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Busanschaltungen

Tipps zur Realisierung einer Busschnittstelle

| Autor/ Redakteur: Michael Volz* / Gerd Kucera

Hoffnungen auf ein einheitliches Industrial-Ethernet-Protokoll haben sich nicht erfüllt. Die Automatisierungstechnik setzt weiterhin verschiedene und untereinander inkompatible Kommunikationssysteme ein, deren Zahl weiter steigt. Über modulare Busanschaltungen lassen sich Automatisierungsgeräte mit den verschiedenen industriellen Netzwerken koppeln. Ist es sinnvoll, diese Busanschaltungen selbst zu entwickeln? Sind komplette Busmodule wirklich eine Alternative?

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Industrielle Kommunikationsschnittstellen kann man selbst entwickeln oder in Modulform (hier Anybus-Module) als fertige Komplettlösungen zukaufen
Industrielle Kommunikationsschnittstellen kann man selbst entwickeln oder in Modulform (hier Anybus-Module) als fertige Komplettlösungen zukaufen
( Archiv: Vogel Business Media )

Zur Realisierung der Bus-Schnittstellen für Automatisierungsgeräte gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Zukauf einer modularen Komplettlösung oder Eigenentwicklung der Busanschaltung für jedes benötigte Bussystem. Angesichts der großen Vielfalt industrieller Netze müssen sich Gerätehersteller ihre Entscheidung über die jeweilige Realisierungsmethode gut überlegen. Denn nicht immer ist die Eigenentwicklung die kostengünstigste Variante.

Weltmarkt für Automatisierungsnetze (neu installierte Knoten in Mio.) Quelle: IMS Research 2006 (Archiv: Vogel Business Media)

Die reinen Bauelementekosten sind nur die Spitze des Eisbergs. Anybus-Busanschaltungen von HMS sind eine Alternative zur Eigenentwicklung. Die kompakten Schnittstellenmodule beinhalten alle Hardware und Software Komponenten einer Busanschaltung. Sie stehen für viele verschiedene Feldbusse und Industrial Ethernet Systeme als zertifizierte Komplettlösungen zur Verfügung. Sie entlasten die Entwicklungsabteilung und ermöglichen es dem Gerätehersteller sich mehr auf seine Kernkompetenzen zu konzentrieren.

Wenn die Eigenentwicklung der Schnittstelle in Betracht kommt

Für die Eigenentwicklung einer internen Feldbusschnittstelle kann der Gerätehersteller bei nahezu allen Netzwerkstandards auf vorgefertigte Technologiekomponenten (Protokollsoftware, Protokollchips) zurückgreifen. Zum Gelingen bedarf es dennoch vieler Dinge: gute Kenntnisse über analoge und digitale Schaltungstechnik, Detailwissen über das jeweilige Feldbussystem, Entwicklungsumgebung mit dem jeweils erforderlichen Compiler und Debugger, Erfahrung über die richtige Ausführung der Potenzialtrennung und Schirmableitung, geeignete Protokollsoftware und zugehörige Protokollchips, Protokollmonitor und Bustester, Feldbus-Master als Kommunikationspartner, Software für Konformitätstests, Projektierungstool und schließlich den Editor zur Erstellung der Gerätebeschreibungsdateien.

Sind diese Voraussetzungen gegeben, kann das Entwicklungsprojekt beginnen. Erfahrungsgemäß beträgt die Entwicklungszeit je nach Komplexität des zu realisierenden Bussystems etwa 3 bis 9 Monate. Nach Abschluss der eigentlichen Entwicklungsarbeiten ist noch die Durchführung der CE- und UL-Prüfung sowie der Feldbus-Konformitätstest bei einem akkreditieren Prüflabor erforderlich. Wichtig zu wissen ist, dass diese Aufwendungen für jeden zu unterstützenden Feldbus separat (also nicht nur einmal, sondern mehrfach) durchgeführt werden müssen.

Die Alternative ist der Zukauf einer Komplettlösung

Als Alternative zur Eigenentwicklung bietet sich der Einsatz einer fertigen Komplettlösung an. Das Angebot reicht von leistungsfähigen OEM-Kommunikationsmodulen (z.B. Anybus-CC) für Geräte im oberen Leistungsbereich bis hin zu Single-Chip-Lösungen (z.B. Anybus-IC) für kompakte Geräte. Bei den Anybus-Lösungen handelt es sich jeweils um eine komplette Familie von untereinander austauschbaren Komponenten. Die Frage nach dem richtigen Busanschluss reduziert sich dann auf eine Bestückungsoption.

