Profinet-Integration in kompakte Feldgeräte und Antriebe

Profinet IO ist eine offene industrielle Ethernet-Lösung, die durchgängig alle Anforderungen der Echtzeitkommunikation abdeckt und gleichzeitig die uneingeschränkte parallele Nutzung von IT-Funktionen ermöglicht. Profinet bietet damit das, was ein Automatisierungsnetzwerk heute und in Zukunft leisten muss. Neben diesen Parametern ist auch das Angebot an technisch und wirtschaftlich attraktiven Geräteintegrationslösungen entscheidend für die Akzeptanz eines offenen Netzwerks. Im Bereich der klassischen Feldbusse wie Interbus und Profibus stehen seit Jahrzehnten bewährte Komponenten zur Integration von Geräteschnittstellen zur Verfügung, die dem Anwender die Handhabung der Kommunikationsprotokolle abnehmen und eine flexible Anschaltung der eigentlichen Geräteanwendung ermöglichen. Etwas Vergleichbares war bisher für kompakte Feldgeräte und Antriebe an Profinet nicht vorhanden. Was bedeutet aus Sicht des Geräteherstellers eine schnelle und einfache Integrationslösung? Was sind die entscheidenden Kriterien? In Diskussionen mit Geräteherstellern aus unterschiedlichen Branchen stößt man immer wieder auf die gleichen \’Knackpunkte\‘. Anschaltkosten, Integrationsaufwand und Platzbedarf Die Anschaltkosten heutiger Feldbuslösungen wie Interbus oder Profibus liegen im 10E-Bereich. Gerade bei kostengünstigen kompakten Feldgeräten und Antrieben darf die Integration einer Profinet-Schnittstelle trotz höherer Funktionalität und Performance nicht zu dauerhaft höheren Gerätekosten führen. Die Integration einer Profinet-Schnittstelle soll für Gerätehersteller nur mit geringen Entwicklungs- und Integrationskosten verbunden sein. Üblicherweise sieht der Hersteller seine Kernkompetenzen und Differenzierungspotenziale in der jeweiligen Gerätefunktion wie Antriebe steuern, Temperaturen und Gewichte erfassen usw. Zur Einbindung seines Gerätes in unterschiedliche Automatisierungsanlagen muss der Gerätehersteller häufig parallel zwischen zehn und 20 verschiedene Feldbus- und Netzwerkschnittstellen für ein und dieselbe Gerätefunktion unterstützen. Die Schnittstellenintegration und -nutzung sollte daher möglichst modular und einfach sein und kein Spezialwissen voraussetzen. Die Realisierung einer Profinet-Schnittstelle sollte auf kleinem Raum möglich sein. Der Platzbedarf der Schnittstelle bestimmt auch die Gehäusemaße. Bei bestimmten Geräten, z.B. Encodern, ist eine kleine Baugröße unerlässlich. Speziell beim Übergang von der Feldbus- zur Profinet-Schnittstelle sollten die bestehenden Mechanik- und Gehäusekonzepte weiter verwendet werden können. Verlustleistung, Leiterplattenkomplexität und Flexibilität Verlustleistung ist in mehrfacher Hinsicht kritisch. Zum einen muss sie über das Gehäuse abgeführt werden. Zum anderen müssen die 24V-Netzteile des industriellen Spannungsbereichs für die anfallende Verlustleistung ausgelegt werden. Das kann bei erhöhter Leistungsaufnahme der Schnittstelle, z.B. nach einem Umstieg vom Feldbus zum Profinet, zu erhöhten Kosten oder mehr Platzbedarf führen. Wünschenswert ist daher eine niedrige Leistungsaufnahme der Profinet-Schnittstelle, sodass z.B. IP67-Geräte problemlos angekoppelt werden können. Heutige Feldbus-Schnittstellen stellen keine besonderen Anforderungen an die Komplexität einer Leiterplatte. Bei aktuellen Anschaltungen an Profinet und andere Ethernet-basierende Systeme steigen diese Anforderungen. Durch kleine Pitch-Abstände und die Notwendigkeit vieler Layer steigen die Kosten für das Layout und die Fertigung der Leiterplatten. Ein für kompakte Feldgeräte und Antriebe optimiertes Schnittstellenkonzept für Profinet muss dies berücksichtigen und ein kostengünstiges Leiterplatten-Design ermöglichen. Dezentrale Feldgeräte und Antriebe werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Applikationen gebaut und eingesetzt. Entsprechend vielfältig sind auch die Skalierung und das Design der entsprechenden Anwendungen auf den Geräten. Das Spektrum reicht von einfachen Ein/Ausgabeschaltkreisen, die ohne Prozessorunterstützung auskommen, bis zu Signalprozessoren mit komplexen Mess- und Analysefunktionen. Eine Schnittstellenlösung