SPE)[4] in der IEC 63171-6 der Stecker IEC 61076-3-125 für industrielle Anwendungen von 100BASE-T1 festgelegt. 100BASE-T1 wurde vor der IEEE-Normung als BroadR-Reach entwickelt.[5]

https://webstore.iec.ch/publication/33844 IEC 63171-6:2020 Connectors for electrical and electronic equipment - Part 6: Detail specification for 2-way and 4-way (data/power), shielded, free and fixed connectors for power and data transmission with frequencies up to 600 MHz. TC 48/SC 48B

1000BASE-T1

1000BASE-T1 IEEE 802.3bp-2016
802.3bp[6] standardisierte 1000BASE-T1[7] als Gigabit-Ethernet über eine einzelne verdrillte Zweidrahtleitung für Automobil- und Industrieanwendungen. Sie enthält Kabelspezifikationen für eine Reichweite von 15 Metern (Typ A) oder 40 Metern (Typ B). Die Übertragung erfolgt mit PAM-3 bei 750 MBd.

SPE

https://www.harting.com/sites/default/files/2019-02/Schlank%20zu%20I4.0%2001_2019.pdf

Am 23. Januar 2020 hat das Normengremium die IEC 63171-6 als internationale Norm für Single Pair Ethernet (SPE) Schnittstellen in industriellen Anwendungen veröffentlicht. Der Herausgeber ist das IEC Komitee SC 48B Kupfersteckverbinder. Die SPE Technologie ermöglicht die Übertragung von Ethernet über lediglich ein Adernpaar (single pair) durch eine symmetrische Kupferleitung. SPE eignet sich für Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis 1 GBit/s. Das Single Pair Ethernet kann über eine Länge von 1000 Meter übertragen werden. Damit wird diese Technologie besonders für die Prozessautomatisierung interessant.

Zusätzlich zu den eher computerorientierten Zwei- und Vier-Paar-Varianten sind die 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 Single-Pair-Ethernet-PHYs für Anwendungen in der Automobilindustrie[14] oder als optionale Datenkanäle in anderen Interconnect-Anwendungen vorgesehen. [8] Das Single-Pair arbeitet im Vollduplex-Betrieb und hat eine maximale Reichweite von 15 m (100BASE-T1, 1000BASE-T1 Link-Segment Typ A) oder bis zu 40 m (1000BASE-T1 Link-Segment Typ B) mit bis zu vier Inline-Steckverbindern. Beide PHYs erfordern ein symmetrisches verdrilltes Paar mit einer Impedanz von 100 Ω. Das Kabel muss 600 MHz für 1000BASE-T1 und 66 MHz für 100BASE-T1 übertragen können.

Ähnlich wie bei PoE kann Power over Data Lines (PoDL) bis zu 50 W an ein Gerät liefern.[9]

Einzelnachweise

  1. IEEE Standard for Ethernet Amendment 1: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 100 Mb/s Operation over a Single Balanced Twisted Pair Cable (100BASE-T1). In: 802.3bw. IEEE, 2015, abgerufen am 20. August 2020.
  2. ISO/IEC/IEEE International Standard - Information technology -- Telecommunications and information exchange between systems -- Local and metropolitan area networks -- Specific requirements -- Part 3: Standard for Ethernet Amendment 1: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 100 Mb/s Operation over a Single Balanced Twisted Pair Cable (100BASE-T1). In: 8802-3:2017/Amd 1. ISO/IEC/IEEE, 2017, abgerufen am 20. August 2020.
  3. Donovan Porter / Benjamin Kirchbeck: 100BASE-T1-Ethernet –Die Entwicklung der Automobil-Netzwerke. next-mobility.news, 2018, abgerufen am 30. August 2020.
  4. Matthias Fritsche: 100BASE-T1-Ethernet –Die Entwicklung der Automobil-Netzwerke. Harting, 2018, abgerufen am 31. August 2020.
  5. Junko Yoshida: Driven by IEEE Standards, Ethernet Hits the Road in 2016. EETimes. 1. Dezember 2015. Abgerufen am 6. Oktober 2016.
  6. IEEE Standard for Ethernet Amendment 4: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 1 Gb/s Operation over a Single Twisted-Pair Copper Cable. In: 802.3bp. IEEE, 2016, abgerufen am 30. August 2020.
  7. ISO/IEC/IEEE International Standard - Information technology -- Telecommunications and information exchange between systems -- Local and metropolitan area networks -- Specific requirements -- Part 3: Standard for Ethernet Amendment 4: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 1 Gb/s Operation over a Single Twisted-Pair Copper Cable. In: 8802-3:2017/Amd 4. ISO/IEC/IEEE, 2017, abgerufen am 30. August 2020.
  8. New 802.3bw Ethernet Auto Standard Leaves LVDS Cables in the Dust
  9. IEEE 802.3bu-2016 104. Power over Data Lines (PoDL) of Single Balanced Twisted-Pair Ethernet

