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Mehrsprachig gegen das Erbe der Feldbusse

Text: Jörg Kuhlmann, Turck FotoS: AndrewJohnson; Turck
Ist ein pragmatischer Umgang mit der historisch gewachsenen Protokollvielfalt möglich? Da keine international herstellerübergreifenden Standards absehbar sind, sind mehrsprachige Gateways ein erster Schritt in Richtung Reduktion der Protokoll- und Gerätevielfalt. Umso besser, wenn diese ungewöhnlich schnelle Hochlaufzeiten realisieren.

Ethernet-basierte Standards wie Profinet oder Ethernet/IP können sich gegenüber Feldbussen immer besser behaupten, unter anderem aufgrund der geringeren Fehleranfälligkeit. In Linientopologie ermöglicht beispielsweise Profinet mit geräteinternen 3-Port-Switches eine physikalische Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen zwei Teilnehmern. Dies reduziert die gegenseitige Beeinflussung mehrerer Teilnehmer, die beim Feldbus typischerweise parallel am selben Medium hängen. Zusätzlich erleichtern industrielle Ethernet-Protokolle mit Nachbarschaftserkennung das schnelle Auffinden problematischer Verbindungen und damit den zügigen Austausch defekter Komponenten. Auch die Möglichkeit zum Aufbau einer Ringredundanz erhöht die Kommunikationssicherheit. Bei Profinet garantiert das zuständige Media Redundancy Protokoll (MRP), dass bei einem Ausfall in Ringtopologie automatisch die Kommunikationsrichtung geändert wird und so die weitere Kommunikation gesichert ist.

Siegeszug des Ethernet

All diese Vorzüge tragen zum Siegeszug der Ethernet-Protokolle in der industriellen Automation bei. Die Hoffnung, mit dem Übergang von Feldbus- zu Ethernet-Netzwerken spezifische Protokoll- und Anschlusslösungen überwinden zu können, hat sich allerdings nicht erfüllt. Analog zu den eigenen Ethernet-Protokollen haben die Steuerungshersteller auch wieder eigene Installationsrichtlinien zur Verkabelung ihrer Netzwerke entwickelt. Die Protokollvielfalt prägt als Erbe der Feldbuszeit auch weiterhin die Ethernet-�?ra. Automatisierungstechnikhersteller auf der einen und Maschinen- und Anlagenbauer auf der anderen Seite müssen also auch bei Ethernet mit dieser Vielfalt umgehen. So zeichnet sich eine Gesetzmäßigkeit der Industrieautomation ab: Die Vielfalt an Standards und damit an Geräten, die vergleichbare Aufgaben erfüllen, aber auf unterschiedlichen Protokollen basieren, nimmt kontinuierlich zu. Turck nimmt sich dieser Herausforderung an und stellt Ethernet-Gateways und Block-I/O-Module vor, die ohne Eingriff des Anwenders - also vollautomatisch - mit Profinet IO, Ethernet/IP oder Modbus TCP betrieben werden können.

Komplexität reduzieren

Mit diesen Multiprotokoll-Geräten reduziert der Automatisierungsanbieter nicht nur die eigene Versionsvielfalt, sondern auch die der Kunden, wenn sie in verschiedenen Teilen ihrer Produktion oder in Landesvarianten ihrer Maschinen unterschiedliche Protokolle einsetzen. All diese Anwender müssen in Zukunft nur noch einen Gateway-Typ vorrätig halten, unabhängig vom verwendeten Ethernet-Protokoll. Da Einkauf und Lagerhaltung ohnehin oft zentralisiert sind, bietet sich hier die Chance, Lagerhaltungskosten und Komplexität effektiv zu reduzieren. Ein weiteres Einsatzfeld für die Multiprotokoll-Geräte sind Maschinen und Anlagen, die zu großen Teilen identisch geplant und gebaut werden können und je nach Endkundenvorgabe unterschiedliche Steuerungen oder Protokoll-Master erhalten. Die neuen Multiprotokoll-Geräten gibt es für die modularen Baureihen BL20 zur Schaltschrankmontage und BL67 zur Feldmontage sowie für IP67-Block-I/O-Module inklusive der BL compact-Reihe zur direkten Montage an der Maschine. Alle Gateways verfügen über interne Switches, die eine Installation in Linie ermöglichen. Die Protokolle Ethernet IP, Modbus TCP und Profinet IO sind in einer Gerätefirmware vereinigt.

