Alternativer Ansatz bei der Entwicklung von Feldbusgeräten

Softwarebasiert

Der herkömmliche Ansatz, industrielle Geräte mit Hilfe von Hardwaremodulen feldbusfähig zu machen, hat Nachteile. Jetzt bietet die Entwicklung von Software-Stacks, die auf Mikrocontrollern des Embedded-Systems laufen, eine einfachere und flexiblere Lösung.
 Üblicherweise werden Feldbus-Netzwerke verwendet, 
um die digitalen Signale von Sensoren zur SPS zu übertragen.
Üblicherweise werden Feldbus-Netzwerke verwendet, um die digitalen Signale von Sensoren zur SPS zu übertragen.Bild: RT-Labs AB

Industrielle Sensoren werden in Fabriken verwendet, um physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Licht und den Füllstand von Flüssigkeiten in Behältern zu messen. Die von diesen Sensoren erzeugten Signale sind analog und müssen in eine digitale Form umgewandelt werden, um von einer SPS verarbeitet zu werden, die den Prozess überwacht. Heute werden üblicherweise Feldbus-Netzwerke verwendet, um die digitalen Signale von Sensoren zur SPS zu übertragen. Diese verarbeitet dann die Informationen und reagiert entsprechend, indem sie Steuersignale über das Netzwerk an eine Reihe von Aktoren, Ventilen und Motoren zurücksendet.

 In der Industriekommunikation hat sich kein einheitlicher Standard herausgebildet, so dass heute viele (inkompatible) Protokolle in den Fabriken weltweit verwendet werden.
In der Industriekommunikation hat sich kein einheitlicher Standard herausgebildet, so dass heute viele (inkompatible) Protokolle in den Fabriken weltweit verwendet werden.Bild: RT-Labs AB

Der Feldbus neu aufgelegt

Vor der Einführung des Feldbusses wurden industrielle I/Os entweder mit Spannungs- (RS232) oder Stromsignalen (4-20mA) über spezielle Verbindungen übertragen, die einzelne Einrichtungen in der Fabrik mit der SPS verbanden. Mit zunehmender Größe und Ausdehnung der Fabriken wurde dieser Ansatz immer unhandlicher und erforderte immer mehr und längere Kabel, die kaum noch zu verfolgen und von Fehlern zu befreien waren. Der Feldbus wurde erfunden, um den Anschluss mehrerer I/O-Geräte an ein einziges Netzwerkkabel mittels digitaler Signale zu ermöglichen, die in Gegenwart elektrischer Störungen robuster sind. Da weniger Verkabelung erforderlich ist, erleichterte ein Busnetzwerk die Ausweitung industrieller Prozesse erheblich. Eine hilfreiche Analogie wäre, sich vorzustellen, was der Feldbus für Industrieanlagen ist: das Ethernet für PCs in einem lokalen Netzwerk, wo sich zusätzliche Geräte einfach über Netzwerk-Switches hinzufügen lassen. Frühe Feldbus-Netzwerke waren proprietär, das heißt verschiedene Hersteller entwickelten viele verschiedene Typen. Es hat sich kein einzelner Industriestandard herausgebildet, so dass heute viele (inkompatible) Versionen in Fabriken weltweit verwendet werden. Zu den gängigsten Feldbus-Netzwerken, die derzeit zum Einsatz kommen, zählen Profibus , Modbus und CANopen. Die Protokolle unterscheiden sich hauptsächlich in der Anzahl der Geräte, die sie unterstützen können, ihrer Befehlssyntax und ihrer Vielfalt an physikalischen Schnittstellen. Neuere Echtzeit-Feldbus-Netzwerke können über eine Ethernet-Schnittstelle und -Verkabelung betrieben werden, sind aber nicht interoperabel. Dazu gehören: Ethercat, Profinet und Ethernet/IP.

Wenn Schwieriges einfach zu leicht wird

Damit ein industrielles Gerät oder eine Steuerung in einem bestimmten Feldbus-Netzwerk betrieben werden kann, muss es die „Sprache dieses Netzwerks sprechen“. Dies wird durch einen speziellen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder ein Hardwaremodul erreicht. Obwohl dies eine risikoarme und praktische Lösung zu sein scheint, hat sie jedoch mehrere Nachteile, die nicht sofort offensichtlich sind. Eine wesentliche Einschränkung besteht darin, dass das Gerät nur mit der speziellen Version des Feldbusses kommunizieren kann, die durch den ASIC oder das Hardwaremodul vorgegeben wird. Dadurch wird der Markt für ein Gerät auf Kunden eingeengt, die dieses spezielle Feldbus-Netzwerk in ihren industriellen Prozessen verwenden. Damit ein Gerät in anderen Feldbus-Netzwerken arbeiten kann, muss ein anderer ASIC oder ein anderes Modul zum Einsatz kommen. Da ASICs unterschiedliche Gehäuse verwenden und unterschiedliche Pin-Funktionen haben, kann dies ein kostspieliges und zeitaufwändiges Redesign des Systems erfordern. Weitere Nachteile dieses Ansatzes sind, dass die Funktion des Industriegeräts auf die des ASICs/Moduls beschränkt ist, da Änderungen an einem vorkonfigurierten Software-Stack schwierig sein können und vom Hersteller möglicherweise nicht unterstützt werden. Dies wirkt sich auf die Anzahl und Art der Funktionen aus, die in neue Produktdesigns integriert werden können. Da der ASIC oder das Modul möglicherweise nur von seinem Hersteller bezogen werden kann, sind die Anfälligkeit für Unterbrechungen der Lieferkette und zukünftige Preiserhöhungen ein potenzielles Problem. Einige ASIC- und Modulhersteller bestehen möglicherweise auch auf einer Lizenzgebühr für jedes verkaufte Bauteil, was zu einem unvermeidlichen Mehraufwand führt, der sich über die gesamte Produktlebensdauer erstreckt.

Der softwarebasierte Ansatz

Eine immer beliebtere Alternative zum Hardware-Ansatz ist, einen Feldbus-Software-Stack zu entwickeln, der auf dem Mikrocontroller des Embedded-Systems eines Geräts läuft. Dieser Ansatz hat viele Vorteile – er ermöglicht ein vollständig kundenspezifisches Produktangebot und erlaubt es den Geräteherstellern, die volle Verantwortung für ihre Lieferkette zu übernehmen. Außerdem führt der Verzicht auf ein Hardwaremodul zu einer sofortigen Kosteneinsparung durch eine kleinere Stückliste (BOM). Ein weiterer Vorteil ist, dass dasselbe Design in verschiedenen Produkten wiederverwendet werden kann. Durch einfaches Ändern des Codes im Software-Stack, damit der Mikrocontroller mit einem anderen Feldbus kommunizieren kann, lässt sich ein neues Produkt viel schneller auf den Markt bringen, als wenn ein Hardware-Redesign erforderlich ist. Ein softwarebasierter Ansatz macht es auch einfach, neue und kundenspezifische Funktionen zu höherwertigen Produktangeboten hinzuzufügen, indem der Code im Stack geändert wird. So ist beispielsweise der Profinet-Device-Stack von RT-Labs für Profinet-Implementierungen aufgrund seines geringen Code-Bedarfs weniger komplex als andere Profinet-Stacks, das heißt er eignet sich für den Einsatz in Embedded-Systemen.

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