Profinet-Schnittstellen einfach und kostengünstig integrieren

| Autor / Redakteur: Andreas Grüne * / Michael Eckstein

Multitalent: Dank der zwei vollständig integrierten PHYs des TPS-1-Chips können Entwickler ihre Profinet-Lösung unkompliziert mit kupfer-oder glasfaserbasierten Ethernet-Schnittstellen ausstatten.
Multitalent: Dank der zwei vollständig integrierten PHYs des TPS-1-Chips können Entwickler ihre Profinet-Lösung unkompliziert mit kupfer-oder glasfaserbasierten Ethernet-Schnittstellen ausstatten. (Bild: Phoenix Contact)

Mit den richtigen Komponenten muss man kein Profi für Ethernet-basierte Industriekommunikation sein, um eine leistungsfähige und sichere Profinet-Lösung zu implementieren.

Profinet hat sich als zuverlässiger Kommunikationsstandard in der modernen Fabrikautomation etabliert. Besonders in Europa setzen viele Hersteller auf die Technologie. Die Zukunftsaussichten sind sehr gut: Der Markt für Industrial Ethernet wächst jährlich um über 20 Prozent, und Profinet hat daran einen Anteil von etwa einem Viertel.

Gegenüber klassischen Feldbussen haben Ethernet-basierte Industriebusse wie Profinet wichtige Vorteile: Sie zeichnen sich durch bessere Performance und erweiterte Echtzeiteigenschaften, die Integration von Safety-Protokollen und eine Durchgängigkeit in industrielle IT-Systeme aus. Darüber hinaus können sie größere Datenmengen übertragen. Insgesamt macht Industrial Ethernet mittlerweile fast die Hälfte des Gesamtmarktes für industrielle Kommunikationsnetzwerke aus.

Applikations- und Kommunikationstechnik trennen

Viele Geräte-, System- und Anlagenhersteller wollen daher ihre Produkte möglichst schnell und unkompliziert mit einer passenden Schnittstelle ausrüsten. Oft besteht jedoch das Problem, dass die Entwickler zwar sehr viel Know-how im Bereich ihrer Systeme und Applikationen haben, die Signal- und Datenübertragung über eine Profinet-Schnittstelle jedoch in der Regel nicht zu ihren Kernkompetenzen zählt. Daher sind Lösungen gefragt, die die Applikation von der darunter liegenden Kommunikationstechnik trennt. So können sich die Geräteentwickler auf ihr Anwendungs-Know-how konzentrieren, ohne sich intensiv um die Datenübertragung kümmern zu müssen.

Eine solche Lösung ist der Profinet-Device-Chip TPS-1. Die Gemeinschaftsentwicklung von Siemens und Phoenix Contact ist für den universellen Einsatz ausgelegt – von Profinet-Geräten mit einfachen IO-Funktionen über modulare Komponenten bis zu Applikationen in der Antriebstechnik. Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme, platzsparenden Bauform und des reduzierten Softwareansatzes eignet sich der Baustein sehr gut für Schaltungen, die nur wenig Platz in kleinen, geschlossenen Gehäusen beanspruchen dürfen und deren Software sich einfach integrieren lassen soll.

Echtzeitanwendungen in der Fabrikautomation

Echtzeitanwendungen stellen sehr hohe Anforderungen an das Zeitverhalten der Datenkommunikation. Die aktuelle Version 1.5 des TPS-1-Chips stellt Echtzeitfunktionen bereit, die Gerätehersteller in ihren Lösungen einsetzen können. So unterstützt er beispielsweise alle Anforderungen des IRT-Konzepts (Isochronous Real Time). IRT ist eine von zwei Echtzeitklassen, die in Profinet definiert sind. Sie unterstützt taktsynchrone Übertragungen. Profinet stellt darüber ein deterministisches Zugangsverfahren bereit und ermöglicht so Anwendungen, die „harte“ Echtzeit erfordern. Beim Profinet-Chip TPS-1 vereinfachen spezielle Signale zur Synchronisation der Applikation das Umsetzen taktsynchroner Anwendungen. Das stochastisch arbeitende Standard-Ethernet ist für derartige IRT-Anwendungen nicht geeignet.