für Profinet benötigt daher ein vielseitig konfigurierbares Anwendungs-Interface, das Ankopplungsmöglichkeiten sowohl für Microcontroller bietet als auch die direkte Anschaltung von Ein/Ausgabesignalen ermöglicht. Heutige Feldbusanschaltungen für z.B. Interbus oder Profibus sind lizenzfrei. Der Gerätehersteller bezahlt lediglich den Protokoll-Chip. Zusätzliche Entwicklungs- oder Laufzeitlizenzen werden meist nicht fällig. Dieses einfache und transparente Geschäftsmodell erwarten Gerätehersteller auch von einer Profinet-Schnittstelle. Tool Chain, Feldbusmigration und Applikationstrennung Heutige Feldbusanschaltungen, z.B. der Supi für Interbus, erfordern keine speziellen Software-Werkzeuge zur Inbetriebnahme, Konfiguration oder Fehlersuche einer Anschaltung. Viele aktuelle Integrationsmöglichkeiten für Profinet benötigen aber spezielle Entwicklungsumgebungen. Die Einarbeitung in diese Entwicklungsumgebungen ist häufig mit hohem Aufwand verbunden, die ein Gerätehersteller nicht für jedes Automatisierungsnetzwerk investieren will. Ein optimiertes Konzept zur Profinet-Integration sollte daher nur einfach zu handhabende Konfigurationswerkzeuge beinhalten, die die Schnittstellenkomponenten trotz ihrer internen Komplexität für den Gerätehersteller einfach nutzbar machen. Gerätehersteller sind auf ihre jeweiligen Gerätefunktionen spezialisiert – darüber differenziert sich der Hersteller mit seinem technologischen Know-how am Markt. Die Gerätefunktion bestimmt daher maßgeblich z.B. die Auswahl des jeweiligen Prozessor- und Betriebssystems. Auch die gesamte Geräte-Software orientiert sich an dieser Aufgabe. Daher muss die Anschaltung an Profinet möglichst unabhängig von der jeweiligen Geräteapplikation möglich sein. Darüber hinaus sollte die Profinet-Kommunikation nicht zu einer höheren Belastung des Applikationsprozessors führen. Das gilt auch für spezielle Netzlast-Szenarien, bei denen die erhöhte Kommunikationslast keine Auswirkungen auf die Stabilität der Applikation haben darf. Die funktionale Trennung der Kommunikation von der eigentlichen Geräteapplikation – wie bei den meisten klassischen Feldbussen – ist eine wichtige Voraussetzung für die einfache und rückwirkungsarme Austauschbarkeit der Netzwerk-Schnittstelle. Diese unterstützt den Umstieg von den Feldbussen auf Profinet, da existierende Geräteapplikationen vielfach direkt weiter genutzt werden können. Die vorhandenen Applikationsprofile und Anschaltungskonzepte sollen auf einer neuen Plattform möglichst unverändert weiter verwendet werden können – dies gilt auch für z.B. Safety. Software-Integration Profinet bietet den Geräteapplikationen umfangreiche Kommunikations- und Diagnosefunktionen. Sie müssen von der Geräteapplikation einfach genutzt werden können, damit der damit verbundene Mehrwert zum Tragen kommt. Ein Ansatz ist z.B. die Bereitstellung eines Application Program Interfaces (API) im Source Code, was die direkte Integration des APIs in die eigene Geräte-Software ermöglicht. Mithilfe des API wird über standardisierte Funktionsaufrufe der Zugriff auf die Kommunikations- und Diagnosefunktionen der Profinet-Schnittstelle realisierbar. Isochronous Real-time (IRT) Der Kommunikationskanal Profinet IRT wird zukünftig von vielen Steuerungen unterstützt werden. Profinet IRT bietet die Voraussetzungen für synchronisierte Profinet-Kommunikation und synchronisierte Anwendungen. Es ist daher besonders wichtig für Gerätehersteller in den Bereichen Motion Control und Maschinenbau. Eine Voraussetzung ist dabei, dass alle Geräte innerhalb einer Linie bzw. IRT-Domäne das IRT-Switching zur Weiterleitung synchroner Profinet-Telegramme unterstützen, auch wenn die jeweiligen Geräteanwendungen selbst im Einzelfall keine Synchronisation benötigen sollten. Daher muss eine Schnittstellen-Lösung für Profinet IRT unterstützen, um in den entsprechenden Branchen und Anwendungen zukunftssicher unterwegs zu sein. Übertragungsmedien Profinet IO ermöglicht offene Netzwerk-Topologien und die Nutzung verschiedener Übertragungsmedien. Speziell beim Einsatz von Lichtwellenleitern kommen Fiber Optic Transceiver zum Einsatz, die eine präzise Diagnose der