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Die Erfindung betrifft ein Gateway für ein Netzwerk der Automatisierungstechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Automatisierungstechnik werden häufig herstellerübergreifende, standardisierte Kommunikationssysteme eingesetzt, um eine Kommunikation zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerungen zu ermöglichen.
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Meist sind die Kommunikationssysteme hierarchisch aufgebaut. In der Steuerungsebene, die die intelligente Sensoren und Aktoren mit den Steuerungen (z. B. SPS) verbindet, werden meist Feldbusse (z.B. Profibus) oder Ethernet basierte Kommunikationssystem (z.B. ProfiNet) eingesetzt.
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In der untersten Feldebene mit einfachen I/O-Einheiten kann beispielsweise IO-Link als Kommunikationssystem eingesetzt werden.
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Zwischen den unterschiedlichen Netzwerkebenen des Netzwerks sind üblicherweise Gateways angeordnet, die die unterschiedlichen Netzwerkprotokolle, die in den jeweiligen Ebenen verwendet werden, entsprechend umsetzen.
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IO-Link ist ein herstellerübergreifendes, standardisiertes Kommunikationssystem zur Anbindung von intelligenten Sensoren und Aktoren an eine Steuerung. Dieses Kommunikationssystem ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung Singledrop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) normiert.
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Der IO-Link Standard definiert sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch das digitale Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit der Steuerung in Datenaustausch treten.
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Ein IO-Link-System besteht aus einer Mastereinheit, die als IO-Link Master über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem oder mehreren IO-Link-Geräten (I/O-Einheiten) verbunden ist. Die Mastereinheit kann als Gateway ausgebildet sein, um eine Verbindung zu einer höheren Netzwerkebene herzustellen, die eine überlagerte Steuerung (SPS) aufweist. Die Mastereinheit steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Geräten. Es gibt auch IO-Link Master die keine Feldbusschnittstelle aufweisen und die nicht mit einer SPS zusammenwirken. Diese Mastereinheiten werden über eine USB-Verbindung direkt an einen PC angeschlossen (z.B. USB IO-Link Master, E30390, Fa. ifm electronic gmbh).
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Eine Mastereinheit kann einen oder mehrere IO-Link-Ports aufweisen. An jedem Port kann aber nur ein IO-Link-Gerät angeschlossen werden. Der IO-Link Standard verwendet eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und ist somit kein Feldbus im klassischen Sinne.
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Ein IO-Link-Gerät ist meist ein intelligenter Sensor oder Aktor, die beide auch als I/O-Einheit bezeichnet werden. Intelligent heißt im Hinblick auf IO-Link, dass ein Gerät u. a. z.B. eine Seriennummer oder Parameterdaten (z.B. Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien) besitzt, die über das IO-Link-Protokoll lesbar bzw. schreibbar sind. Das Ändern von Parametern kann damit z.T. im laufenden Betrieb durch die Steuerung SPS erfolgen.
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Die Konfigurations-Parameter der Sensoren und Aktoren sind gerätespezifisch, daher gibt es für jedes IO-Link-Gerät Parameterinformationen in Form einer Gerätebeschreibung IODD (IO Device Description). Damit können IO-Link-Geräte herstellerübergreifend mit einem entsprechenden Konfigurationstool, z.B. dem Linerecorder der Fa. ifm electronic gmbh, konfiguriert werden.
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IO-Link erlaubt gemäß Spezifikation eine Kabellänge zwischen Mastereinheit und den IO-Link-Geräten von max. 20 m.
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Häufig sind an eine Mastereinheit 4 bzw. 8 IO-Link-Geräte anschließbar.
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Normalerweise sind Sensoren als IO Einheiten in der Regel, wie die Norm schon sagt „small sensors or actors“, also eher einfache Sensoren oder Aktoren, wobei die Sensoren meist einen Schaltausgang aufweisen, der z. B. die Anwesenheit eines Targets in einem Überwachungsbereich signalisiert.
