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Ethernet-Switch fido5000 kommuniziert im Prozessregler

Ready-to-Use-Lösung für einfache Netzwerktopologien
Ethernet-Switch fido5000 von Analog Devices kommuniziert im Prozessregler

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Auch in der Prozessautomatisierung kommt zunehmend Ethernet zum Einsatz. Damit der Wandel auch funktioniert, müssen Maschinen und Geräte fortan Ethernet verstehen und entsprechend umgerüstet bzw. neu ausgestattet werden. Dies hat auch die Jumo-Unternehmensgruppe erkannt, die künftig zur Kommunikation ihrer Geräte als eine der wesentlichen Komponenten den Ethernet-Switch-Chip fido5000 von Analog Devices (ADI) einsetzen wird, und somit frühzeitig für die Anforderungen in der Industrie 4.0 gerüstet sind.

Thomas Brand, Applikationsspezialist bei Analog Devices in München

Inhaltsverzeichnis

1. Sensoren mit Busanschluss
2. Einsatz im Prozessregler
3. Switch mit integriertem PHY
4. Security ist integriert

Der durch Industrie 4.0 bzw. Industrial Internet of Things (IIoT) getriebenen Wandel hin zur Digitalisierung ist vor allem in der industriellen Automatisierungstechnik deutlich spürbar. Die Produktionslandschaft verändert sich. Die einzelnen Produktionsstätten werden vernetzt, sie kommunizieren untereinander und zwischen unterschiedlichen Unternehmensbereichen, oder gar über Unternehmensgrenzen hinweg. Durch Zustandsüberwachung, Diagnose- und Optimierungsmöglichkeiten von maschinellen Anlagen und technischen Systemen kann die Effektivität der gesamten Produktion signifikant gesteigert werden. Dies verlangt allerdings nach einer stetigen Kommunikation aller Beteiligten des Unternehmens, egal ob Mensch oder Maschine. Sie müssen künftig unzählige von unterschiedlichsten Daten und Parameter untereinander austauschen.

Wo früher die Konnektivität noch relativ einfach gehandhabt wurde und lediglich die analogen Sensorsignale der verschiedenen Anlagen an eine zentrale Steuerung übertragen und dort digitalisiert wurden, verschiebt sich in Zeiten von Industrie 4.0 der Teil der Digitalisierung nun zum Sensor hin. Es kommen sogenannte smarte, intelligente Sensoren zum Einsatz, die an beliebigen Stellen in ein komplexes Netzwerk eingebunden werden und die erfassten physikalischen Größen bereits in digitaler Form über das Netzwerk weiterleiten. Diese intelligenten Sensoren vereinen neben der eigentlichen Messgrößenerfassung bereits einen wesentlichen Teil der Signalaufbereitung und -verarbeitung in einem Gehäuse, wodurch sich zusätzliche Bauteile und vor allem auch Platz auf den Leiterplatten sparen lassen.

Sensoren mit Busanschluss

Ferner sind diese smarten Sensoren oftmals auch mit einer Busschnittstelle versehen. Durch die Digitalisierung der Messgrößen lassen sich wesentlich mehr Daten und diese auch schneller übertragen. Ein weiterer Vorteil liegt in der robusteren digitalen Signalübertragung. Zusätzlich können die busfähigen Sensoren im Idealfall per Plug-&-Play an das Netzwerk angeschlossen werden, d.h. sie werden von der Steuerung automatisch erkannt. Fällt ein Sensor aus, funktionieren die übrigen auch weiterhin.

All dies erfordert jedoch eine allgegenwärtige, hochzuverlässige und echtzeitfähige Vernetzung, angefangen bei den einzelnen Sensoren und Aktuatoren, über Maschinen bis hin zu kompletten Systemen. Das Ganze möglichst unter dem Einsatz einer offenen, herstellerunabhängigen Kommunikationsplattform, damit sich die Prozessabläufe auch systemübergreifend realisieren lassen. Herkömmliche Feldbusse wie Profibus, Modbus oder CC-Link reichen für diese Anforderungen nicht mehr aus. Als wesentlicher Kommunikationsstandard kristallisiert sich Ethernet bzw. das industrielle Ethernet heraus. Ethernet bietet gegenüber bisherigen Feldbussen entscheidende Vorteile, beispielsweise eine effiziente und synchrone Übertragung größerer Datenmengen auf einem gemeinsam genutzten Übertragungsmedium. Zudem bietet industrielles Ethernet die Möglichkeit, die gesamte Kommunikation auf eine einheitliche Basis zu bringen, die das klassische Ethernet um Echtzeitfunktionen und Determinismus ergänzt. Populäre Ethernet-Protokolle wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat oder Powerlink ermöglichen dabei die gemeinsame Nutzung von Ethernet mit konventionellen Protokollen wie http oder TCP/IP.