Ethernet Advanced Physical Layer

Ethernet

Advanced Physical Layer

(Ethernet APL) engl., beschreibt eine physikalische Schicht für die Ethernet-Kommunikationstechnologie, die speziell für die Anforderungen der Prozessindustrie entwickelt wurde. Grund für die Entwicklung von Ethernet APL war die Notwendigkeit einer Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit und über große Entfernungen, die Bereitstellung von Strom- und Kommunikationssignalen über ein einziges 2-adriges Kabel sowie Schutzmaßnahmen für den sicheren Betrieb innerhalb explosionsgefährdeter Bereiche.

Als Teil des weit verbreiteten Ethernet-Standards, der speziell für anspruchsvolle industrielle Anwendungen entwickelt wurde, bietet Ethernet APL ein hohes Maß an Robustheit für einen äußerst zuverlässigen Betrieb.

Im Bereich der Informationstechnologie ist Ethernet längst zur Standard-Kommunikationslösung geworden. Industrial Ethernet ist die gängige Bezeichnung für die Variante dieses Standards für die Fertigungs- und Prozess-Industrie. Ethernet APL wurde als die bisher fehlende Verbindung entwickelt und erweitert die vereinheitlichte Ethernet-Kommunikation bis hin zur Feldinstrumentierung.

Ethernet APL ist einer der möglichen physikalischen Schichten von Ethernet, unabhängig von Protokollen oder Kommunikationsstacks und für eine breite Akzeptanz und Anwendung in der Prozessautomatisierung konzipiert.

Tabelle

OSI-Schicht (de) OSI-Schicht (en) Protokolle
7 Anwendung Application EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET, http,...
6 Darstellung Presentation
7 Sitzung Session
4 Transport Transport UDP TCP
3 Netzwerk Network IP
2 Sicherung Data Link CSMA/CD RTE TSN
1 Bitübertragung Physical Ethernet
Fast-Ethernet
Gigabit-Ethernet
WLAN ...
Ethernet APL

Ethernet als Basis für APL

Ethernet APL ist ein spezielles 2-Draht-Ethernet auf Basis von 10BASE-T1L gemäß IEEE 802.3cg[1] mit zusätzlichen Vorkehrungen für die Prozessindustrie. Die Ethernet APL-Kommunikation ist somit Teil und vollständig kompatibel mit der IEEE 802.3 Ethernet Spezifikation.

Die Übertragung erfolgt mit einer Datenübertragungsrate von 10 Mbit/s, wird 4B3T codiert und als PAM-3 moduliert und mit 7,5 MBaud vollduplex übertragen.

Der Aufbau kann aus einem "Trunk"-Kabel mit maximal 1000 m zwischen den Feldswitches in Zone 1 und den "Spur"-Kabel von maximal 200 m in Zone 0 zwischen einem Feldswitch und einem Feldgerät bestehen.

Ethernet APL enthält eine Reihe von Erweiterungen[2], die speziell auf die anspruchsvollen Anforderungen der Prozessindustrie und anderer Branchen zugeschnitten sind wie Eigensicherheit und Portprofile für optionale Stromversorgung der Anschlüße.

Eigensicherheit

Eigensicherheit ist eine wesentliche Anforderung von der weltweiten Prozessindustrie, die eine einfach zu implementierende Lösung für die Steuerung und Stromversorgung von Feldgeräten in explosionsgefährdeten Bereichen fordern. Eigensicherheit ist als Option vollständig in Ethernet APL integriert.