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Ein in der Automatisierungstechnik häufig verwendetes herstellerübergreifendes, standardisiertes Kommunikationssystem ist Profinet. Profinet gehört zu der Profibus-Feldbusfamilie und basiert auf Ethernet-TCP/IP. Profinet bietet eine schnelle Datenkommunikation über Ethernet-Netzwerke.
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Häufig sind neben einer Steuerung (SPS, PLC, Soft-SPS) auch IT-Systeme an das Profinet-Netzwerk angeschlossen. Diese IT-Systeme könne z. B. Konfigurationstool, ERP-Systeme oder Monitoring Systeme wie z. B. Condition Monitoring Energy Monitoring, Quality Monitoring, Track & Trace so wie Remote Services sein. Problematisch hierbei ist, dass von all diesen IT-Systemen auf die Prozesswerte bzw. die Konfigurationsparameter der IO-Link Geräte zugegriffen werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Gateway für ein Netzwerk der Automatisierungstechnik anzugeben, das einen sicheren Zugriff auf die Prozesswerte bzw. die Konfigurationsparameter eines an das untergeordnete Kommunikationsnetzwerk angeschlossene Gerät ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Gateway für ein Netzwerk der Automatisierungstechnik gemäß Anspruch 1.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, im Gateway eine Zugriffsberechtigungseinheit vorzusehen, die einen Zugriff auf ein Gerät, des untergeordnete Kommunikationsnetzwerks nur erlaubt, wenn die entsprechende übergeordnete Einheit, die entsprechende Berechtigung besitzt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 zeigt in schematischer Darstellung ein herkömmliches Netzwerk der Automatsierungstechnik
Wie bereits erwähnt, ist es Stand der Technik mehrere IO-Link-Geräte (Sensoren oder Aktoren) an eine Mastereinheit ME anzuschließen. Die Mastereinheit, die n SDCI-Master Schnittstellen MI1-MIn aufweist, arbeitet als Gateway. Sie kommuniziert über einen zweiten Kommunikationsstandard K2 z. B. Profinet mit einer Steuerung SPS. An den Feldbus Profinet sind üblicherweise mehrere übergeordnete Einheiten angeschlossen. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur eine Einheit dargestellt.
- 2 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen IO-Link Schnittstelle mit den externen Anschlüssen L+, L- und C/Q.
- 3 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen IO-Link Masters mit zwei externen Anschlüssen L+1, L-1 und CQ1 sowie den Anschlüssen L+2, L-2 und CQ2 für jeweils ein IO-Link Gerät.
- 4 zeigt das Netzwerk gemäß 1 etwas detaillierter. Die Mastereinheit ME (z.B. IO-Link Master AL1100 Fa. ifm electronic) kommuniziert als Gateway mit der Steuerung SPS über ein Ethernet-Netzwerk. Zusätzlich zur Steuerung SPS ist noch ein Produktionsplanungstool z. B. der LINERECORDER oder der Fa. ifm angeschlossen.
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Drei Programmmodule mit der Bezeichnung Feldbus-Kommunikation, Gateway und IO-Link Master sind jeweils als Rechtecke in der Mastereinheit ME dargestellt.
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Die Kreise in der Mastereinheit symbolisieren die entsprechenden IO-Link Masterports bzw. Steckeranschlüsse M12. Einer der Ports ist mit einem Sensor z. B. einem Drucksensor verbunden.
