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Bild: Turck

Dezentrale I/O-Lösungen M2M-Kommunikation direkt im Feld

25.09.2018

Flexible Produktionslinien erfordern die Übergabe von Produktdaten entlang der Fertigungskette von Maschine zu Maschine. Ethernet-Spanner tauschen Daten unterschiedlicher Steuerungen im Feld aus und ersparen so lange Verdrahtungswege zu den Schaltschränken.

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Dezentrale I/O-Lösungen sind an sich nichts Neues, werden im Hinblick auf moderne Automatisierungs- und Maschinenkonzepte, die zunehmend modular aufgebaut sind, aber immer interessanter. Der Trend bewegt sich gegenwärtig aus dem Schaltschrank ins Feld. Wenn robuste I/O-Technik in Schutzart IP67 eingesetzt wird, führen Anwender die Leitungen der Feldgeräte direkt im Feld auf ein entsprechendes I/O-Modul, das per Feldbus die Signale gesammelt zum Schaltschrank führt.

Im Vergleich zur Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung spart der Anwender Kosten für die Anschlusstechnik und die Verdrahtung. Ein Zeitvorteil ergibt sich beim Aufbau der Maschine beim Kunden. Statt viele einzelne Leitungen zum Schaltschrank zu führen, reichen bei Feldbus- oder Ethernet-Systemen in der Regel eine Kommunikationsleitung und eine Spannungsversorgung aus, um die I/O-Ebene an die Steuerung anzubinden. Die Peripherie kann dann schon vorab beim Maschinenbauer mit der dezentralen I/O-Technik verdrahtet werden und bildet so den modularen Maschinenbau konsequent ab.

Robuste RFID-Interfaces in IP67-Schutzart findet man bei einer Reihe von Herstellern schon seit längerer Zeit. Auch IP67-Steuerungen, die im Feld eingesetzt werden, sind mittlerweile erhältlich. Die dezentrale Architektur punktet dabei am höchsten, wenn sie lückenlos umgesetzt werden kann, wenn also im Idealfall überhaupt kein separater Schaltschrank mehr eingesetzt werden muss. Das scheiterte bis zum heutigen Tag oftmals an weiteren Netzwerktechnik-Komponenten, die einen Schaltschrank zwingend erfordern – beispielsweise an sogenannten Ethernet-Spannern, die die Kommunikation zweiter Ethernet-Master mit jeweils eigenen Netzwerken erlauben.

Datentransfer zwischen fremden Maschinen

Bislang war der Datentransfer zwischen den Maschinen einer solchen Linie häufig via I/O-Kopplung auf wenige Bit beschränkt. Dafür ließen sich leicht Schnittstellen einrichten. Mit dem Wandel zu intelligenten, vorausschauenden Produktionsketten müssen die Maschinen und damit die Steuerungen aber mehr Informationen miteinander austauschen als „Produkt abgabebereit“ oder „Übergabestation aufnahmebereit“. Zur Datenübergabe wird vom Betreiber häufig ein Identifikationssystem auf Basis von Barcodes oder RFID eingesetzt. Das ist für viele Produkttypen aber zu teuer oder schlicht nicht möglich.

Nutzen die beiden zu verbindenden Maschinen Steuerungen mit demselben Ethernet-Protokoll, werden hierfür klassische Ethernet-Gateways in IP20 eingesetzt. Diese müssen in den Schaltschrank und daher über lange Leitungswege verdrahtet werden.

Erster Ethernet-Spanner fürs Feld

Turck hat ein Block-I/O-Modul in IP67 entwickelt, das die Kommunikation zwischen zwei Netzwerken im Feld ermöglicht. Der erste Ethernet-Spanner in IP67, TBEN-L-Spanner, kann als beidseitiger Slave Daten bidirektional von Master zu Master austauschen. Im Gegensatz zu den IP20-Spannern benötigt der Turck-Spanner keinen Schaltschrank. Der Datenaustausch findet dort statt, wo er passiert: direkt im Feld an den Maschinen-Verbindungsstellen. Der Spanner fungiert als Slave für beide Steuerungen und ermöglicht so eine direkte Master-Master-Kommunikation. Die Daten wandern mit dem Produkt über den Spanner von einer Maschine zur nächsten. Daraus ergibt sich eine mögliche Verzweigung des Signal- und Daten-Flows in Fertigungslinien – ganz im Sinne von Industrie 4.0.

