19.03.2014

Sprachtalente

Mit neuen Multiprotokoll-Gateways und -Block-I/O-Modulen, die gleichzeitig Profinet, Ethernet/IP und Modbus unterstützen, zeigt Turck einen Weg zum pragmatischen Umgang mit der historisch gewachsenen Protokollvielfalt. Da keine international herstellerübergreifenden Standards absehbar sind, sind die mehrsprachigen Gateways ein erster Schritt in Richtung Reduktion der Protokoll- und Gerätevielfalt. Doch damit nicht genug: Die Neuentwicklungen erreichen mit ihrer schlanken Architektur die mit Abstand schnellsten Hochlaufzeiten im Markt.

Autor: Dipl.-Ing. Jörg Kuhlmann, Hans Turck GmbH & Co. KG.


Ethernet-basierte Bussysteme wie Profinet, Ethernet/IP oder Modbus können sich gegenüber den etablierten Feldbussen immer besser behaupten, u.a. aufgrund der deutlich geringeren Fehleranfälligkeit. In Linientopologie etabliert beispielsweise Profinet mit geräteinternen Drei-Port-Switches eine physikalische Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen zwei Teilnehmern. Dies minimiert das Risiko einer gegenseitigen Beeinflussung mehrerer Teilnehmer, die bei einem Feldbus typischerweise parallel am selben Medium hängen. Zusätzlich erleichtern industrielle Ethernet-Protokolle wie Profinet mit ihrer Nachbarschaftserkennung über das Link Layer Discovery Protocol (LLDP) das schnelle Auffinden problematischer Verbindungen und damit den zügigen Tausch defekter Komponenten. Auch die Möglichkeit zum Aufbau einer Ringredundanz erhöht die Kommunikationssicherheit gegenüber Feldbussen. Bei Profinet garantiert das zuständige Media Redundancy Protokoll (MRP), dass bei einem Kommunikationsausfall in Ringtopologie automatisch die Kommunikationsrichtung geändert wird und so die weitere Kommunikation gesichert ist. All diese Vorzüge haben zum Siegeszug der Ethernet-Protokolle in der industriellen Automation beigetragen. Die Hoffnung, mit dem Übergang von Feldbus- zu Ethernet-Netzwerken die spezifischen Protokoll- und Anschlusslösungen der verschiedenen Busse überwinden zu können, hat sich allerdings nicht erfüllt. Analog zum Beharren auf eigenen Ethernet-Protokollen haben die Steuerungshersteller wieder eigene Installationsrichtlinien zur Verkabelung ihrer Netzwerke entwickelt. Die Protokollvielfalt prägt als Erbe der Feldbuszeit auch weiterhin die Ethernet-Ära.

Komplexität reduzieren

Die Prinzipien, mit denen die Steuerungshersteller ihre Claims abstecken und sichern, sorgen für eine Reihe ähnlicher Ethernet-Protokolle: Die Platzhirsche der Standard-Ethernet-Protokolle, Profinet, Ethernet/IP und Modbus TCP, teilen dabei den Großteil des Automatisierungsmarkts unter sich auf. Automatisierungstechnikhersteller auf der einen und Maschinen- und Anlagenbauer auf der anderen Seite müssen mit dieser Vielfalt umgehen - bei Feldbussen ebenso wie bei Ethernet. So zeichnet sich eine Gesetzmäßigkeit der Industrieautomation ab: Die Vielfalt an Standards und damit an Geräten, die vergleichbare Aufgaben erfüllen, aber auf unterschiedlichen Protokollen basieren, nimmt kontinuierlich zu. Turck schlägt nun einen Weg ein, der eine Lösung für diese Herausforderung anbietet: Der Automatisierungsspezialist stellt die weltweit ersten Multiprotokoll-Ethernet-Gateways und -Block-I/O-Module vor, die ohne Eingriff des Anwenders - also vollautomatisch - mit den Ethernet-Protokollen Profinet IO, Ethernet/IP oder Modbus TCP betrieben werden können. Mit seinen Multiprotokoll-Geräten reduziert das Unternehmen nicht nur die eigene Versionsvielfalt der Gerätetypen, sondern auch die der Kunden, die in verschiedenen Teilen ihrer Produktion oder in Landesvarianten ihrer Maschinen unterschiedliche Protokolle einsetzen. So ist es etwa in der Automobilproduktion keine Seltenheit, dass Rohbau und Endmontage auf Basis unterschiedlicher Protokolle automatisiert sind. All diese Anwender müssen in Zukunft nur noch einen Gateway-Typ vorrätig halten, unabhängig vom verwendeten Ethernet-Protokoll. Da Einkauf und Lagerhaltung ohnehin oft zentralisiert sind, bietet sich hier die Chance, Lagerhaltungskosten und Komplexität effektiv zu reduzieren. Technisch und wirtschaftlich möglich sind mit den Multiprotokoll-Geräten auch Maschinen und Anlagen, die zu großen Teilen identisch geplant und gebaut werden können und je nach Endkundenvorgabe unterschiedliche Steuerungen oder Master erhalten, um verschiedene Protokolle anzusprechen. Wenn auch weitere Automatisierungshersteller Multiprotokoll-Geräte anbieten, sind neben den Vorteilen in der Ersatzteilhaltung und Beschaffung auch komplett identische Anlagenpläne für die Elektrokonstruktion möglich, die einfach nur dupliziert werden müssen. Turck hat eine Reihe seiner Ethernet-I/O-Familien mit den neuen Multiprotokoll-Geräten erweitert: Die Gateways der modularen Reihen BL20 für die Schaltschrankmontage und BL67 zur Feldmontage zählen ebenso dazu wie die neuen IP67-Block-I/O-Module der TBEN-Reihe und die platzsparende BL-compact-Reihe zur direkten Montage an der Maschine. Alle Gateways verfügen über interne Switches, die eine Installation in Linie ermöglichen. Die Protokolle Ethernet/IP, Modbus TCP und Profinet IO sind in einer Gerätefirmware vereinigt. Trotz des schlanken Designs der Gateways umfassen die Protokollstacks damit alle für diesen Markt relevanten Protokolle. Möglich wird die Multiprotokoll-Funktionalität durch eine intelligente Identifikationsroutine der Gateways. Sie ermitteln im Hochlauf nach dem Einschalten der Spannung - während der sogenannten Snooping-Phase (Snooping = Schnüffeln) - durch Mithören des Traffics zunächst, welches Ethernet-Protokoll sich auf dem Draht befindet. Die Geräte wechseln dann automatisch zum erkannten Protokoll und ignorieren die Telegramme der anderen zwei. Die Implementierung der Protokolle steht dabei Einzelprotokoll-Geräten in keiner Weise nach: Im Profinet-Betrieb werden Topologieerkennung und Adresszuweisung mittels LLDP unterstützt, bei Ethernet/IP QuickConnect und Device Level Ring (DLR Medienredundanz).

