Heterogene Netzwerke einfach vereinen:

Flexible Steuerungslösung für Feldbussysteme

Speicherprogrammierbare Steuerungen sorgen in vielen Automatisierungsanwendungen für ein reibungsloses Zusammenspiel einzelner Komponenten. Aber nicht immer ist die klassische SPS die richtige Lösung. Manche Bereiche des Maschinenbaus, sei es z.B. die Medizintechnik, Labortechnik oder Textilindustrie, setzen bevorzugt auf PC-basierte Steuerungslösungen. Individuelle Anwendungen in diesem Bereich fordern oft hohe Flexibilität. Manche davon ließen sich vielleicht mit einer klassischen SPS realisieren. Allerdings fehlt bei den Entwicklern dazu oft das entsprechende Know-how, da sie seit Jahren auf PC-basierte Lösungen und C-Programmierung setzen. Zudem ist in diesen Fällen oft CANopen das Kommunikationsprotokoll der Wahl. Allerdings kommt CANopen in vielen Bereichen heute an seine Grenzen, denn es kann in manchen Anwendungsfällen nicht mehr die geforderten Geschwindigkeiten liefern. Ist also das Ende von CANopen im Sondermaschinenbau absehbar?

Geschwindigkeit ist zwar eine wesentliche Forderung im Sondermaschinenbau, aber dennoch nur eine von vielen. Weitere sind unter anderem das schnelle Time-to-Market bei Neuentwicklungen, Zuverlässigkeit im Betrieb und natürlich möglichst geringe Entwicklungs- und Herstellungskosten der neuen Anlage. Wie lässt sich all das unter einen Hut bringen? Ist ein einziges Netzwerk in einer Maschine oder Anlage wirklich die richtige Lösung oder sollte man doch verschiedene Netzwerke vereinen und die Vorteile aus mehreren Welten kombinieren? Aber wie geht man dann mit der einhergehenden Schnittstellenproblematik um? Viele Fragen, die sich in diesem Zusammenhang zwangsläufig stellen. Die Netzwerkexperten von HMS und IXXAT liefern mit der IXXAT Econ 100, einer Plattform für kundenspezifische Steuerungslösungen, darauf eine Antwort.

Heterogene Netzwerke oder doch ein Vollumstieg?

Schon heute nutzen Maschinen und Anlagen verschiedene Kommunikationsprotokolle gleichzeitig, gerade seit sich Ethernetlösungen im industriellen Bereich mehr und mehr durchsetzen. Um verschiedene Netzwerke miteinander zu verbinden, werden Gateways eingesetzt. Allerdings erhöht sich dadurch der Konfigurationsaufwand deutlich. Zudem leidet in der Regel die Systemperformance und auch die Möglichkeiten zum Testen werden erschwert.

Trotzdem bringen heterogene Netzwerke viele Vorteile. Zeitkritische Komponenten wie Antriebe können über ein schnelles Kommunikationsprotokoll angesprochen werden, wie z.B. EtherCAT. Sensorik dagegen reagiert im Vergleich zur Antriebstechnik eher träge und ist mit einem langsameren Kommunikationsprotokoll wie bspw. CANopen bestens versorgt. Der Einsatz von CANopen ist daher sinnvoll, weil hier die Kosten für die verwendeten Komponenten vom Stecker und Kabel bis hin zum Controller deutlich niedriger liegen.

Während der Vollumstieg auf eine Ethernetlösung mit viel Aufwand und Kosten verbunden wäre und zugleich dem viel zitierten Schießen auf Spatzen mit Kanonen entspräche, vereinen heterogene Lösungen zwei Vorteile: Höchstgeschwindigkeit da, wo es darauf ankommt, und Kosten sparen, wo Geschwindigkeit keine wesentliche Rolle spielt. Bleibt nur noch die Forderung nach einer einfachen Entwicklung von Netzwerklösungen. Klassische SPS-Konzepte können hier in der Regel nicht weiter helfen. Die flexible Plattform für kundenspezifische Steuerungslösungen wurde genau für solche Fälle entwickelt, wo verschiedene Netzwerke kombiniert werden sollen und lässt sich für verschiedene Zwecke vom „einfachen“ Gateway bis zur kompletten Steuerungslösung nutzen. So kann die Steuerung einerseits als Subsystem eingesetzt werden und die Synchronisation mit einer übergeordneten Steuerung übernehmen oder auch selbst als übergeordnete Steuerung fungieren.