Gerade für diese Art von Anwendungen hat Analog Devices eine echtzeitfähige Switch-Chips auf den Markt gebracht; die fido5000-Familie. Sie hat zwei TSN-fähige Ethernet-Ports, mit denen sich ohne viel Aufwand Netzwerk-Topologien wie Linie, Ring, Stern sowie redundante Stern-Topologien realisieren lassen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, beliebige Host-Prozessoren mit dem Switch-Chip über einen konfigurierbaren Memorybus zu verbinden. Diese Schnittstelle ist 16- oder 32-Bit breit und stellt zudem drei separate Interruptleitungen zur Verfügung, die im Prozessor mit Hilfe von individuellen Prioritäten verarbeitet werden. Die Flexibilität des ‚fido5000 REM‘ (Real-Time-Ethernet-Multi-Protocol) ermöglicht es Entwicklern, ihre Designs trotz der sich immer weiter entwickelnden Standards zukunftssicher zu gestalten, da er jedes aktuelle Industrial-Ethernet-Protokoll (Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink, Modbus, usw.) unterstützt.

Einsatz im Prozessregler

Diese Spezifikationen, waren u.a. auch für die Jumo-Unternehmensgruppe, ein weltweit agierendes mittelständisches Unternehmen in Fulda, für die Entwicklung der neuen Geräte von Interesse. Jumo entwickelt Produkte und Systemlösungen zum Messen, Regeln und Analysieren von physikalischen oder auch chemischen Größen für unterschiedlichste Branchen. Dazu gehören die Lebensmittel- und Verpackungsindustrie, die Chemie- und pharmazeutische Industrie, Klimatechnik, Maschinenbau sowie auch die Wasser- und Abwasserversorgung. Die Anforderungen in diesen Branchen bestehen oftmals darin, Prozessdaten über große Netzwerke zu kommunizieren. Für dieses Einsatzgebiet stellt der fido5000 eine ideale Lösung dar, weshalb er auch Anwendung in einem der neuesten Jumo-Designs findet, dem DICON touch.

Der DICON touch ist ein Zweikanal-Prozess- und Programmregler, der über einen TFT-Farbgrafikbildschirm visualisiert und mittels Touch intuitiv bedient werden kann. Neben den bereits vorhanden Schnittstellen RS422/RS485 Modbus RTU, Ethernet und Profibus DP ermöglicht der neue DICON touch dank des integriertem Zwei-Port-Switch fido5000 nun auch die Anbindung und Kommunikation mit einem Profinet-Controller. Der DICON touch stellt somit durch die Integration der verschiedenen Komponenten eine „Ready-to-Use-Lösung“ dar, mit deren Hilfe sich einfache Netzwerktopologien realisieren lassen. Alle bereits integrierten Ethernet-Anwendungen, wie die Auswertung der Registrierdaten, die Setup-Übertragung sowie die Webserverfunktionalität mit Onlinevisulisierung, stehen dabei gleichzeitig auch mit Profinet zur Verfügung. Durch die Zertifizierung wird die Konformität zur Profinet-Norm und die Kompatibilität mit Anwendungen unterschiedlicher Hersteller gewährleistet.

Neben dem Produkt an sich war für Jumo zudem die Bereitschaft zur engen Zusammenarbeit sowie die umfassende Expertise im Bereich Industrie 4.0 ausschlaggebend. ADI beschäftigt sich schon frühzeitig mit Zukunftstrends und den hierfür erforderlichen Technologien, um diese Trends entsprechend bedienen zu können. Jumo konnte somit gemeinsam mit dem Halbleiterspezialist ein Produktentwickeln, das dem Stand der Technik voraus ist und es erlaubt, die komplette Industrie-4.0-Signalkette vom Sensor bis hin zur Cloud abzudecken: erfassen, messen interpretieren, verbinden, nutzen und sichern. Diese enge Zusammenarbeit verhilft dazu, die Entwicklungsprozesse zu beschleunigen und zu einer schnelleren Marktreife zu gelangen. Gleichzeitig führt es zu einer Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit, da sich der Kunde bereits zu einem früheren Zeitpunkt mit der nächsten Generation seiner Roadmap-Produkte auseinandersetzen kann. ADI steht seinen Kunden hierfür entweder als Partner im Hintergrund zur Verfügung, der zum Beispiel sicherstellt, dass seine Produkte zuverlässig funktionieren und Lieferfristen eingehalten werden. Oder als Partner, welcher aktiv seine Technologien, Erfahrungen und sein Expertenwissen in die Zusammenarbeit mit einbringt, um bei der Lösung komplexer Problemstellungen zu helfen.