Der Zukauf von fertigen Komplettlösungen hat den entscheidenden Vorteil, dass die Entwicklungsaufwendungen deutlich reduziert werden und von vornherein eine Lösung entsteht, die auf die Vielfalt der Bussysteme optimiert ist. Diesen Vorteilen steht meistens ein höherer Preis für die Hardware gegenüber. Je nach Art und Umfang der Anforderungen an die Kommunikationsschnittstelle sollte zunächst immer untersucht werden, ob eine kostengünstige Single-Chip-Lösung in Frage kommt oder ob ein vollwertiges Kommunikationsmodul erforderlich ist.

Der Einsatz von Single-Chip-Lösungen

Single-Chip-Lösungen wie das Anybus-IC von HMS beinhalten alle analogen Bauteile (Optokoppler, DC/DC-Wandler, Tranceiver) sowie alle digitalen Komponenten, einschließlich Mikroprozessor mit Protokollsoftware, Flash- und RAM-Speicher, die zur Realisierung einer Busschnittstelle erforderlich sind. Sie sind besonders geeignet für einfache Geräte, die nicht die ganze Bandbreite der möglichen Dienste und Parameter ausnutzen, sondern sich auf die Kernfunktionen der jeweiligen Netzwerke beschränken. Je nach externer Beschaltung sind diese Chips sowohl für den Stand-alone-Betrieb in prozessorlosen Geräten oder auch in Kombination mit einem externen Mikroprozessor einsetzbar. Typische Anwendungen sind modulare und kompakte E/As, Drehgeber, Motorstarter, Ventile und Textanzeigen.

Anybus-IC sind komplette Kommunikations-Schnittstellen in der Bauform eines DIL-32 Chips (Archiv: Vogel Business Media)

Anybus-ICs stehen heute für Profibus-DP, DeviceNet und Industrial Ethernet zur Verfügung. Kommt eine Single-Chip-Variante zum Einsatz, reduziert sich die Entwicklung auf das Layout der Leiterplatte, die Kopplung der E/A-Signale an die Leistungselektronik und die mechanische Gestaltung des Busanschlusses am Gerätegehäuse. Der Gerätehersteller braucht keine zusätzliche Protokollsoftware mehr integrieren und wird auch von den Details des analogen Schaltungsdesigns rund um die Potenzialtrennung und die Bus-Tranceiver entlastet.

Einsatz eines Kommunikationsmoduls

Handelt es sich um ein komplexeres Gerät mit hohen Anforderungen bezüglich der zu übertragenden Datenmenge und dem erwarteten Datendurchsatz, empfiehlt sich der Einsatz eines Kommunikationsmoduls wie den Anybus-CC-Modulen von HMS. Diese Module beinhalten alle Hard- und Software Komponenten einer Bus-Schnittstelle. Sie sind auf die ständig wachsende Vielfalt der industriellen Netzwerke zugeschnitten und bieten ein Höchstmaß an Flexibilität beim Anschluss von Automatisierungsgeräten an Feldbusse, Industrial Ethernet, USB und Wireless Netzwerken. Die Bauform der Anybus-CC-Module ähnelt einer Compact-Flash-Karte. Sie haben kleine Abmessungen und einen standardisierten Anschluss.

Bis zu 70% Kostenersparnis durch fertige Module

Typische Anwendungen sind Kommunikations-Schnittstellen in Bedienterminals, Frequenzumrichtern, Roboter, Waagen und Messumformern. Die Module sind sowohl mechanisch als auch hard- und softwareseitig standardisiert. Hat ein Gerätehersteller erst einmal einen Anybus-CC-Steckplatz in seinem Gerätedesign vorgesehen, kann er das ganze Spektrum der verfügbaren Module einsetzen und das Gerät mit fast allen industriellen Netzwerken verbinden. Durch den Einsatz der Anybus-CC-Module verringert sich der Aufwand zur Entwicklung einer universellen Kommunikations-Schnittstelle um bis zu 70%. Auch in hohen Stückzahlen stellt Anybus-CC eine attraktive Alternative zur Eigenentwicklung der Kommunikations-Schnittstelle dar.