Übertragungsqualität auf den entsprechenden Netzwerksegmenten bieten und so die vorbeugende Wartung von Anlagen unterstützen. Die Unterstützung dieser Bauelemente durch eine Profinet-Schnittstellenlösung ist eine notwendige Voraussetzung für den Einsatz von Geräten in derartigen Anwendungen. Integrierte Single-Chip-Lösung Der TPS-1 von Phoenix Contact und Renesas, der zusammen mit Siemens, dem Institut Industrial IT und dem Fraunhofer IOSB-IN entwickelt wurde, ist wie die Ertecs ein dedizierter Profinet-Asic. Allerdings bedient der TPS-1 die oben aufgeführten Anforderungen der Hersteller kompakter Feldgeräte und Antriebe und schließt die Lücke im Portfolio der Profinet-Asics, die bisher unterhalb des Ertec 200 vorhanden war (Bild 1). Vom Profinet Controller über komplexe Feldgeräte mit hoher Modularität bis hin zu kompakten Feldgeräten und Antrieben findet der Gerätehersteller eine Profinet-Schnittstellenlösung mit dem jeweils passenden Zuschnitt und Funktionsumfang. Der TPS-1 verfolgt das Konzept der Single-Chip-Schnittstelle. Für die Anschaltung eines Gerätes an Profinet sind daher nur der TPS-1 und ein kleines serielles Flash notwendig, ähnlich wie bei heutigen Feldbusanschaltungen wie dem Supi für Interbus oder dem SPC3 für Profibus. Im TPS-1 sind die Ethernet-Leitungstreiber (PHYs) integriert, sodass außer den Übertragern und den RJ45-Buchsen keine weiteren Bauteile für eine Ethernet-Schnittstelle notwendig sind. Das ermöglicht die Integration einer Profinet IO Geräteschnittstelle der Conformance Class C auf einer Leiterplattenfläche von ca. 260mm² (Bild 2). Bei der Nutzung des TPS-1 fallen außer dem Einkaufspreis für den Chip selbst keine weiteren Kosten wie Lizenzgebühren an. Der TPS-1 enthält wie die Ertecs einen 3-Port RT/IRT-Switch mit nochmals verbesserter Performance. An den internen Port ist eine ARM-CPU angebunden, die für die Abarbeitung eines optimierten Profinet-Stacks reserviert ist und nicht für Geräteapplikationen genutzt werden kann. Der Stack und die Konfiguration der jeweiligen Betriebsart werden aus dem seriellen Flash geladen, ohne dass dazu eine spezielle Embedded Toolchain oder spezielles Know-how notwendig ist. Zur Daten- und Instruktionsspeicherung nutzt der TPS-1 sein integriertes RAM von 768KByte. Ein integriertes RAM bietet Vorteile wie geringere Verlustleistung (man benötigt keine Leitungstreiber) und weniger Platzbedarf auf der Leiterplatte. Zusätzlich sinkt die Leiterplattenkomplexität, da weniger Layer benötigt werden. Die elektromagnetische Verträglichkeit der Baugruppen verbessert sich, da keine hochfrequenten Signale auf der Leiterplatte liegen. Wie bei vielen Feldbus-Asics kann über ein im TPS-1 integriertes Host-Interface eine Applikations-CPU entweder parallel mit 8/16Bit parallelem Datenbus oder über SPI seriell mit bis zu 25MHz Taktrate angebunden werden (Bild 3). Dabei adressiert die Applikations-CPU ein integriertes Shared Memory, das die Ein/Ausgabe-Daten, eine Konsistenzsteuerung, Geräte- und Herstellerinformationen und weitere Daten enthält. Der Zugriff der Applikation auf das Shared Memory wird durch eine frei erhältliche schlanke Treiberbibliothek erleichtert. Die Bibliothek ist im Source Code verfügbar und lässt sich als Application Program Interface (API) zur Geräteanwendung integrieren. Die Anwendung kann so einheitliche Funktionsaufrufe und Callback-Funktionen zur Kommunikation mit der Profinet-Schnittstelle nutzen. Signale vom TPS-1 an das Hostsystem können der Applikations-CPU per Interrupt gemeldet werden. Außerdem ermöglichen Triggersignale die Synchronisation der Geräteanwendung auf den Profinet IRT-Zyklus. Eine weitere Nutzungsmöglichkeit des TPS-1 ist die Realisierung kompakter Ein /Ausgabe-Geräte. Dazu können parallel oder seriell Leitungstreiber oder E/A-Schaltkreise direkt an den Chip angeschaltet werden. So sind Ein/Ausgabe-Geräte mit bis zu 48 Kanälen möglich. Die E/A-Betriebsart und das Host Interface zu einer Applikations-CPU können alternativ genutzt werden. Die Verwendung des TPS-1 ist auch in Verbindung mit flexiblen FPGA-basierenden Schnittstellenlösungen möglich. Dabei können über eine entsprechende Betriebsart ausschließlich die