Industrielle Netze heute und morgen

Michael Volz ist Geschäftsführer der HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe www.anybus.de

Die letzten Jahre haben gezeigt, dass die jüngsten Entwicklungen bei Echtzeit-Ethernet-Protokollen immer noch mehr Leistung erfordern. Die neuen industriellen Ethernet-Netzwerke werden immer spezialisierter und die Anforderungen an einen Netzwerkprozessor, der die Anbindung an verschiedene Netzwerke und Echtzeitprotokolle handhaben muss, immer größer.

Bereits heute stehen Hersteller von Automatisierungsgeräten vor der Herausforderung, ihre Geräte in verschiedenste industrielle Netzwerke einbinden zu müssen. Je nach Zielmarkt wird das Gerät mit einer entsprechenden Kommunikationsschnittstelle z.B. für Profibus, Profinet, DeviceNet usw. ausgestattet. Gefragt sind aber zunehmend flexiblere Lösungen – und das gilt insbesondere für Industrial Ethernet. So sollen beispielsweise die Kommunikationsschnittstellen in den Geräten so flexibel sein, dass vor Auslieferung des Automatisierungsgeräts das entsprechende Netzwerkprotokoll einfach aufgespielt oder bei der Inbetriebnahme das benötigte Protokoll einfach ausgewählt werden kann. Genau hier kommen Multinetzwerkprozessoren wie der Anybus NP40 von HMS ins Spiel.

Der Anybus NP40 ist ein Single-Chip-Multinetzwerkprozessor, der einen performanten ARM-Prozessor und ein schnelles FPGA (Field-Programmable Gate Array) beinhaltet. Das FPGA-Array wird verwendet, um die verschiedenen physikalischen Ethernet-Schnittstellen einschließlich der integrierten Echtzeit-Switche für Netzwerke wie Profinet IRT, Powerlink, Ethercat und Sercos III zu implementieren. Der ARM-Prozessor (Cortex M3) wird genutzt, um die Protokoll- und Anwendungs-Stacks abzuspielen.

Durch die Kombination aus einem schnellem Prozessor und einem FPGA-Bereich ermöglicht der Baustein einen schnellen Datentransfer und hardwaregestützte Echtzeitsynchronisation. Der Anybus NP40 bietet Geschwindigkeit und präzise Taktsynchronisation und darüber hinaus auch hohe Flexibilität, denn die Anpassung an andere Ethernet-Netzwerke erfolgt einfach durch Laden einer anderen Firmware – ohne Änderung der Hardware.

Der Baustein ermöglicht geringe Durchlaufzeiten im Bereich weniger Mikrosekunden. Praktisch bedeutet das eine kaum messbare Verzögerung zwischen dem Netzwerk und der geräteinternen Applikationsschnittstelle (API). Dadurch eignet sich der Kommunikationsprozessor besonders für hoch performante Anwendungen und zur Umsetzung von Antriebsprofilen mit Motion Control und Taktsynchronisation.

Der Anybus NP40 unterstützt alle wichtigen Industrial-Ethernet-Netzwerke und Feldbusse. Durch Laden der entsprechenden Firm-ware unterstützt ein- und dieselbe Hardware mehrere verschiedene Netzwerke. Wird ein neues Netzwerk benötigt, muss also kein neues Entwicklungsprojekt aufgesetzt werden. Der Multinetzwerkprozessor erleichtert das Leben von Geräteherstellern, da vor Auslieferung eines Geräts an den Endkunden lediglich die entsprechende Firmware installiert werden muss, um die gewünschte Kommunikationsschnittstelle zu realisieren.

Das Besondere an der HMS-Lösung ist, das nicht nur ein Chip verkauft wird, sondern eine Komplettlösung angeboten wird. Der Chip ist dabei zwar das Kernstück, aber trotzdem in einen weiter gefassten Lösungsansatz eingebettet. HMS bietet den Chip im Bundle mit der zugehörigen Protokollsoftware als skalierbare Komplettlösung in den Formfaktoren Chip, Brick und Modul an. So kann jeder Anwender für sich entscheiden, ob er den Chip direkt in seine Geräteelektronik integrieren oder lieber ein komplettes Kommunikationsmodul einsetzen möchte. Die geräteinterne Applikationsschnittstelle bleibt immer gleich. Die Vorteile für den Kunden sind: Flexibilität, Skalierbarkeit und die standardisierte Software-Schnittstelle zum Automatisierungsgerät. Der Anwender kann so flexibel auf steigende Verkaufszahlen seiner Geräte reagieren und zum Beispiel anfänglich Kommunikationsmodule einsetzen und bei steigender Stückzahl den Anybus-Chip direkt auf seine Platine setzen – das alles geht mit der Anybus-Lösung ohne Änderung der Softwareschnittstelle und ist eines der Alleinstellungsmerkmale dieser Lösung.

Der Anybus NP40 ist das Herzstück der neuen Generation von Kommunikationsmodulen von HMS und zielt auf High-End-Anwendungen, die Echtzeit-Ethernet mit Taktsynchronität oder TCP/IP-basierte Applikationen mit großen Datenmengen benötigen.

Dennoch hat der Anybus NP30, der vor etwa 5 Jahren auf den Markt gebracht wurde, weiterhin seine Berechtigung. Der NP30 wurde für Standardanwendungen in der industriellen Kommunikation konzipiert und ist nach wie vor die richtige Wahl bei Automatisierungsgeräten, die keine taktsynchrone Kommunikation benötigen. Beispiele sind Sensoren, Barcode-Leser, Bedienterminals, medizinische Geräte, Ventile, Displays, Schraubstationen, Motorstarter sowie Frequenzumrichter und Antriebe ohne Motion-Control-Funktionen. Auch bei den Kommunikationslösungen kann der Kunden zwischen den Ausführungen Chip, Brick und Modul wählen.

Die Anzahl der industriellen Kommunikationssysteme wächst weiter und die Hoffnungen auf ein einheit- liches Industrial-Ethernet-Protokoll haben sich nicht erfüllt. Anwender haben die Qual der Wahl. Gerätehersteller müssen, um ihre Geräte zu vermarkten, möglichst viele industrielle Netzwerke unterstützen. Die folgende Seite gibt einen Überblick über die Kommunikationssysteme:

Mit dem Anybus NP40 bietet HMS seinen Kunden eine zukunftssichere Kommunikationsplattform, die die steigenden Anforderungen in der Fabrikautomation erfüllt. Im Unternehmen geht man davon aus, dass mittelfristig eine Multiprotokoll-Kommunikationsschnittstelle der Standard bei Automatisierungsgeräten sein wird. Auch integrierte Sicherheitstechnik und Energiemanagement – Themen, die in der aktuellen Diskussion stark im Fokus stehen – werden zukünftig Standardanforderungen an Automatisierungsgeräte sein. Mit dem Multinetzwerkprozessor Anybus NP40 stellt HMS schon heute die Weichen für die Kommunikationsanforderungen von morgen.