Intelligente Identifikation

Möglich wird die neue Funktionalität durch eine intelligente Identifikationsroutine der Gateways. Sie ermitteln im Hochlauf nach dem Einschalten der Spannung - während der so genannten Snooping-Phase - durch Mithören des Traffics zunächst, welches Ethernet-Protokoll sich auf dem Draht befindet. Die Geräte wechseln dann automatisch zum erkannten Protokoll und ignorieren die Telegramme der anderen zwei. Die Implementierung der Protokolle steht dabei Einzelprotokoll-Geräten in keiner Weise nach: Im Profinet-Betrieb werden Topologieerkennung und Adresszuweisung unterstützt, bei Ethernet/IP Device Level Ring Medienredundanz.

Hochfahren in Höchstgeschwindigkeit

Die Multiprotokoll-Geräte sind zudem im Profinet-Betrieb Fast-Start-up-fähig und beherrschen QuickConnect im Ethernet/IP-Betrieb. Aufgrund der extrem schlanken Architektur des Mikroprozessors und des Betriebssystems erreichen sie nach Angaben des Herstellers einzigartige Start-up-Zeiten. Vor allem aus der Automobilindustrie kam die Forderung nach kurzen Hochlaufzeiten, um beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel an Robotern die Taktrate zu erhöhen. Je schneller das I/O-Modul auf dem Wechselwerkzeug seine Betriebsbereitschaft wieder herstellt, desto schneller ist die Taktzeit für einen Arbeitsgang. Das bedeutet für den Automobilhersteller entweder mehr Output pro Zeiteinheit oder weniger Roboter für einen bestimmten Arbeitsschritt. Zur Verkürzung der Hochlaufzeiten hat die Profinet-Nutzerorganisation das Hochlauf-Protokoll verschlankt. Die Steuerungshersteller ergänzten das Profinet-Protokoll um den so genannten priorisierten Hochlauf: Wenn ein Teilnehmer schon einmal an der Steuerung angemeldet war, speichern sowohl der Teilnehmer wie die Steuerung alle nötigen Parameter. Diese werden bei erneuter Anmeldung auf Übereinstimmung geprüft. Ist diese gegeben, kann der Teilnehmer im nächsten Schritt loslegen. Damit verkürzt sich das langwierige Informations-Ping-Pong zwischen Teilnehmer und Steuerung, das die Ethernet-Protokolle beim Standardhochlauf ausbremst. Mit der Beschleunigung des Stacks durch den priorisierten Hochlauf beseitigten Profinet in seinem Fast-Start-up-Protokoll und Ethernet/IP mit QuickConnect den ersten Bremsklotz des Hochlauf-Prozesses. Mit der Elektronik-Architektur seiner Ethernet-I/O-Module sorgt Turck dafür sorgt, dass Prozessoren - weitgehend unabhängig von den Protokoll-Modifikationen - deutlich schneller betriebsbereit sind und damit die Start-up-Zeiten zusätzlich befeuern. Die Fast-Start-up-Module in Block-Bauform von Turck erreichen heute Start-up-Zeiten von weniger als 150 Millisekunden bei Profinet sowie rund 90 Millisekunden bei Ethernet/IP. Damit liegen die Module weit unter den Forderungen der Automobilindustrie, deren Vorgabe bei maximal 500 Millisekunden liegt. Derzeit ist kein anderer Anbieter von Fast-Start-up-I/O-Modulen bekannt, der auch nur annähernd diese Zeiten erreichen würde.

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