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IPC spricht Sprache des Feldes: Protokollunabhängige Geräte-Entwicklung im Zeitalter von Industrie 4.0

In der Automatisierungstechnik werden Industrie-PCs (IPCs) für die unterschiedlichsten Anwendungen mit unterschiedlichen Feldgeräten vernetzt. Bei der Vielzahl an industriellen Netzwerken und Protokollen ist das eine große Herausforderung, doch die Produktfamilie der Ixxat-INpact-PC-Karten bietet hier einen eleganten Ausweg.

Komplizierte Aufgaben autark zu lösen ist die Domäne von IPCs in vielen Automatisierungsbereichen. Sie laufen meist mit Standard-Betriebssystemen (Linux oder Windows), werden aber immer häufiger über standardisierte Kommunikationssysteme mit übergeordneten Steuerungen verbunden. Zunehmend besteht daher der Wunsch, dass die Geräte unterschiedliche OT-Protokolle, also Protokolle der Fertigung wie Profibus oder Profinet, unterstützen. Die PC-Karten aus der Ixxat-INpact-Familie von HMS Networks bieten hier eine flexible und kostengünstige Möglichkeit, denn die Karten unterstützen mehrere Protokolle. Die Multi-Netzwerkfähigkeit der INpact basiert auf dem Multi-Netzwerkprozessor Anybus NP40, ebenfalls von HMS Networks. Der Netzwerkprozessor wickelt die gesamte Kommunikation zwischen IPC und industriellem Netzwerk ab und ermöglicht die einfache Anbindung von PC-basierten oder Embedded-Slave-Anwendungen an EtherNet/IP, EtherCAT, Powerlink, Modbus-TCP, Profinet IRT, Profinet IRT Fiber Optic und Profibus.

Außerdem erlaubt die Ixxat INpact eine einfache und flexible Integration für unterschiedliche Hardwarelösungen. Die Anbindung von Geräten oder Subsystemen als Slave an übergeordnete Netzwerke gelingt damit ebenso leicht wie die Prozessdatenvisualisierung in Leitständen oder die Erfassung selbst großer Datenmengen in Prüf- und Testsystemen. Dabei ist die Lösung so flexibel, dass sich Protokolle einfach austauschen lassen. Die Programmierschnittstelle bleibt dieselbe. Regelmäßige Firmwareaktualisierungen, die auch Produktverbesserungen beinhalten, stellen die Interoperabilität mit den jeweils aktuellen Netzwerkstandards sicher.

INpact, die flexible Dolmetscherfamilie

Die Karten gibt es in drei Versionen für die in den meisten Produkten vorgesehenen Schnittstellen PCIe, Mini-PCIe und M.2. Die Kartenversion ist mit einem vorinstallierten Netzwerkprotokoll ausgestattet. Alternativ kann bei der CE-Version (Common Ethernet) dagegen das jeweils gewünschte Protokoll vom Anwender selbst geflasht werden. Damit ist der einfache Wechsel zwischen allen verfügbaren Industrial-Ethernet-Protokollen möglich. Momentan werden EtherCAT, EtherNet/IP, Modbus TCP, Profinet und Powerlink sowie Profibus unterstützt. Dabei ist jeweils die Funktionalität als Slave für die jeweiligen Protokolle implementiert. Eine Erweiterung um CC-Link und DeviceNet ist in Vorbereitung. Alle Karten arbeiten unter den Standardbetriebssystemen Windows und Linux sowie dem Echtzeitbetriebssystem INtime.

Die C-Programmierschnittstelle erlaubt die Softwareentwicklung der Geräte unabhängig vom Netzwerkprotokoll. Soll das Gerät in einer Umgebung mit einem anderen Busprotokoll zum Einsatz kommen, ist der Entwicklungsaufwand minimal. Die Bandbreite der Anwendungen für die neuen Protokollübersetzer ist groß und reicht von Herstellern von Operator-Panels, komplexen Messeinrichtungen, hochwertigen Analyse- und Handhabungssystemen bis hin zu Testsystemen. Im Folgenden dazu ein paar Beispiele.

Automatisierungsgeräte vernetzen

Komplexe Berechnungen, z.B. für komplizierte Motion-Anwendungen, werden heute oft vor Ort von leistungsfähigen IPCs auf Befehl einer SPS durchgeführt. Auch Messverfahren mit komplexen Auswertungen der eingehenden Daten sind mit dem leistungsfähigen IPC heute Standard. Dieser meldet dann die ermittelten Ergebnisse bzw. einen Messwert an die SPS zurück. Standard-IPCs fehlt aber oft die nötige leistungsfähige Schnittstelle zu den industriellen Netzwerken. Mit den INpact-Karten können nun je nach Hardware- und Feldbusanforderung geeignete Schnittstellen für die jeweilige Anwendung integriert werden. Die hohe Leistung der INpact-Karten erlaubt dabei eine große Datenübertragungsrate. Je nach Anwendung sind hier auch zyklische I/O-Daten mit sehr kleinen Zykluszeiten zu bewältigen, bspw. zu Sensoren mit hohen Abtastraten. Auch azyklische Daten wie Algorithmen oder Audit-Infos werden auf diese Weise schnell übertragen.