Das Know-How des Halbleiterherstellers hat sich bei der Entwicklung des DICON touch insbesondere insofern bezahlt gemacht, dass bereits eine Lösung für die Anforderung vorhanden war, alle Geräte basierend auf dem Ethernet-Protokoll Profinet zu designen. Die Herausforderung bestand darin, ein möglichst universelles Gerät zu entwickeln und dadurch den Kunden eine Vielzahl von Möglichkeiten bieten zu können. Der DICON touch sollte daher als modulares, leistungsfähiges Konzept entwickelt werden: Mit einer einfachen Einsteckkarte und integriertem PHY für Standard-Ethernet, alternativ mit einer um Profinet-Funktionalitäten erweiterten Einsteckkarte.

Switch mit integriertem PHY

Neben dem reinen REM Switch Chip fido5000 wurde daher die integrierte, sogenannte ‚RapID-Platform‘ von Analog Devices zur Entwicklung der DICON touch herangezogen. Sie demonstriert eine Komplettlösung auf Basis des fido5000, als Embedded Design, die u.a. den fido5000-Switch-Chip, einen Kommunikations-Prozessor, JTAG-Schnittstelle, PHYs und verschiedene Speicher wie Flash, SDRAM und EEPROM auf einem Board kombiniert. Für die nächste Generation dieser RapID-Platform ist u.a. ein leistungsfähigggerer und gleichzeitig stromsparender ARM-Cortex-M4-Prozessor als Kommunikationsprozessor vorgesehen, auf dem sich zusätzlich je nach Kundenanforderung weitere Prozesse realisieren lassen.

Für die Entwicklung des DICON touch kamen Jumo die Eigenschaften der aktuellen RapID-Platform, wie u.a. die Verfügbarkeit gängiger vorzertifizierter Industrial-Ethernet-Protokolle, entgegen. Auch die zum Download bereitstehenden relevanten Informationen wie Schaltpläne, Layoutdaten, usw., konnten den Entwicklungsaufwand zur Implementierung der RapID-Platform in den DICON touch deutlich reduzieren. Ein weiteres Merkmal ist der dynamische, integrierter Webserver im Produkt, mit dessen Hilfe der Anwender auf einfache Art und Weise Netzwerkparameter, Ein- und Ausgangsdaten lesen beziehungsweise ändern kann. So besteht die Möglichkeit, über RMII- und I²C-Schnittstellen den PHY zu konfigurieren. Zudem lässt sich das Profinet-Modul beim Start updaten, da die Firmware auf dem DICON touch gespiegelt ist. Somit stellt die RapID-Platform eine Art aktiver PHY für die DICON touch dar, über den auch Firmware-Updates und Netzwerkzugang gewährleistet werden. Auch der Kreativität waren bei der Entwicklung keine Grenzen gesetzt. So wurden die standardmäßig vorhandenen blinkenden LEDs, ein wichtiges Feature bei Profinet, mangels Platzangebot nicht auf der Elektronik umgesetzt. Bei der DICON touch wird künftig das komplette LCD-Display blinken.

Security ist integriert

Auch das Thema Cybersicherheit spielte bei der Entwicklung eine wichtige Rolle. Dabei gilt es das Thema bereits möglichst frühzeitig in der Signalkette zu implementieren, am besten bereits am Sensor direkt. Aus diesem Grund wurden die klassischen Sicherheitslösungen der fido5000-RapID-Plattform um weitere Sicherheitsmerkmale erweitert, die eine sichere Schlüsselgenerierung und -verwaltung, sicheres Booten, sichere Updates, einen sicheren Speicherzugriff sowie sicheres Debuggen bieten. Sie bieten einen vollintegrierten Ersatz für klassische kryptografische Lösungen und ermöglichen ohne viel Aufwand die Realisierung äußerst sicherer Hardware-Plattformen, die zu einer deutlichen Aufwertung der damit ausgestatteten Produkte führen. ge

www.analog.com

Details zum DICON touch:

https://www.jumo.de/web/products/apps/productdetailpage?pdpId=703571

Kontakt:
Analog Devices GmbH
Otl-Aicher-Strasse 60-64
80807 Munich
Tel.: +49 89 76903-0
Website: www.analog.com

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