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Analyse PROFInet-basierter Automatisierungsnetzwerke

Beteiligte an der Hochschule

  • Prof. Dr. Reinhold Kröger
  • Dipl.-Inform. (FH) Holger Machens
  • Dipl.-Inform. (FH), M.Sc. Marcus Thoss
  • Dipl.-Inform. (FH) Bent Ahrens
  • Dipl.-Inform. (FH) Andreas Mertens

Kooperationspartner

  • Siemens AG A&D, Nürnberg
  • Universität Bonn

Laufzeit

Beginn: Oktober 2001
Ende: September 2003

Finanzierung

  • 100% Siemens AG A&D

Veröffentlichungen

  • Kröger, Reinhold; Machens, Holger; Strelen, C.; Masslow, K.; Sandmann, W.: "PROFInet Simulator - Software zur Simulation von PROFInet-Netzwerken", Technischer Bericht, Fachhochschule Wiesbaden, Fachbereich Informatik, 2003 (BibTeX)
  • Thoss, Marcus; Kröger, Reinhold: "PROFInet/SRT - Experimentelle Untersuchung", Technischer Bericht, Fachhochschule Wiesbaden, Fachbereich Informatik, 2003 (BibTeX)
  • Ahrens, Bent; Kröger, Reinhold: "Ein Analysewerkzeug zur groben Leistungsbewertung von PROFInet-Infrastrukturen", Technischer Bericht, Fachhochschule Wiesbaden, Fachbereich Informatik, 2003 (BibTeX)
  • R. Kröger; M. Debusmann; H. Machens: "Managing Distributed Industrial Automation Systems", 11th HP OpenView University Association Workshop, Juni 2004 (Link) (BibTeX)

Kurzbeschreibung

Die Siemens AG A&D hat in den vergangenen Jahren eine neue, durch entsprechende Werkzeuge unterstützte, komponentenbasierte Architektur für die Erstellung von Automatisierungsanwendungen entwickelt, die die horizontale und die vertikale Integration vereinfacht. Wesentliches Element auf der Netzwerkebene ist die in Zusammenhang mit der PROFIBUS-Organisation betriebene Erweiterung des Profibus-Netzwerks um eine überlagerte Ethernet-Ebene. Diese auf Automatisierungsanwendungen mit geringen bis hin zu harten Echtzeitanforderungen ausgerichtete Architektur wird als PROFInet bezeichnet. Sie wurde in der Zwischenzeit für die Unterstützung weicher Echtzeitanforderungen am Markt eingeführt.
Durch die Einführung der PROFInet-Architektur werden Automatisierungsanwendungen zu verteilten Anwendungen, die aus einer Menge interagierender SW-Komponenten bestehen. Eine solche Anwendung wird im Rahmen von Projektierung und Inbetriebnahme einer verteilten Hardware-Infrastruktur zugeordnet, die aus verschiedenen programmierbaren Automatisierungsgeräten besteht (wie SPS, PC, usw.) und die netzwerkseitig durch eine Zweistufigkeit auf Basis Ethernet und Profibus charakterisiert ist. Durch die Vielzahl an Komponenten und den hohen Grad an Variabilitäten ist diese Zuordnungsaufgabe komplex. Insbesondere soll dabei der Gesamtaufwand möglichst gering sein, die Automatisierungsanwendung aber alle leistungsbezogenen Forderungen auch unter besonderen Lastverhältnissen erfüllen.
In einer Zusammenarbeit zwischen der Siemens AG A&D und der Fachhochschule Wiesbaden wurde seit Ende 2001 an Leistungsabschätzungen für PROFInet-Anwendungen gearbeitet.
In einem ersten Projektabschnitt stand neben einer generellen Analyse der betrachteten Aufgabenstellung einschließlich der Identifizierung aller involvierten Typen von Infrastrukturelementen und deren relevante Eigenschaften die Entwicklung eines Modells und eines einfachen numerischen Verfahrens im Vordergrund, das es erlaubt, "Rot/Grün"-Entscheidungen über eine projektierte Automatisierungsanwendung zu treffen. Grundgedanke ist dabei, dass die gesamten Projektierungsdaten in der Projektierungsumgebung iMAP von Siemens zur Verfügung stehen und auf "Knopfdruck" hin eine Prüfung erfolgt, die Projektierungsfehler oder -mängel zu erkennen versucht. Das im ersten Projektabschnitt entwickelte Verfahren beruht auf mittleren und Worst-Case-Annahmen über zyklische und sporadische Anwendungslasten und ermittelt mittlere und Worst-Case-Auslastungen der benutzten Infrastrukturelemente und entsprechende Ende-zu-Ende Verzögerungszeiten.
Im folgenden zweiten Projektabschnitt wurden neben einer prototypischen Implementierung des entwickelten einfachen Verfahrens unter Einbeziehung der Universität Bonn (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Strelen) simulative Ansätze zur Erreichung exakterer Performance-Aussagen untersucht. Die Arbeiten sollten längerfristig zu einer verlässlichen, möglichst exakten Leistungsvorhersage von PROFInet-Umgebungen führen. Eine solche Leistungsvorhersage ist, insbesondere unter Einbeziehung der PROFInet-Weiterentwicklungen für den Echtzeit-Bereich, von wesentlicher Bedeutung.
Es wurde ein flexibles Simulationsmodell entworfen, das die Modellierung von Simulationen beliebiger PROFInet-Anwendungen erlaubt. Dabei lag der Fokus ausschließlich auf der Ethernet-Ebene, die Leistungsbeurteilung der unterlagerten Profibus-Segmente ist bekannt und brauchte daher nicht in das Simulationsmodell einbezogen zu werden. Sämtliche Automatisierungsgeräte im Netzwerk, die Quelle von zu übertragenden Daten sind, werden im Simulationsmodell durch Lastgeneratoren in den entsprechenden Netzwerkknoten ersetzt, die zyklische oder sporadische Lasten für den Transport durch das Netzwerk zu jeweils einem Endknoten erzeugen.
Zyklische Generatoren werden verwendet, um den Echtzeitverkehr nachzubilden. Die Lastgeneratoren für die sporadischen Netzwerklasten bilden den Netzwerkverkehr der Anwendungsprotokolle FTP und HTTP vereinfacht nach. Sie können an jedes Verkehrsaufkommen angepasst werden. Zur Nachbildung der aktiven Netzkomponenten (Switches) wurde ein generisches Modell entwickelt, das alle typischen Merkmale von realen Switches, wie Portanzahl, Puffergröße Prioritäten und Betriebsarten berücksichtigt.
Die Simulationssoftware ermöglicht die Beobachtung der Ende-zu-Ende-Verzögerungszeit aller Frames, der Verzögerung von Frames auf Teilstrecken im Netzwerk, der Füllstände von Puffer und Sende-Queues in den Switches und deren Anzahl verworfener Frames. Diese detaillierten Informationen erlauben die Beurteilung der Einhaltung gegebener QoS-Anforderungen sowie eine Identifikation der Schwachstellen in einer gegebenen PROFInet-Konfiguration. Durch eine übergeordnete Simulationssteuerung wird die Einhaltung vorgegebener Vertrauensintervalle für die Ende-zu-Ende-Verzögerungszeiten gewährleistet.
Zur Validation der Simulationsergebnisse wurden in einem dritten Projektabschnitt einfache PROFInet-Szenarien mit Linien- und Sterntopologien aufgebaut und mittels der vorhandenen Messinfrastruktur bewertet.