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Aktuelles aus der Kommunikation

Bussystem, Ethernet, Profibus, Modbus, RFID, Internet of things, Industrie 4.0

Hilscher03141Fachartikel

SPS IPC Drives Halle 2, Stand 340

Für neue Steuerungs-Generationen ohne Feldbus-Anschluss oder die Steuerung der Peripherie per PC über Ethernet eignet sich das „Nethost“-Gateway von Hilscher als Brücke zwischen Feldbus und Ethernet. Über natives TCP/IP gesteuert, unterstützt das Gerät den vollen Leistungsumfang einer Feldbus PC-Karte. Es lässt sich aus der Ferne steuern und überträgt zyklische und azyklische Daten genauso wie Alarm- und Diagnosemeldungen.


Echzeit-Ethernet-Systeme sind klar etabliert, doch wird nicht in allen Fällen das gebotene Leistungsspektrum benötigt. Erfüllt einfaches Ethernet die grundlegenden Kommunikations-Anforderungen, lässt sich per Gateway die Ankopplung zum Feldbus realisieren. Nethost integriert mit geringem Aufwand den Feldbus und erlaubt die Steuerung aus der Ferne, so als wäre die Schnittstelle lokal vorhanden. „Der Steuerungsanbieter, der das Gateway einsetzt, könnte dann dem Slogan folgen: ‚Steuert 1000 Profibus-Ein- und -Ausgänge in einer Millisekunde ohne eigenen Profibus-Anschluss“, verdeutlicht Armin Beck, Produktmanager für Gateways bei der Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH, den Nutzen des Geräts. „Denn die Steuerung würde designbedingt nur über eine Ethernet-Schnittstelle verfügen und dennoch Profibus-E/A-Peripherie ansprechen können.“ Da Nethost die fehlende Feldbus-Schnittstelle einfach als Ethernet-Knoten ‚hoste‘, ergebe sich dank einfachem TCP/IP-Protokoll und der hohen Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/s ein adäquater Ersatz zur bislang integrierten Feldbus-Lösung.

Ethernet und Feldbus in Einklang bringen

Hilscher03142Das Einsparpotenzial bei der Errichtung moderner Fertigungsanlagen durch den Einsatz von Industrial Ethernet ist hoch. Pluspunkte sind beispielsweise die Durchgängigkeit des Kommunikationssystems, die Nutzung eines einheitlichen Verkabelungsstandards, die einfache Redundanzfähigkeit zur Vermeidung von Ausfällen und kurze Zykluszeiten bei hoher Deterministik in der Datenübertragung.

Zum Leidwesen des Maschinenbauers haben sich allerdings sechs Industrial-Ethernet-Systeme am Markt etabliert. Einführung und Unterstützung eines jeden Systems erfordern Investitionen. „Die neuen Leistungsdaten sind teuer erkauft“, fährt Beck fort und fragt: „Muss es denn immer gleich das industrietaugliche Ethernet sein?“ Unter Beibehaltung des Feldbusses genüge das einfache Ethernet der Bürowelt doch auch. Tatsächlich kann es sinnvoll sein, das bestehende Feldbuspotenzial weiterhin zu nutzen. Harte Echtzeit-Fähigkeit ist beispielsweise nur in Motion-Control-Anwendungen gefordert. In über 90 % aller Einsatzfälle ist sie ohne Belang. Auch die niedrigen Zykluszeiten der Real-Time-Ethernet-Systeme von unter 1 ms werden nur ganz selten benötigt.

Haben sich also Maschinensegmente im Aufbau mit Feldbus jahrelang bewährt und müssen sie jetzt an Ethernet gekoppelt sowie aus der Ferne gesteuert werden, qualifiziert sich Nethost für diesen Einsatzzweck durch seine niedrige Latenzzeit von 1 ms und die Unterstützung von einfachem TCP/IP. Die Bandbreite des 100-Mbit-Ethernets ist so hoch, dass bis zu 5 Geräte sicher über einen Strang gleichzeitig angesprochen werden können.

Investitionsschutz für Feldbusgeräte

Auch Hilscher beobachtet deswegen den Ethernet-Trend in den Verkaufszahlen seiner Produkte. Die Nachfrage hat sich gerade in den letzten zwei Jahren merklich erhöht. Doch mit einem Marktanteil von über 70 % ist die Feldbus-Technologie noch stark und wird über Jahre weiter Bestand haben. „So wird die Pflicht des Maschinenbauers, beide Systeme noch lange zu unterstützen, für uns zur Kür“, erläutert Beck. In der Konzeptphase des neuen Produktes habe man deswegen den Fokus auf den Investitionsschutz gelegt. „Ziel war nicht, Feldbus gleich durch Ethernet zu ersetzen, sondern beide Technologien auf möglichst einfache Weise miteinander verschmelzen zu lassen.“ So können bewährte Feldbusgeräte weiterhin eingesetzt und ein breiter Markt angesprochen werden.“ Geboren war damit die Idee eines TCP/IP-basierenden Gateways. „Auf dem Markt tummeln sich zwar bereits einige TCP/IP-Gateways, doch diese Geräte konvertieren nur die reinen E/A-Daten“, betont der Gateway-Spezialist. „Unser Nethost ergänzt das Leistungsangebot hier um azyklische Dienste, Diagnose- sowie Statusmeldungen und integriert damit das unterlagerte System vollständig.“