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Beim IO-Link Master AL1100 ist ein zusätzlicher Port-PIN als binärer Schalteingang zum Anschluss einfacher Sensoren vorgesehen. Die eigentliche Gateway-Funktionalität besteht in dem Datenmapping zwischen der Feldbuskommunikation und den IO-Link Geräten über die Mastereinheit ME. Da an den IO-Link Masterport verschiedenartige Sensoren oder Aktuatoren in unterschiedlichster Ausprägung und mit verschiedener Anzahl und Komplexität von Prozesswerten sowie Parametern angeschlossen werden können, gibt es gemäß IO-Link Spezifikation zu jeden IO-Link Gerät eine Gerätebeschreibungsdatei (IODD). In dieser IODD wird unter anderen beschrieben, wie die Prozessdaten des IO-Link Gerätes aufgebaut und organisiert sind und unter anderen auch welche Parameter existieren und in welchen Bereichen diese variiert werden können. Wird jetzt beispielsweise ein IO-Link Sensor an einem Masterport angeschlossen und die Mastereinheit über ein Ethernet-Netzwerk mit dem Produktionsplanungstool „Linerecorder“ verbunden, dann kann das Produktionsplanungstool über das Netzwerk bei der Mastereinheit ME nach den IO-Link Device IDs der angeschlossenen Sensoren nachfragen.
Anschließend lädt das Tool aus seiner eigenen Datenbank die Gerätebeschreibung IODD der jeweiligen Sensoren. Das Produktionsplanungstool kann jetzt die Prozessdaten und Parameter des Sensors mit deren Bedeutung zur Anzeige bringen. Neben der IO-Link Kommunikation kann der IO-Link Masterport auch in die Betriebsart digitaler Eingang bzw. digitaler Ausgang geschaltet werden. Dies ermöglicht den Betrieb von einfachen herkömmlichen binären Sensoren bzw. Aktuatoren.
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Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert. Das erfindungsgemäße Gate der Automatisierungstechnik verbindet ein übergeordnetes erstes Kommunikationsnetzwerk (z. B. Feldbus Ethernet IP), mit einem untergeordneten zweiten Kommunikationsnetzwerk (z. B. IO-Link).
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An das erste Kommunikationsnetzwerk sind eine Steuerung (SPS, PLC, Soft SPS) sowie mindestens ein IT-System als weitere übergeordnete Einheit angeschlossen.
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An das zweite Kommunikationsnetzwerk sind automatisierungstechnische Geräte (Sensoren/Aktoren) anschließbar. Von einer übergeordneten Einheit kann auf die automatisierungstechnischen Geräte lesend und schreiben zugegriffen werden. Dabei können deren Funktionalität durch einstellbare Konfigurationsparameter geändert werden, Prozessdaten bzw. Status Informationen können ausgelesen werden und auch die Firmware ausgelesen bzw. upgedated werden.
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Im Gateway ist eine Zugriffsberechtigungseinheit vorgesehen ist, die einen Zugriff auf die Daten des automatisierungstechnischen Geräts nur erlaubt, wenn die jeweilige übergeordnete Einheit die entsprechenden Zugriffsrechte besitzt. Die Zugriffsrechte können dabei fein differenziert werden (lesen, schreiben, lesen+schreiben, kein Zugriff).
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Durch das Rechteverwaltungssystem ist eine sichere Koexistenz von IT-Systemen (IT-Welt) und klassischen Steuerungssystemen (SPS-Welt) möglich.
Durch das Rechteverwaltungssystem kann z.B. die SPS entlastet werden, weil asynchrone Vorgänge (Parametrierakte) nicht mehr in eine auf Echtzeit optimierte SPS-Sprache gebracht werden müssen.
Auch Kopplung mit ERP-System wird erleichtert, wenn z.B. eine Rezepturumschaltung eine Parameteränderung braucht.
Ähnliches gilt für Wartungszwecke bzw. bei der Systemüberwachung.
Grundsätzlich können Portspezifisch Rechte für das Lesen und Schreiben auf zyklische Daten (Prozesswerte), azyklische Daten (Parameter), Events, Alarme, Firmware-Upload, unterschieden und einzeln gesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- IODD
- Gerätebeschreibung
- K1
- Kommunikationsstandard
- K2
- Kommunikationsschnittstelle
- M12
- Steckeranschlüsse
- ME
- Mastereinheit
- MI1-Min
- SDCI-Master-Schnittstellen
- SI
- SDCI-Geräte-Schnittstelle
- SPS
- Steuereinheit
- PM
- Programmmodul