Für alle Feldbusse, Industrial Ethernet, USB und Wireless

Anybus-CC-Kommunikationsmodule sind für den Einsatz in intelligenten Automatisierungsgeräten wie Antrieben, Bedienterminals, Industriewaagen und Steuerungen optimiert (Archiv: Vogel Business Media)

Die Anybus-CC Familie beinhaltet aktive und passive Varianten. Aktive Module sind intelligent. Sie verfügen über einen schnellen RISC-Mikroprozessor mit speziellen Protokollchips und wickeln das gesamte Busprotokoll selbstständig ab. Beispiele sind die Profibus-, DeviceNet- und Industrial-Ethernet-Module. Passive Module gibt es für RS232/485, USB oder Wireless. Sie realisieren nur die physikalische Bus-Schnittstelle und überlassen die Protokollbearbeitung dem Mikroprozessor des Feldgerätes. Das kompakte Gehäuse ist robust und für die industrielle Anwendung ausgelegt. Ein spezieller Einschubmechanismus garantiert einfaches Handling und zuverlässige Verriegelung. Die Module können ohne Einhaltung spezieller Schutzvorschriften an jeder Stelle in der Lieferkette zwischen Gerätehersteller und Endanwender in das Automatisierungsgerät eingebaut werden.

Die einfache Lösung des Update-Problems

Die industrielle Kommunikationstechnik ist durch ein sehr großes Innovationstempo charakterisiert. Kaum ein Monat vergeht, ohne dass eine der Feldbusorganisationen technische Erweiterungen und neue Varianten des jeweiligen Systems vorstellt. Natürlich wollen Anwender diese neuen Funktionen auch nutzen und so sind die Gerätehersteller zu einem kontinuierlichen Weiterentwicklung ihrer Feldgeräte gezwungen. Fein raus sind Gerätehersteller, die ihre Busschnittstellen extern zukaufen, denn hier müssen Technologielieferanten wie HMS um die Updates kümmern. Hersteller, die ihre Busschnittstellen selbst entwickeln, sollten von vornherein jährliche Anpassungen und Updates einkalkulieren.

Zertifizierung und Konformitätstest

Tabelle: Hilfestellung für die Auswahl einer geeigneten Geräteschnittstelle (Archiv: Vogel Business Media)

Anwender setzen heute fast ausnahmslos zertifizierte Feldgeräte ein. Für den Hersteller bedeutet dies, dass er nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten sein Gerät bei einem akkreditierten Prüflabor einem kostenpflichtigen Konformitäts- und Interoperabilitätstest unterziehen muss. Die Kosten richten sich überwiegend nach Art und Komplexität des jeweiligen Gerätes und betragen typischerweise 2500 bis 10.000 €. Hat der Gerätehersteller anstelle einer Eigenentwicklung vorzertifizierte Komplettlösungen eingesetzt, profitiert er bei der Zertifizierung durch einen Kostenvorteil von bis zu 50%.

Vorteile von Anybus-Modulen für die Entwicklung

Die Anybus-Technik besteht aus einer Familie optimal aufeinander abgestimmter Produkte zur Realisierung von Busschnittstellen in Automatisierungsgeräten und Anlagen. Anybus ist kein neuer Feldbus, sondern ein wohl überlegtes Konzept, das Geräteherstellern den Umgang mit der großen Vielfalt industrieller Netzwerke deutlich vereinfacht. Es unterstützt derzeit die Feldbusse Profibus, AS-Interface, CANopen, DeviceNet, ControlNet, Lonworks, Modbus, FIPIO, Interbus und CC-Link sowie verschiedene Industrial-Ethernet-Protokolle wie Profinet-IO, Modbus-TCP, EtherNet/IP, EtherCAT und FL-net.

Durch den Einsatz der Anybus-Technik wird in nur einem Entwicklungsschritt eine Multi-Protokoll-Busschnittstelle für Automatisierungsgeräte geschaffen. Im Vergleich zur Eigenentwicklung lassen sich durchschnittlich 70% der Entwicklungskosten einsparen. Das Mehr an Kommunikationsmöglichkeiten bedeutet viele zusätzliche Marktpotenziale und Wettbewerbsvorteile für Produkte mit Anybus-Technologie. Alle Komponenten einer Produktkategorie sind aufeinander abgestimmt und einfach untereinander austauschbar. Jede Komponente realisiert ein Busprotokoll.

*Michael Volz ist Geschäftsführer der HMS Industrial Networks GmbH, Karlsruhe.

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