Frequenzumrichter mit PROFINET: Echtzeit-Kommunikation, PROFIdrive & Topologie-Design

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In der modernen Fabrikautomation werden klassische hartverdrahtete E/A-Leitungen und serielle Feldbusse (wie PROFIBUS DP oder Modbus RTU) zügig durch Industrial Ethernet ersetzt.

Die Integration eines PROFINET-Schnittstellenmoduls in einen Frequenzumrichter (VFD) verbindet die Motordrehzahlregelung direkt mit Siemens SIMATIC S7 Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), dem TIA Portal und industriellen SCADA-Netzwerken über Standard-Ethernet-Kabel.

Dieser technische Leitfaden erklärt die Funktionsweise der PROFINET-VFD-Integration, die Rolle des PROFIdrive-Profils, die Echtzeit-Leistungsklassen und die physikalischen Netzwerk-Topologien.

 

1. Wie die PROFINET-VFD-Kommunikation funktioniert

Im Gegensatz zu Standard-TCP/IP-Ethernet in Büro-Netzwerken bietet PROFINET eine deterministische Echtzeit-Kommunikation für zeitkritische industrielle Steuerungsaufgaben.

  [ SPS / Motion Controller ] (PROFINET-Controller)
               │
      ( 100 Mbit/s Industrial Ethernet )
               │
               ▼
  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ VFD Port 1 (Integrierter Switch)        │
  │   - Liest Prozessdaten (Drehzahl, Drehmoment)
  │   - Schreibt Steuerdaten (Start, Stopp) │
  └────────────────────┬────────────────────┘
                       │ (Daisy-Chain-Kabel)
                       ▼
  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ VFD Port 2 (Nächstes Feldgerät)        │
  └─────────────────────────────────────────┘

PROFINET Echtzeit-Klassen für Frequenzumrichter

  • PROFINET RT (Real-Time): Umgeht den Standard-TCP/IP-Stack, um zyklische Prozessdaten direkt über die Ethernet-Layer-2-Rahmenverarbeitung zu senden. Erreicht Aktualisierungszeiten von 1 ms bis 10 ms, ideal für Standard-Förderbänder, Pumpen und Lüfter.

  • PROFINET IRT (Isochronous Real-Time): Nutzt eine hardware-synchronisierte Bandbreitenreservierung, um Zykluszeiten von unter 1 ms mit Mikrosekunden-Jitter zu erreichen. Unerlässlich für mehrachsige Bewegungssteuerungen (Motion Control), Robotik und synchrone Druckwalzen.

 

2. Der standardisierte PROFIdrive-Profil-Standard

Ohne eine standardisierte Datenstruktur würde jeder Umrichterhersteller eine eigene Speicherbelegung nutzen, was SPS-Programmierer dazu zwingen würde, die Steuerungslogik für jede Marke neu zu schreiben.

PROFINET-Antriebe nutzen das PROFIdrive-Profil (IEC 61800-7), welches Antriebsparameter, Zustandsmaschinen und Datentelegramme herstellerübergreifend standardisiert.

Wichtige Steuerungs-Telegramme

PROFIdrive TelegrammZyklische DatenstrukturHauptanwendung
Standard Telegramm 11 Steuerwort (STW1), 1 Drehzahlsollwert (NSOLL_A) / 1 Statuswort (ZSW1), 1 Ist-Drehzahlwert (NACT_A)Einfache Drehzahlregelung für Pumpen, Lüfter und Standard-Förderer.
Standard Telegramm 20Steuerwörter + Ist-Strom, Ist-Drehmoment und Wirkleistungs-RückmeldungenProzessüberwachung und schwere Materialfördertechnik.
Telegramm 102 / 105Erweitert um Positionsrückmeldung und Servo-SteuerdatenMehrachsige Bewegungssteuerung mit SPS (z. B. S7-1500 Motion Control).

 

3. Physikalische Netzwerk-Topologie & Ring-Redundanz

Moderne PROFINET-Frequenzumrichter sind mit integrierten 2-Port-Ethernet-Switches ausgestattet, was effiziente Verkabelungsopionen im Feld ermöglicht:

Linien-Topologie (Daisy-Chain):
  [ SPS ] ───> [ VFD 1 ] ───> [ VFD 2 ] ───> [ VFD 3 ]

Ring-Topologie (Media Redundancy Protocol - MRP):
  [ SPS Port A ] ───> [ VFD 1 ] ───> [ VFD 2 ] ───> [ VFD 3 ] ───> [ SPS Port B ]
                                                                   (Redundanz-Link)

Hauptvorteile integrierter Dual-Ports

  1. Reduzierte Hardwarekosten: Verbinden Sie Antriebe in einer einfachen Linien-Topologie (Daisy-Chain) von Schaltschrank zu Schaltschrank, ohne externe Ethernet-Switches installieren zu müssen.

  2. Media Redundancy Protocol (MRP): Verbinden Sie den letzten Frequenzumrichter zurück mit einem zweiten Port der SPS, um einen physikalischen Ring zu bilden. Wenn ein Kabel getrennt wird, leitet der MRP-Manager den Datenverkehr in unter 200 ms um. Alle Umrichter bleiben ohne Produktionsstopp online.

  3. Erweiterte Diagnose: Dedizierte Netzwerkprotokolle (LLDP und SNMP) erlauben es der SPS, die physikalische Topologie automatisch zu erfassen. Bei einem Gerätetausch erkennt die SPS den neuen Umrichter und weist ihm IP-Adresse und Gerätenamen automatisch ohne Laptop zu.

 

4. Schritt-für-Schritt VFD-Inbetriebnahme im TIA Portal

Bei der Einrichtung eines PROFINET-Frequenzumrichters an einer Siemens-SPS:

  1. GSDML-Datei importieren: Laden Sie die XML-basierte GSDML-Datei des Herstellers in Ihr Engineering-Tool (z. B. Siemens TIA Portal oder Codesys). Diese Datei teilt der SPS die Identität, Submodule und Parameter des Antriebs mit.

  2. Gerätenamen & IP zuweisen: PROFINET leitet Echtzeitdaten über den eindeutigen PROFINET-Gerätenamen (nicht nur über die IP-Adresse) weiter. Weisen Sie den Namen über die PROFINET-Teilnehmersuche zu.

  3. Prozessdatenwörter mappen: Ziehen Sie das passende PROFIdrive-Telegramm (z. B. Telegramm 1) per Drag-and-Drop in die Hardware-Konfiguration der SPS, um die Eingangs-/Ausgangsadressbytes zuzuweisen.

  4. PROFIenergy konfigurieren (Optional): Aktivieren Sie PROFIenergy-Steuerbausteine, um Antriebe während Produktionspausen oder Schichtwechseln in energiesparende Ruhezustände zu versetzen und den Stromverbrauch zu senken.

 

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