Flexible Kommunikationsmodule: Schnittstellen-Lösungen für unterschiedliche Protokolle

Auch wenn nur erheblich weniger Schnittstellen erforderlich sind, hängt die Entscheidung für eine Eigenentwicklung dieser Schnittstellen durch die Hersteller von einer ganzen Reihe wirtschaftlicher und strategischer Faktoren ab. So stellt sich dem Hersteller zum einen die Frage, ob er über das nötige Know-how zu Feldbussen und Industrial-Ethernet-Systemen verfügt und die erforderlichen Entwicklungskapazitäten besitzt. Zum anderen muss er sich fragen, ob die Entwicklung von Schnittstellen eine Kernkompetenz des Unternehmens ist oder es werden soll. Nicht zuletzt entscheidet die anvisierte Time-to-Market: Steht genügend Zeit für eine Eigenentwicklung zur Verfügung? Muss der Hersteller eine dieser Fragen verneinen, sollte er auf externe Unterstützung bzw. bestehende Lösungen zurückgreifen. Doch selbst wenn er alle Fragen bejahen kann, heißt das nicht zwangsläufig, dass für ihn die Eigenentwicklung wirtschaftlicher ist als der Zukauf einer bestehenden Lösung. Einspareffekte ergeben sich in der Regel erst ab höheren Produktionsstückzahlen und sind abhängig von der Art und der Anzahl der zu unterstützenden Feldbusse und Industrial-Ethernet-Systeme. So stellen die All-in-one-Busknoten aus der Unigate IC-Serie von Deutschmann Automation für Hersteller, die kleinere Gerätestückzahlen mit vielen unterschiedlichen Schnitt­stellen planen, eine Alternative zur Eigenentwicklung dar. Deutschmann bietet ein kleines Tool an, das Herstellern einen von der geplanten Stückzahl abhängigen Kostenvergleich der Alternativen ermöglicht und übersichtlich die jeweils bei Eigenentwicklung oder Zukauf entstehenden Kosten gegenüberstellt. Kommunikationsmodule in Miniatur-Bauform Mit den Unigate ICs sind einbaufertige Schnittstellen für alle führenden Industrial-Ethernet- und Feldbus-Systeme erhältlich, die der Anbieter ständig den sich weiterentwickelnden Standards anpasst. Die Kommunikationsmodule in Miniatur-Bauform eignen sich bevorzugt für den Einsatz mit Endgeräten aus der Automatisierungstechnik wie Steuerungen, Aktoren und Sensoren, können aber auch Steuerungskomponenten an den Feldbus oder das jeweilige Ethernetsystem anbinden, die nicht unmittelbar der Automatisierungstechnik entstammen. Beispiele hierfür sind Analysenmessgeräte für die Prozesstechnik. Unigate IC-Versionen sind u.a. für Ethernet TCP/IP und die ethernetbasiernden Protokolle Modbus TCP, Profinet, Powerlink, Ethercat, Ethernet/IP sowie für Profibus DP, MPI, Interbus, Devicenet, CANopen und LonWorks erhältlich. Für RS-basierende Protokolle wie beispielsweise Modbus RTU und Modbus ASCII gibt es die Unigate IC-Varianten mit RS232- oder RS485-Schnittstelle. Die Busknoten im 32-DIL-Gehäuse vereinen auf einer Fläche von nur 45x25mm Microcontroller, Flash, RAM, Bus-Controller und analoge Bauteile wie beispielsweise Optokoppler. Die Anbindung des Unigate ICs an den Host-Prozessor erfolgt dabei über eine UART-Schnittstelle. Im Stand-Alone-Betrieb, bei denen der Unigate IC prozessorlose Endgeräte mit dem Feldbus oder Ethernet verbindet, erfolgt der Anschluss über das synchrone serielle Interface. Es können jeweils bis zu 65.535 Signale für den Input und Output verarbeitet werden. Multi-Protokoll-Lösungen mit Unigate ICs Unigate ICs übernehmen die komplette busseitige Kommunikation und entlasten damit den Microprozessor der Applikation erheblich. In Unigate ICs setzt ein Skript das Protokoll des Endgerätes um, wodurch sie dem Anwender die aufwendige Anpassung der Endgerätefirmware ersparen. Da die Single-Chip Bus-Lösung über standardisierte, funktionsgleiche Hard- und Softwareschnittstellen verfügt, lassen sich mit ihnen auf einfache Weise flexible Multi-Protokoll-Lösungen realisieren. Der standardisierte Aufbau der Interfaces erfordert vom Hersteller lediglich die Integration der Adapterplatine, die mit dem Stecksockel zur Aufnahme der Kommunikationsmodule ausgestattet ist, oder die direkte Implementierung des Sockels auf der Geräteplatine. Umsetzung des Endgeräteprotokolls per Skript Die Abwicklung der Kommunikation zwischen Geräteprozessor und Unigate IC über ein Skript erweitert die Anpassungsfähigkeiten der Applikation. So können auch komplexe Protokolle nachgebildet, Daten zwischengespeichert und praktisch beliebig weiterverarbeitet werden. Bei Bedarf lassen sich anwenderspezifische Befehle integrieren; entsprechende Skripte können Aktionen mit zeitlichen und ereignisbasierten Auslösern verknüpfen sowie alle Daten und Zustände im Bus darstellen. Die Verwendung der Skriptsprache – einer Entwicklung von Deutschmann – macht es dem Anwender einfach: er muss lediglich die Busdaten weiterverarbeiten, wozu er kein spezielles Wissen über die Besonderheiten der Feld- oder Industrial-Ethernet-Busse