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Industrial-Ethernet-Schnittstelle richtig integrieren

Ethernet-Schnittstelle – sofort einsatzbereit
Renesas bietet Komplettlösung für die OT- und IT-Kommunikation

Die Implementierung einer Industrial-Ethernet-Schnittstelle stellt bestimmte Anforderungen an die Hard- sowie Software und erfordert entsprechendes Know-how bei der Umsetzung. Durch den Einsatz der neuen Stamp-Modullösung von Renesas können Anwender die Hard- und Software auch ohne spezielle Kenntnisse der Industrial-Ethernet-Protokolle richtig integrieren.

Lars Mickan, Business Development Manager, Renesas Electronics GmbH in Düsseldorf

Die Industrial-Ethernet-Protokolle haben sich im Bereich der Fabrik- und Prozessautomatisierung etabliert. Die Protokolle Profinet, Ethernet IP und Ethercat haben zusammen einen Marktanteil von 70 %. Der Markt für Industrial Ethernet im Bereich der industriellen Automatisierung wächst jedes Jahr um 20 % und hat bereits einen Anteil von weit über 50 % erreicht.

Warum Industrial Ethernet?

Im Vergleich zu herkömmlichen Feldbustechnologien haben die Ethernet-basierten Protokolle folgende Vorteile:

  • Bessere Performance und erweiterte Echtzeiteigenschaften, auch bei größerem Datenvolumen
  • Konsistente Integration in IT-Systeme
  • Nutzung bekannter und vorhandener Diagnosetools

Mit der Einführung von Ethernet-basierten Kommunikationsprotokollen in der OT-Schicht wird die Verbindung zwischen OT- und IT-Kommunikation einfacher. Alle Daten aus dem Feld (OT-Schicht) werden in der IT-Schicht verfügbar. Dies ermöglicht zwar die Nutzung aller verfügbaren Daten aus dem Feld, konfrontiert die Entwickler aber auch mit neuen Herausforderungen wie Echtzeit-Ethernet und Netzwerksicherheit.

Die Echtzeit-Ethernet-Kommunikation muss auf dem IEEE-Standard 802.1 basieren und sollte die folgenden Bereiche abdecken – im Wesentlichen die verschiedenen Teile des TSN-Standards:

  • ASrev: Timing und Synchronisation für zeitkritische Anwendungen in sogenannten Bridged Local Area Networks
  • Qbu: Frame Preemption
  • Qbv: Geplanter Datenverkehr
  • CB: Frame-Replikation und Eliminierung für höhere Zuverlässigkeit
  • Qch: Zyklisches Queuing und Weiterleitung
  • Qci: Per-Stream-Filterung und -Policing
  • Qcc: Stream-Reservation-Protokoll

Auch Ethernet Security ist ein großes Thema, denn alle kritischen Teile der Automatisierungsanlage sind heute wie in der IT-Welt über Standard-Ethernet verbunden und zugänglich. Große Endanwender-Organisationen wie die Namur haben dieses Thema bereits erkannt und die Anforderungen spezifiziert (z. B. NE-153, IEC 62443 oder die Richtlinie VDI/VDE 2182).

Trennung von Anwendung
und Kommunikation

Um die Vorteile von Industrial Ethernet schnell nutzen zu können, suchen viele Hersteller von Industrieanwendungen und -systemen nach Möglichkeiten, ihre Produkte mit einer geeigneten Schnittstelle auszustatten. Ein Problem dabei ist, dass sie zwar Know-how über die Anwendung haben, die Kommunikationsprotokolle aber nicht zu ihren Kernkompetenzen gehören. Daher ist es sinnvoll, die Anwendungs- und Kommunikationstechnologien zu trennen und über eine einfache, generische Schnittstelle zu verbinden. Dies ermöglicht es Systementwicklern, sich auf die Erstellung der Anwendung zu konzentrieren und sich nicht im Detail mit der Datenübertragung beschäftigen zu müssen.