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Protokoll-Erkennung und mehr

Mit der Mehrsprachigkeit ist der Innovationsfaktor der neuen Gateways allerdings noch nicht ausgeschöpft, denn die Multiprotokoll-Geräte haben zusätzlich einen Turbo an Bord, der ein Hochfahren in Höchstgeschwindigkeit erlaubt. Sie sind im Profinet-Betrieb Fast-Start-up-fähig und beherrschen QuickConnect im Ethernet/IP-Betrieb. Aufgrund der extrem schlanken Architektur des Mikroprozessors und des Betriebssystems erreichen sie Start-up-Zeiten, die es so noch nicht gegeben hat. Vor allem aus der Automobilindustrie kam die Forderung nach kurzen Hochlaufzeiten, um beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel an Robotern im Automobilrohbau die Taktrate zu erhöhen. Je schneller das I/O-Modul auf dem Wechselwerkzeug seine Betriebsbereitschaft wiederherstellt, desto schneller ist die Taktzeit für einen Arbeitsgang. Eine kürzere Taktzeit bedeutet für den Automobilhersteller entweder mehr Output pro Zeiteinheit oder weniger Roboter für einen bestimmten Arbeitsschritt - beide Alternativen sind betriebswirtschaftlich relevant. Zur Verkürzung der Hochlaufzeiten hat die Profinet-Nutzerorganisation PNO das Hochlauf-Protokoll verschlankt. Die Steuerungshersteller ergänzten das Profinet-Protokoll um den sogenannten priorisierten Hochlauf: Wenn ein Teilnehmer schon einmal an der Steuerung angemeldet war, speichern sowohl der Teilnehmer wie die Steuerung alle nötigen Parameter. Diese beiden Parametersätze werden bei erneuter Anmeldung an der Steuerung kurz auf ihre Übereinstimmung geprüft. Ist diese gegeben, kann der Teilnehmer im nächsten Schritt loslegen. Damit verkürzt sich das langwierige Informations-Ping-Pong zwischen Teilnehmer und Steuerung, das die Ethernet-Protokolle beim Standard-Hochlauf ausbremst. Mit dieser Beschleunigung des Stacks durch den priorisierten Hochlauf beseitigten Profinet in seinem Fast-Start-up-Protokoll und Ethernet/IP mit QuickConnect den ersten Bremsklotz des Hochlauf-Prozesses.

Schnellste Fast-Start-up-Lösung

Turck entwickelte eine optimierte Elektronik-Architektur für seine Ethernet-I/O-Module, die dafür sorgt, dass Prozessoren - weitgehend unabhängig von den Protokoll-Modifikationen - erheblich schneller betriebsbereit sind und damit die Start-up-Zeiten zusätzlich befeuern. So konnte der Mülheimer Automatisierungsspezialist nochmals entscheidende Zeit gutmachen. Die Turck Fast-Start-up-Module in Block-Bauform (TBEN-Reihe) erreichen heute Start-up-Zeiten von weniger als 150 Millisekunden bei Profinet sowie rund 90 Millisekunden bei Ethernet/IP. Damit liegen die Turck-Module weit unter den Forderungen der Automobilindustrie, deren Vorgabe bei maximal 500 Millisekunden liegt. Derzeit ist kein anderer Anbieter von Fast-Start-up-I/O-Modulen bekannt, der auch nur annähernd die Zeiten der TBEN-Serie erreichen würde.

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