In der technischen Spezifikation IEC TS 60079-47 ED1[3] soll das eigensichere 2-Draht-Ethernet definiert werden.

Die Barriere für Eigensicherheit ist eine elektronische Schaltung an jedem Ausgang oder Eingang eines Verteilers/Switches oder Feldgerätes. Diese verhindert, dass zündfähige elektrische Energie in den Anschluss gelangt. Die Eigensicherheits-Barriere ist vom Kommunikationskreis (PHY) getrennt, welcher ein einfacher, aber wichtiger Bestandteil des Ethernet-APL-Designs ist. Dieses Konstruktionsprinzip gewährleistet:

  • Chiphersteller können PHY-Chips in Mengen herstellen, die auch in Anwendungen Einsatz finden, die keine Eigensicherheit erfordern
  • Gerätehersteller können auf einfache Weise eigensichere Geräte bauen

Ethernet APL unterstützt die einfache Planung, Validierung, Installation, Dokumentation und Implementierung des eigensicheren Betriebs von Feldgeräten in explosionsgefährdeten Bereichen. Dies beinhaltet unter anderem Arbeiten an Kabeln und Instrumenten ohne Berechtigungsschein[4]. Alle geeigneten Produkte müssen von einer benannten Stelle zugelassen werden.

Portprofile

Zu den Standards für Ethernet APL[3] gehört die Definition von Portprofilen der Anschlüße für die Interoperabilität in verschiedenen Anwendungsszenarien. Dies umfasst Aspekte wie den Segmenttyp, bei dem ein Trunk-to-Trunk-Port von einem Spur-to-Spur-Port unterschieden wird. Andere Spezifikationen beziehen sich auf die Merkmale zur Stromversorgung und unterscheiden z.B. Verbindungen zwischen Stromquelle und Senke- oder Verbindungen ohne Energieversorgung. Eine weiteres Kapitel enthält die Definition von Leistungsklassen der Energieversorgung. Dies beinhaltet die Begrenzung der maximalen Versorgungsspannung und des Versorgungsstroms für eine eigensichere Stromversorgung.

Weitere Themen der Portprofil-Spezifikation sind Verdrahtungsregeln, Pinbelegungen für Klemmen und Steckverbinder sowie Schirmauflage- und Erdungsregeln.


https://www.profibus.com/download/data-test-specification-ethernet-apl

Dieser Testplan deckt die Anforderungen ab, die für Stromquellen-Ports auf Trunk-Segmenten, Quellen-Ports auf Spur-Segmenten, Last-Ports auf Trunk-Segmenten und Last-Ports auf Spur-Segmenten gelten.

Trunks sind 10BASE-T1L-konforme APL-Segmente, die im 2,4-VPP-Betriebsmodus arbeiten. Sie unterstützen eine maximale Kabellänge von 1000 Metern und sind optional mit maximal zwei Zusatzgeräten und bis zu 10 Terminalanschlüssen ausgestattet. Trunk-Segmente sind hauptsächlich für die Übertragung von Energie und Daten zu APL Field Switches vorgesehen und eignen sich für nicht-eigensichere Anwendungen. Es gibt eine Leistungsklasse für Trunk Power Source Ports, die bis zu 57,5 Watt liefern können.

Spur-Segmente sind 10BASE-T1L-konforme APL-Segmente, die im 1,0 VPP-Modus arbeiten. Sie unterstützen eine maximale Kabellänge von 200 Metern und sind optional mit maximal zwei Zusatzgeräten und bis zu 4 Terminalanschlüssen ausgestattet. Spur-Segmente sind hauptsächlich für die Übertragung von Energie und Daten zu APL-Feldgeräten vorgesehen und eignen sich generell für eigensichere Anwendungen. Es gibt zwei Leistungsklassen für Spur Power Source Ports, die entweder 0,54 Watt oder 1,1 Watt liefern können.

https://www.profibus.com/download/power-test-specification-ethernet-apl

Im Rahmen des Ethernet-APL-Projekts hielten es die SDOs und Industriepartner für äußerst wichtig, ein umfassendes Dokument zu erstellen, das den Anwendern bei der Planung und Installation ihrer ersten Ethernet-APL-Netzwerke hilft.