Eine solche Lösung ist das RZ/N2L-basierte Modul von Renesas. Hierbei handelt es sich um ein Stamp-Modul, das als Komplettlösung für die speziellen Anforderungen von Industrial Ethernet (Profinet, Ethernet IP und Ethercat) mit Dual-Port-PHYs ausgelegt ist. Zusätzlich zu den Industrial-Ethernet-Protokollen unterstützt der RZ/N2L-Baustein durch seine integrierte Security-Crypto-Engine alle aktuellen Security-Features (wie Advanced Key Handling oder physikalisch isolierte Krypto-Operationen). Das Modul kann mit einem Standard-SMD-Pick&Place-Automaten auf der Trägerleiterplatte bestückt und im Reflow-Verfahren wie ein Standard-SMD-Bauteil verlötet werden. Der notwendige Speicher (RAM, Flash) für die Industrial-Ethernet-Protokolle ist auf dem Modul ebenso vorhanden wie die Spannungsversorgung (verschiedene Spannungen) für den Prozessor und den Speicher.

Darüber hinaus kann die Stamp-Modullösung von Renesas sofort eingesetzt werden, da die Softwarelizenzen für die Protokoll-Stacks in den Kosten für das Modul enthalten sind. Das Modul lässt sich über eine einfache SPI-Schnittstelle mit jeder bestehenden MCU verbinden. Über die einfache Softwareschnittstelle (API) können Daten einfach von der Anwendung zur Kommunikationsschnittstelle (Eingangsdaten) oder in die andere Richtung (Ausgangsdaten) übertragen werden. Darüber hinaus bietet die Softwareschnittstelle die folgenden Funktionen:

  • Initialisierung des Industrial-Ethernet-Stacks und dessen Strukturen
  • Firmware-Download der Kommunikations- sowie der Anwendungssoftware
  • Auslesen von Logdateien zur Diagnose und Fehlersuche

Software-Anwendungsbeispiele demonstrieren die Funktionalität der API und zeigen den Anwendern, wie sie die Industrial-Ethernet-Protokolle aktivieren können. Die Beispielprojekte sind für die Renesas MCUs RX und RA verfügbar und optimiert.

Zertifizierungen ermöglichen einfaches Plug & Play

Ein weiterer Vorteil der Stamp-Modullösung besteht darin, dass neben den Software-(Protokoll-)Zertifizierungen auch die Hardware zertifiziert wurde. Im Gegensatz zur Softwarezertifizierung können diese Zertifizierungstestergebnisse für das Endprodukt genutzt werden. Da die Software-Zertifizierung die Anwendung einschließt, muss dies mit dem Endgerät einschließlich der Anwendungssoftware erfolgen.

Die folgenden Hardware-Zertifikate sind erforderlich und verfügbar:

  • RoHS-Nachweis
  • REACH-Validierung
  • EMC-Messung

Alle im Modul verwendeten Komponenten und Materialien wurden auf die Einhaltung der europäischen Richtlinie 2015/863/EU und der Kriterien von REACH (Nr. 1907/2006) geprüft wurden.

Für den Nachweis der CE-Konformität wurde die Modul-Hardware in einem akkreditierten Prüflabor nach den geforderten Normen zur elektromagnetischen Kompatibilität (EN 55011, EN 55024, EN 61000-4-2 /3/4/5/6) getestet. Alle diese bereits vorliegenden Konformitätstests ermöglichen es dem Gerätehersteller, Entwicklungszeit und -kosten zu verkürzen und gleichzeitig einen schnellen Markteintritt des Produktes zu gewährleisten. In Zeiten der agilen Entwicklung sind dies wichtige Kriterien, die für den Einsatz einer modularen Lösung sprechen.

Toolkit und Software für schnellen Entwicklungserfolg

Darüber hinaus bietet Renesas ein Starter-Kit für die Modullösung an, was aus dem Industrial-Ethernet-Stamp-Modul auf einem Adapter-Entwicklungsboard besteht. Dieses Adapterboard umfasst die standardisierten Arduino- und Pmod-Schnittstellen, über die es mit anderen MCU-Entwicklungsboards wie Renesas RA und RX verbunden werden kann. Das Ethernet-Modul-Starter-Kit enthält außerdem eine Kurzanleitung für einen schnellen Start mit der Entwicklung, ein USB-Kabel sowie Links zur Software und Dokumentation, die von der Webseite heruntergeladen werden können. Das Windows-basierte Codesys-Tool ermöglicht dem Anwender eine schnelle Konfiguration und Parametrierung von Profinet, Ethernet/IP und Ethercat sowie das Auslesen von Log-Dateien zur Fehlersuche und Diagnosemeldungen. Das Tool steht auf www.codesys.com zum Download bereit. Das komplette Softwarepaket, einschließlich Beispielcode und Dokumentation, ist auf der Renesas-Website im Download-Bereich verfügbar. (ge)

Weitere Informationen:

hier.pro/E628w

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