Vorteile heterogener Netzwerke einfach nutzen

Die Netzwerkexperten haben in den vergangenen Jahren für viele Anwendungen individuelle Steuerungslösungen entwickelt, mit denen sich die Vorteile verschiedener Kommunikationsprotokolle zuverlässig nutzen lassen. Aus diesen vielfältigen Praxiserfahrungen entstand nun ein Standardprodukt, das sich einfach an individuelle Anforderungen anpassen lässt. Die leistungsfähige EtherCAT-Master-Lösung zur Hutschienenmontage ist hochflexibel dank einzigartiger Kombination aus Schnittstellen, FPGA, Software und Services.

Das System nutzt für die EtherCAT-Master-Funktionalität die bewährte Protokollsoftware der Firma acontis für EtherCAT-Master Class B. Ein speziell optimierter Link-Layer ermöglicht Zykluszeiten von unter 1 ms. In der Basis-Version bietet das Gerät vier Ethernet- und zwei CAN-Schnittstellen, sowie zwei USB-Ports und setzt als CPU auf ein Dual-Core Cortex A9. Ethernet und CAN lassen sich also ohne großen Aufwand nebeneinander verwenden. Der interne RAM-Speicher umfasst in der Basis-Version 256 MB und kann auf bis zu 1 GB erweitert werden. Als Flash-Speicher für die Programme und das Betriebssystem dient eine SD-Karte.

Die gewählten Master-Implementierungen sowie die im Lieferumfang enthaltenen Schnittstellentreiber und das vorinstallierte Linux-Betriebssystem erlauben eine rasche Umsetzung von kundenspezifischen Anwendungen für CANopen, EtherCAT und Powerlink sowie die schnelle Übernahme von bestehenden Anwendungen auf die kompakte und leistungsfähige Steuerungslösung.

Flexibel anpassbar

Wichtig war den Netzwerkexperten, dass man die Steuerungslösung an die Anforderungen vielfältiger Einsatzgebiete anpassen kann. Deshalb lassen sich z.B. kundenspezifische Schnittstellen- oder Funktionserweiterungen (z. B. digitale und analoge I/Os, DVI-Ausgang) einfach und schnell über Erweiterungsslots sowie über einen auf der Hardware vorhandenen FPGA realisieren. Der Linux-PC wurde für Automatisierungsanwendungen optimiert. Durch den Verzicht auf nicht benötigte Funktionalitäten bietet das kompakte Gerät die Leistung eines High-End-PCs. Trotz lüfterlosem Design ist die IXXAT Econ 100 zudem in einem weiten Temperaturbereich von -40 °C bis +70 °C nutzbar. Auch die vielfältigen Schnittstellen helfen bei der optimalen Anpassung an verschiedene Anwendungen.

Für die schnelle und einfache Realisierung kundenspezifischer Software-Lösungen (z. B. Gateways) steht ein umfangreiches Board-Support-Package mit Linux Betriebssystem zur Verfügung. Ein Application Development Kit liefert für den einfachen Einstieg in die Softwareentwicklung standardisierte Software-Beispiele in kompilierter Form ebenso wie im Source-Code.

Vielfältige Einsatzbereiche

Die typischen Einsatzbereiche der Steuerungslösung finden sich weniger in der klassischen Fabrikautomation als vielmehr im Sondermaschinenbau. Pick-and-Place-Maschinen in der Elektronikfertigung, Roboter, Druck- und Verpackungsmaschinen oder Schweißmaschinen sind einige Beispiele. Aber auch der Einsatz in Windkraftanlagen ist denkbar. Einen weiteren typischen Einsatzfall bietet die Laborautomation. Allen Bereichen gemein ist die Forderung nach hoher Zuverlässigkeit, denn oft ist die Steuerung in diesen Anwendungen im Dauereinsatz und muss auch bei Problemen mit der Stromversorgung zuverlässig weiter arbeiten, z.B. bei Langzeittests. Gleichzeitig arbeitet sie auch bei anspruchsvollen EMV-Umgebungen zuverlässig.

Fazit: Einfache und schnelle Umsetzung bei Neuentwicklungen ist im Sondermaschinenbau eine wichtige Forderung. Gleichzeitig ist High-Speed bei möglichst geringen Kosten gefragt. Heterogene Netzwerkstrukturen können hier ihre Vorteile ausspielen. Die IXXAT Econ 100 ist eine Steuerungslösung, die nun all diese Fliegen mit einer Klappe schlägt.

Alle Bilder: IXXAT

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter http://www.ixxat.de