Unterstützt werden so zum Beispiel die Arbeitsweise als Klasse-2-Profibus-Master, die Absendung von DPV1-Read/Write-Diensten oder die reine CAN-Telegrammübertragung neben der eigentlichen Protokollabhandlung als CAN open-Master. TCP/IP macht die Datenübertragung von und zum Nethost sicher. Die hierbei transparent übertragenen Telegramme werden nach Art und Zweck in wenigen Bytes am Telegrammanfang kodiert und klassifiziert. Die Kodierlogik gibt es im C-Quellcode. Sie bildet auf ein Socket-Interface ab und verträgt sich daher problemlos mit jedem TCP/IP-Stack.

Applikationsseitig abstrahiert sie auf eine simple prozedurale API-Funktionsschnittstelle. Eingängige Funktionen wie Open, Close, Reset, Send, Receive oder IO Exchange garantieren ein schnelles Verständnis und damit kurze Integrationszeiten. Im Gerät werden die Funktionen dekodiert und in der Ferne ausgeführt. Zugrunde liegt das RPC-Prinzip (Remote Procedure Call). Eine DLL ermöglicht die sofortige Nutzung eines Nethosts unter Windows. Ein C-Toolkit zeigt eine Beispielimplementierung unter Linux, um auch Embedded-Programmierern den Einstieg leicht zu machen.

Fernzugriff per abgesetzter PC-Karte

„Die Zugriffsfunktionen für einen Nethost sind im Sinne der Plattformstrategie des Herstellers ‚Einmal integriert – alles funktioniert‘ identisch zu denen der PC-Karten“, betont der Produktmanager. Allein der Tausch der PC-Karten gegen die Nethost-DLL unter Windows erlaube es beispielsweise, beide Produktreihen gegeneinander auszutauschen, ohne dabei das Anwenderprogramm ändern zu müssen. Was gestern noch lokal gesteuert wurde, lässt sich damit morgen schon per Ethernet über die Leitebene aus der Ferne kontrollieren.

„Die gleiche API macht Nethost zur abgesetzten PC-Karte für den Schaltschrank. In Systemen ohne Steckplatz für PC-Karten ist das Gerät sogar ein direkter Ersatz für PCMCIA-Karten“, kommentiert Beck den Zugang über Ethernet. Entscheidend sei: „Unterstützt ein System bereits unsere PC-Karten, unterstützt es jetzt auch den Betrieb eines Nethosts.“ So integrierte etwa IBH Softec als eines der ersten Unternehmen die funktionsgleiche DLL in ihre Step-7-kompatible Soft-SPS‚ Soft-SPS S7-315 / Soft-SPS S7-416 und unterstützt jetzt neben CIFX-PC-Karten auch den Profibus Nethost.

Der Automatisierer konnte zudem zwei weitere Bestandskunden unmittelbar für die Integration des Nethosts gewinnen, die seit Jahren PC-Feldbuskarten in hohen Stückzahlen zur Steuerung der Peripherie beziehen. Beide arbeiten nach eigenen Angaben nach rund 15 Jahren Nutzung jeweils an einer neuen Steuerungsgeneration, die aufgrund ihrer Kompaktheit und höheren Flexibilität nur noch über Standard-Ethernet-Schnittstellen kommunizieren kann. Dennoch will man auf die Unterstützung von etablierter Feldbustechnik nicht verzichten und einen Migrationspfad von der alten auf die neue Generation anbieten. TCP/IPStack, Standard-Ethernet-Controller sowie die Programmiererfahrung mit den PC-Karten stellen hier kurze Integrationszeiten sicher. Heute ist man deswegen in der Lage, trotz des Umstiegs auf Ethernet sowohl die Feldbuskunden als auch die Ethernet-Neukunden gleichermaßen bedienen zu können.

TCP/IP-Konvertierung bald auch für Real-Time-Ethernet

Der nächste Schritt in der Nethost-Entwicklung ist bereits eingeleitet. Im dritten Quartal des Jahres wird Hilscher drei neue Varianten auf den Markt bringen. Die bereits existierenden Varianten für Profibus, CAN open und Devicenet werden um Profinet-, Ethercat und Ethernet/IP-Master ergänzt. Damit wird die starke Nachfrage nach TCP/IP-Umsetzungen in die Real-Time-Ethernet-Welt berücksichtigt. Konfiguriert werden alle Varianten über ein busübergreifend einheitliches FDT/DTM-basierendes Konfigurationswerkzeug. Existiert ein Engineering-Werkzeug des Zielsystems bereits, sorgt die alternative und offene Konfiguration über XML-Dateien für Transparenz. XML-Schemata bringen die Konfigurationsdaten in das richtige Format und können anschließend nach Umwandlung in eine Binärdatei in den Nethost geladen werden. Somit lässt sich das Gerät vollständig in jedes Zielsystem integrieren.
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