Operator-Panels

Panel-PCs sind heute in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik für das Anlagenpersonal das Arbeitsmittel der Wahl. Meist arbeitet hier ein IPC, der die Bedienung und Anzeige von Anlagedaten übernimmt. In vielen Fällen kann es notwendig sein, dass der Panel-PC direkt auf Prozessdaten von Sensoren und Aktoren zugreift, was einen erheblichen Entwicklungsaufwand verlangt. Auch in diesem Fall wird der Hersteller durch die INpact-Karten unabhängig von spezieller Netzwerk-Hardware und den zugehörigen Protokollen. Die jeweils geforderte Kompatibilität mit dem Netzwerk vor Ort wird einfach per Steckkarte realisiert, das ermöglicht dem Gerätehersteller ein breites Produktportfolio bei geringer Entwicklungszeit und geringen Entwicklungskosten.

Edge-Gateways

Edge-Gateways arbeiten als leistungsfähige Bindeglieder im IoT (Internet of Things) und übernehmen sozusagen die Vermittlerrolle zwischen der IT- und der OT-Welt, also dem Produktionsbereich mit den Feldgeräten. Sie erfassen dazu Informationen über den Produktionsprozess und die beteiligten Geräte. Nach entsprechender Aufbereitung und Auswertung der Daten werden diese dann den vorgesehenen Applikationen in der IT-Welt zur Verfügung gestellt. Als Schlüsselelemente liefern die Edge-Gateways die Datengrundlage für alle weiteren Operationen, wie beispielsweise komplexe Berechnungen für vorbeugende Wartung. Daher muss das Edge-Gateway selbst robust, zuverlässig (fern-)wartbar und diagnostizierbar sein - Voraussetzungen, die ein IPC als Basis von Hause aus mitbringt. Was fehlt, ist die Möglichkeit der flexiblen Integration in bestehende und zukünftige OT-Strukturen. INpact-Karten schließen diese Lücke, denn sie bieten die Möglichkeit, auch große Datenmengen über verschiedene Protokolle mit einer beliebigen PC-Hardware zu übertragen. Die Abfrage von Diagnoseinformationen über das verfügbare API erlaubt eine nahtlose Einbindung in entsprechende Maintenance-Lösungen.

Anybus NP40

Der Multi-Netzwerkprozessor Anybus NP40 von HMS Networks richtet sich an Hersteller von Automatisierungsgeräten, die auf eine tiefe Technologieintegration Wert legen. Besonders optimiert ist der NP40 für Gerätehersteller mit mittleren bis hohen Stückzahlvolumen. Dieser Netzwerkprozessor ist eine flexible und kostengünstige Möglichkeit, um Automatisierungsgeräte in unterschiedlichste industrielle Netzwerke einzubinden. Denn er wickelt die gesamte Netzwerkkommunikation selbstständig ab und entlastet so den Host-Prozessor des Automatisierungsgeräts von dieser Aufgabe. Der Anybus NP40 ist auf die hohen Anforderungen der Echtzeit-Ethernet-Protokolle sowie auf TCP/IP-Kommunikation mit großen Datenmengen ausgelegt. Er bietet hohe Performance, große Flexibilität und eine geringe Leistungsaufnahme.

Der Anybus NP40 ist ein Flash-basierter Single-Chip-Netzwerkprozessor bestehend aus einem hochperformanten ARM Cortex-M3 und einem FPGA. Das FPGA wird verwendet, um die verschiedenen physikalischen Ethernet-Schnittstellen einschließlich des integrierten Echtzeit-Switch zu implementieren, während der ARM-Kern genutzt wird, um die Protokoll- und Anwendungs-Stacks abzuspielen. Da der NP40 Flash-basiert ist, können Automatisierungsgeräte mit NP40-Implementierung für verschiedene industrielle Ethernet-Netzwerke neu programmiert werden. Das bedeutet, dass eine einzige Hardware-Plattform mehrere Netzwerke einfach durch das Laden der neuen Firmware unterstützen kann. Für hochperformante Echtzeit-Netzwerke ermöglicht die Prozessorarchitektur einen Datenaustausch mit praktisch Null Verzögerung. Der Anybus NP40 unterstützt die Industrial-Ethernet-Protokolle Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus-TCP, Powerlink, CC-Link IE Field und BACnet/IP sowie die Feldbusse Profibus, DeviceNet, CANopen und CC-Link.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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The Ixxat INpact is a flexible communication solution for manufacturers of IPC, operator panels and edge gateways
Die Ixxat INpact ist eine flexible Kommunikationslösung für Hersteller von IPC, Operator Panels und Edge Gateways