integrierten PHYs des TPS-1 genutzt werden. In dieser Betriebsart wirkt der TPS-1 wie ein Dual-PHY und kann von allen IP-Core basierenden Ethernet-Systemen aus dem FPGA heraus verwendet werden (Bild 4). Zum Betrieb des Geräts an Profinet IO kann der TPS-1 in seine normale Betriebsart versetzt werden. Dies ermöglicht die Nutzung der kompletten Profinet IRT-Funktionalität über das Hostinterface. Durch entsprechende Hardware-Modelle für das FPGA ist diese Betriebsart für eine Applikation im FPGA so einfach nutzbar wie bei den IP-Cores. Auch hier wird das Shared-Memory Interface verwendet. Die Kostendifferenz zwischen einem Dual-PHY und dem TPS-1 beträgt ca. 10E. Diese Kosten sind – im Vergleich zum Ressourcenbedarf durch einen entsprechend großen IP-Core im FPGA – gering. Die Unterstützung von Lichtwellenleitern als Übertragungsmedium ist ebenfalls im TPS 1 implementiert. Der Chip bietet für jeden der beiden externen Ethernet-Ports eine separate I²C-Schnittstelle, an die jeweils ein Fiber Optic Transceiver von Avago angeschlossen werden kann. Die Trennung der beiden Schnittstellen erleichtert dem Gerätehersteller die Inbetriebnahme, da keine spezielle Adressierung erfolgen muss. Dadurch kann Zeit gespart und Fehler in der Anlaufphase vermieden werden. Spezielle Applikationsprofile wie Profisafe oder ProfiEnergy sind in höheren Protokollschichten angesiedelt und können daher z.B. \’oberhalb\‘ des TPS-1 implementiert werden. Einfache Inbetriebnahme Zur einfachen Konfiguration der verschiedenen Betriebsarten des TPS-1 sowie der Eigenschaften des so realisierten Profinet-Geräts bietet KW-Software Firmware- und Software-Komponenten an. Die Firmware des TPS-1 enthält den eigentlichen Profinet-Stack sowie Funktionen zur internen Steuerung des Chips und zum Update der Firmware über unterschiedliche Interfaces. Als Konfigurationswerkzeug unter Windows wird der TPS-Configurator eingesetzt. Dieser führt den Anwender kontextsensitiv durch die verfügbaren Optionen, sodass die gewünschte Funktionalität schnell parametriert werden kann. Neben der Betriebsart des Chips werden hier auch Details wie MAC-Adressen, Informationen des I&M-Profils und weitere Daten konfiguriert. Für die einfache Nutzung des TPS-1 von der Geräteanwendung aus bietet KW-Software ein entsprechendes Application Program Interface (API) im Source Code an. Das kann unabhängig vom verwendeten Betriebssystem oder Prozessor direkt in die Geräteanwendung integriert werden und ermöglicht über Funktionsaufrufe den Zugriff auf die Kommunikations- und Diagnosefunktionen im Shared Memory des TPS-1. Die Software- und Firmware-Komponenten können von den Anwendern des Chips ohne weitere Lizenzkosten genutzt werden. Vertrieb und Support weltweit Zur Vermarktung und Distribution des TPS-1 sind Renesas Electronics und KW-Software (als strategischer Vermarktungskanal für die Profinet-Technologie der Phoenix Contact Gruppe) eine Partnerschaft eingegangen. Der TPS-1 Chip wird zusammen mit den von Siemens entwickelten Ertec 200/400 Profinet-Controllern über die weltweiten Vertriebskanäle von Renesas Electronics erhältlich sein. Renesas Electronics sorgt im Rahmen dieser Partnerschaft für den weltweiten Vertrieb und Support des TPS-1 über sein Distributionsnetzwerk. KW-Software übernimmt die Pflege und Weiterentwicklung der Softwarekomponenten. Serienprodukte in Musterstückzahlen sind ab Q4/2011 bei Renesas erhältlich. Zu diesem Zeitpunkt kann der TPS-1 auch in industiellen Stückzahlen bestellt werden. Aktuell arbeiten Pilotkunden bereits an ersten Implementierungen. Einfache Integration Mit dem TPS-1 haben Phoenix Contact und Siemens eine integrierte Single-Chip-Lösung entwickelt, mit der sich kompakte Geräte und Antriebe an Profinet ankoppeln lassen. Phoenix Contact hat sein Know-how aus der Entwicklung des Interbus-Systems in den TPS-1 Chip eingebracht und Ideen zur Leistungssteigerung von Profinet beigesteuert. Der Baustein reduziert den Integrationsaufwand zeitlich und finanziell. Dabei unterstützt er auf kleinem Raum die aktuelle Profinet-Spezifikation bis Conformance Class C. Das erste Zertifikat dazu wurde bereits auf der Hannover-Messe von der PNO übergeben.