Vielseitig einsetzbares Multiprotokoll-Modul

Fertigungsketten der Fabrikautomation bestehen häufig aus Anlagenteilen verschiedener Hersteller. Viele große Kunden können den Einbau einer bestimmten Steuerung fordern, kleinere Kunden bekommen von den Zulieferern zwar die Anlagenteile geliefert, die sie benötigen, allerdings sind diese meistens mit Steuerungen verschiedener Hersteller ausgerüstet. Und selbst bei den ganz großen Automobilherstellern kann es vorkommen, dass sie aufgrund ihrer internationalen Struktur und Produktion auf Fertigungslinien produzieren, die aus Maschinen unterschiedlicher Steuerungshersteller bestehen.

Der TBEN-L-Spanner kann mittels Multiprotokoll-Technologie Daten der Ethernet-Protokolle Profinet, Ethernet/IP oder Modbus TCP verarbeiten. Dadurch verbindet er beispielsweise einen Profinet- mit einem Ethernet/IP-Master oder eine Ethernet/IP- mit einer Modbus-TCP-Steuerung. Die Datenschnittstelle dient den beiden Mastern wie ein Postfach, in dem beide Steuerungen Daten ablegen und abholen können.

Zusätzlich verfügt der Spanner über 16 digitale Eingänge. Er erfüllt also eine Doppelfunktion. So kann der Ethernet-Spanner ein I/O-Modul ersetzen, das der Maschinenbauer ohnehin hätte einsetzen müssen. Im Vergleich zu einem externen Ethernet-Spanner im Schaltschrank ist diese Lösung kosteneffektiver, da der Spanner lediglich das ohnehin benötigte Standard-I/O-Modul ersetzt.

NAT-Router für einfache Verbindungen

Für den Datentransfer müssen die Maschinenbauer keine Rücksicht auf die IP-Adressen anderer Fertigungslinien nehmen. Mit einer NAT-Router-Funktion (Network Adress Translation) des Spanners ist keine herstellerübergreifende Koordination von IP-Adressräumen nötig. Oft ist es so, dass Maschinenbauer ihre gewohnten IP-Adressen verwenden. Es kann vorkommen, dass zwei Hersteller dieselbe IP-Adresse wählen. Würden diese Netzwerke nun miteinander verbunden, käme es zu großen Problemen, da zwei identische IP-Adressen in einem Netzwerk nicht gekoppelt werden können. Der TBEN-L-Spanner arbeitet als NAT-Router, der die IP-Adressen umwandelt. Er handhabt die IP-Adressen der Hersteller als einzigartige Adressen und verhindert so eine Doppelbelegung, unabhängig von den eigentlichen Eingaben der Hersteller.

Ein Ethernet-Spanner in IP67 schließt eine weitere Lücke im Angebot an Netzwerkkomponenten, die bislang nur als IP20-Geräte zum Einbau im Schaltschrank angeboten wurden. Zudem erlaubt der Spanner mit Multiprotokoll eine Maschine-zu-Maschine-Kommunikation zwischen Steuerungen unterschiedlicher Hersteller. Für viele Maschinenbauer und insbesondere Anlagenplaner eröffnet ein IP67-Ethernet-Spanner neue Wege in der E-Planung und Konstruktion von Anlagen und Fertigungslinien.

Weitere Informationen zu Turck finden Sie im Business-Profil auf Seite 48.

Bildergalerie

  • Das Spanner-Modul TBEN-L5-EN1 fungiert als Slave für beide Steuerungen und ermöglicht so eine direkte Master-Master-Kommunikation. Dank seiner Multiprotokoll-Technologie arbeitet er in Profinet-, Ethernet/IP- und Modbus-TCP-Netzen.

    Bild: Turck

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