benötigt. Protocol Developer zur Erstellung des Skripts Zur einfachen Programmierung des übersichtlichen und an C++ angelehnten Skripts steht das kostenlose Windows-Tool Protocoll Developer von Deutsch-mann zur Verfügung, das keine speziellen Programmierkenntnisse voraussetzt. Da der compilierte Code nur eine geringe Datenmenge umfasst und der Skriptspeicher der Single-Chip Bus-Lösung groß genug ist, sind auch umfangreiche Skripte möglich. Für das schnelle Debugging auch großer Skripte hält der Protocol Developer zahlreiche Funktionen vor, wie z.B. Breakpoint, Single-Step, Anzeige der Variablen und deren Werte oder Fehleranzeigen. Eine umfangreiche Beschreibung sämtlicher Skriptbefehle stellt die kontext-sensitive Hilfefunktion zur Verfügung. Zusätzlich enthält der Protocol Developer für jeden Skriptbefehl ein kommentiertes Beispiel-Skript. Außerdem stehen dem Anwender eine Reihe von Vorlagen für verschiedene Aufgabenstellungen und Busvarianten zu Auswahl, die er eigenen Bedürfnissen anpassen kann. Mithilfe der standardisierten Hardware-Schnittstellen lässt sich das einmal erstellte Skript praktisch ohne Änderungen auch für die anderen Feldbus- und Ethernet-basierenden Varianten der Unigate IC-Serie verwenden. Realistische Kostenplanung hilft bei der Entscheidung Entwickler und Produktmanager, die sich zwischen der eigenen Entwicklung oder dem Zukauf fertiger Schnittstellenlösungen entscheiden müssen, benötigen eine Übersicht über die konkreten Kosten der Hardwareumsetzung. Um Hersteller bei der realistischen Abschätzung der Gesamtkosten zu unterstützen, bietet Deutschmann auf seiner Website ein Tool zum Download an, dass die Kosten der Eigenentwicklung und des Zukauf einer Lösung gegenüberstellt und alle wesentlichen anfallenden Kostenpunkte berücksichtigt. Oft entscheiden sich Entwickler oder Produktmanager für eine vermeintlich günstigere Eigenentwicklung, weil sie die tatsächlichen Gesamtkosten nur unzureichend abschätzen. Ob sich eine Eigenentwicklung rechnet oder die Verwendung externer Lösungen unterm Strich doch kostengünstiger ist, hängt maßgeblich davon ab, welche Stückzahlen einer Gerätebaureihe hergestellt werden sollen. Diese Voraussage ist beim Start einer neuen Produktlinie nicht einfach zu treffen. Wichtig für die Planung ist aber, sich darüber bewusst zu sein, wo die Grenze zwischen Ersparnis und Mehrausgaben verläuft. Gerade über die Zeit betrachtet summieren sich bei Eigenentwicklungen unterschiedliche Kosten, die oft nicht ausreichend berücksichtigt werden. Das Kalkulationstool in Form einer Excel-Tabelle listet alle wesentlichen Kostenpunkte auf, die sowohl bei der Eigenentwicklung als auch beim Zukauf einer Lösung anfallen. Dazu zählen Entwicklungskosten, Schulungen für die Entwickler, der Preis für den Stack des jeweils verwendeten Kommunikationsprotokolls, die Kosten für die Zertifizierung der fertiggestellten Lösung und die Kosten der Wartung und Anpassung. Der Anwender gibt die anvisierten Stückzahlen in die Tabelle ein und erhält die Kostendifferenzen, die sich zwischen den Lösungsansätzen über mehrere Jahre ergeben. Die voreingefügten Angaben, die sich jederzeit anpassen lassen, stellen keinen Absolut-Wert dar, beruhen allerdings auf vorsichtigen Rechnungen, die an der unteren Kante angesiedelt sind. Für Bild 4 zum Beispiel wurde davon ausgegangen, dass die erforderliche Testumgebung und die Entwicklungstools bereits vorhanden sind und der zuständige Entwickler mit dem Thema vertraut ist. Das Tool ermöglicht eine realistische Einschätzung der Gesamtausgaben und gibt eine Antwort darauf, welche Lösung die kostengünstigere ist. Entwicklungsaufwand um bis zu 80% reduzieren Gerätehersteller können ihren Entwicklungsaufwand mit Unigate ICs um annähernd 70 bis 80% reduzieren und die Markteinführungszeit ihrer Produkte deutlich verkürzen. Die Entwickler müssen lediglich das Pinout der untereinander pin- und funktionskompatiblen Module durch ein Redesign ins Produkt bringen. Im Gegensatz zu geschlossenen Lösungen ermöglicht die offene Bauform der Module eine höhere Flexibilität für das Geräte-Design und lässt sich den Gegebenheiten der Geräteelektronik anpassen. Da die Schnittstellen über einheitliche Abmessungen verfügen und sich einfach austauschen lassen, können die Geräte oder Systeme an unterschiedliche Kommunikationsumgebungen angepasst werden: Die Durchgängigkeit der Schnittstellen-ICs in Hard- und Software gestattet es, mit der einmaligen Änderung an der Elekt­ronik nicht nur einen Bus zu implementieren, sondern es stehen grundsätzlich alle der unterstützten Industrial-Ethernet-Systeme und Feldbusse zur Wahl. Auch das einmal erstellte Skript kann bei Verwendung anderer Feldbus- und Ethernet-basierenden Unigate IC-Varianten mit nur geringfügigen Änderungen übernommen werden.