Weitere Informationen

Einzelnachweise

  1. IEEE Standards Association:802.3cg-2019 - IEEE Standard for Ethernet - Amendment 5:Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors verfügbar unter https://standards.ieee.org/standard/802_3cg-2019.html
  2. Advanced Physical Layer APL. In: PI White Paper. Profinet International, 2018, abgerufen am 9. Oktober 2019.
  3. a b International Electrotechnical Commission: IEC TS 60079-47 ED1: Equipment protection by 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet concept (2-WISE) soll im Jahr 2020 veröffentlicht werden.
  4. Beispiel der Berufsgenossenschaft Holz und Metall: Erlaubnis für Arbeiten mit Zündgefahr, Formular verfügbar unter https://www.bghm.de/fileadmin/user_upload/Arbeitsschuetzer/Praxishilfen/Formulare/Brand_und_Explosionsschutz/Erlaubnis_fuer_Arbeiten_mit_Zuendgefahr.doc

Profinet

Es fehlt noch:

  • Zertifizierungstests
  • Zusammenarbeit mit anderen Technologien und Organisationen

Weitere Details

IEEE 802.1Qcc-2018: Steams - Robust routes through the network Networks are not deterministic. Streams describe the way through the net from "Talker" to "Listener". Streams must be registered in all switches on the way with protected resources. Frames are discarded if there is no associated stream. A stream is identified by a multicast destination address and a VLAN tag.

IEEE 802.1ASrev: Time synchronization - precious clock <1μs Jitter All devices in the network are synchronized on a time basis. For an accuracy of better than 1µs, delays on the line and in the switches must be measured. Two clock times: "working clock" for controls "wall clock" for loggings, etc. Send list control & synchronous application

IEEE 802.1CB Seamless Redundancy Medienredundanz Seamless media redundancy "Double-routing" of frames through the net. A: Through the Talker (PROFINET) B: Through the switch (HSR/PRP) Destroying duplicates in the listener or switch Configuration of redundant routes required


Network Management Engine is added to the PROFINET Controller. The Network Management Engine provides topology acquisition, path planning and network configuration. This extends PROFINET with Plug & Play even for Motion. The handling of the familiar engineering tools does not change.

A Network Management Engine (NME) consists of Path Computation Element (PCE) Topology Discovery Engine (TDE) Topology database (TopoDB) Network Configuration Engine (NCE) Network Update Engine (NUE)

TSN domains can be Independently operated from each other Combined with each other Comprehensive communication TSN domains protect themselves against the "outside world The domain protection concept offers protection against inadvertently connected consumers. At the boundaries of the PROFINET TSN domain, both the domain's internal real-time and non-real-time traffic is protected. The domain borders are set up automatically A Domain can contain up to 1024 devices up to 64 IO controllers and up to 960 IO devices

[802.3] IEEE 802.3-2018 Standard for Ethernet [802.1AB] IEEE 802.1AB-2016 Station and Media Access Control Connectivity Discovery [802.1Q] IEEE 802.1Q-2018 Bridges and Bridged Networks [802.1AS] IEEE 802.1AS Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks

OPC UA

For horizontal controller / controller communication Cross-vendor interoperability Procedure 1.Client/Server (TCP/IP) 2.Pub/Sub (UDP) 3.Pub/Sub on Streams (TSN)

Vendor neutral protocol for failsafe applications between controllers / machines needed Benefits for vendors and users: PROFIsafe’s black channel approach accepted by users, vendors and authorities

Industry 4.0 leads to increased TCP/IP communication Examples From the device to the cloud SCADA, MES Quality data, predictive maintenance Asset management, etc. Convergence with TCP/IP is and remains an integral part of PROFINET architecture Greater bandwidth and resilience due to TSN mechanisms

Providing information for Industrie 4.0  OPC UA Companion Specs Use Cases Asset Management and Diagnostics Joint Working Group with OPC Foundation  Spec release expected 2019

61131

https://webstore.iec.ch/publication/33034