Neben dem IRT definiert Profinet noch die Echtzeitklasse Real Time (RT). Darauf basierende Anwendungen tolerieren Verzögerungen in bestimmten Grenzen, ohne dass der Prozess beeinträchtigt wird.

Eine typische Profinet-Schnittstelle benötigt für den Anschluss an das Ethernet Leitungstreiber (PHY-Bausteine) und eine Verbindung zum Applikationsprozessor. Der TPS-1 verfügt als hochintegrierte Single-Chip-Lösung zwei PHY-Bausteine. Die kompletten Ethernet-Schnittstellen erleichtern Entwicklern das Integrieren in eine eigene Lösung. Diese können die Schnittstelle als Kupfer- und faseroptischen Anschluss ausführen.

Die Übergabe der Daten an den Applikationsprozessor erfolgt über ein Dual-Ported-RAM (DPRAM). Dieser spezielle Arbeitsspeicher ermöglicht gleichzeitige Lese- oder Schreibzugriffe von zwei Seiten, in diesem Fall vom Bus und vom Prozessor. Er besitzt getrennte Adress- und Daten-Bussysteme sowie eine Arbitrationslogik. Diese leitet Maßnahmen zur Kollisionslösung im Fall gleichzeitiger Schreiboperationen ein. So gerüstet, sind für das Implementieren einer Profinet-Schnittstelle lediglich die Ethernet-Steckverbinder – zum Beispiel RJ45 - und einige passive Bauteile notwendig. Für den Aufbau eines Profinet-Stacks ist zusätzlich noch ein Flash-Speicher mit einer Größe von mindestens 1 Mbyte erforderlich. Die Software des Bausteins arbeitet unabhängig vom Applikationsprozessor.

Mehrere Betriebsarten für unterschiedliche Applikationen

Der Baustein deckt die Profinet „Conformance Classes“ A, B und C ab und erfüllt zudem die „Netload Class“ III. Damit eignet er sich für sämtliche Profinet-Applikationen. In der aktuellen Version 1.5 unterstützt das Shared Device eine Erweiterung des Umfangs der maximal pro Zyklus übertragbaren Daten auf 1016 Bytes. Über Multiple API (Application Process Identifier) lassen sich zudem unterschiedliche Profile realisieren.

Zum Implementieren von Profilen wie Profidrive oder IO-Link ist ein zweiter „Application Process Identifier“ (API) in den Baustein integriert. Mithilfe des Profidrive-Profils lässt sich zum Beisiel eine Motion-Anwendung der Applikationsklasse 4 relativ einfach umsetzen. Der IO-Device-Chip liefert die notwendigen Synchronsignale, und die GSD-Datei (General Station Description) sorgt für das Timing der Signale.

Neben der Host-Betriebsart, in der die Applikation den TPS-1 als Profinet-Kommunikationsschnittstelle verwendet, beherrscht der Baustein auch den IO-Betriebsmodus. Dieser kommt ohne Applikations-CPU aus. Mit einer auf dem Chip abgelegten Applikation kann der TPS-1 bis zu 48 GPIO (General Purpose Input/Output) – also Ein- und Ausgänge sowie Diagnoseeingänge – ansteuern. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein kostengünstiges IO-Gerät aufbauen. Das erforderliche Ersatzwertverhalten ist in der Gerätebeschreibung hinterlegt. Die GPIOs werden über den „TPS Configurator“ als Ein- oder Ausgang respektive Diagnoseeingang konfiguriert. Da der IO-Device-Chip sowohl mit kupferbasierten als auch faseroptische Übertragungsmedien zusammenarbeitet, lässt sich als zusätzliche Betriebsart auch ein Medienkonverter umsetzen.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45165870 / Industrial Networking)