Profinet-Schnittstellen einfach und kostengünstig integrieren

Autor / Redakteur: Andreas Grüne * / Michael Eckstein

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

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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)

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.

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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.

Sicheres Aufspielen von Firmware-Updates

Anlagen für die industrielle Automatisierung unterliegen hohen Anforderungen an die Systemsicherheit. Daher lässt sich ab Softwareversion 1.5 ein Firmware-Update über die Applikations-CPU gezielt verhindern. Der TPS-1 kann die Firmware nun mithilfe der Applikations-CPU über die DPRAM-Schnittstelle aktualisieren. In diesem Fall wird eine neue Firmware an die CPU geschickt, die dann definierte Sicherheitsmaßnahmen einfügen kann. Auf demselben Weg lässt sich auch die Hardware-Konfiguration – zum Beispiel MAC-Adressen, NameOfStation oder IP-Adressen – programmieren.

So kann eine Aktualisierung der TPS-1-Firmware in ein bereits beim Anwender etabliertes Update-Verfahren eingefügt werden.Manchmal reicht der RAM- und Flash-Speicher der Applikations-CPU nicht aus, um ein TPS-Stack-Image zwischenzulagern. Für diesen Fall lässt sich die Firmware segmentieren und in Teile mit variabler Größe übertragen. Zum sicheren Betrieb des Geräts bietet der TPS-1 eine Watchdog-Überwachung der angeschlossenen Applikations-CPU an. Zum umfassenden Test dieser Funktion löst die Applikations-CPU ein Watchdog-Ereignis aus.

In der Version 1.5 sind die Zustände der direkt an den Baustein angekoppelten LEDs (Link Ports, RDY, MT, SF und BF) auch der Applikations-CPU abrufbar und lassen sich auf dem Geräte-Display anzeigen. Mit der aktuellen Profinet-Version muss das Gerät die I&M1-, I&M2-, I&M3- und I&M4-Daten – sofern sie von ihm unterstützt werden – remanent speichern. Dafür reserviert der Baustein einen 4 kByte großen Bereich im TPS-1-eigenen Flash-Speicher.

Toolkit bringt Entwicklungen schnell auf die Spur

Damit Entwickler schnell eigene Lösungen umsetzen können, gibt für den Baustein ein TPS-Development-Toolkit. Es ist rückwärtskompatibel, so dass sich das Implementieren zusätzlicher Funktionen oder das Anpassen an neue Profinet-Spezifikationen nicht auf bestehende Anwendungen auswirken. Das Development Toolkit enthält alle notwendigen Dokumentationen und Beispielprogramme, um sofort mit der Implementierung zu beginnen. An das Evaluations-Board „YCONNECT-IT-TPS-1L“ von Halbleiterhersteller Renesas lassen sich beliebige Prozessoren über eine SPI- oder eine Parallel-Schnittstelle anbinden. Die beigelegten Software-Beispielprogramme beinhalten eine einfache und eine komplexere Konfiguration, die die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des TPS-1 verdeutlichen.

Beim Überprüfen und bei der Inbetriebnahme der eigenen Lösung leistet das Programm „Profinet Smart Control“ Hilfestellung. Über die leicht bedienbare Oberfläche lassen sich Verbindungen aufbauen sowie zyklische und azyklische Daten austauschen. Die Firmware lässt sich mithilfe des Windows-Programms „FWUpdater“ komfortabel warten und aktualisieren. Eine vorher vom Gerätehersteller individualisierte Firmware wird bei der Übertragung durch den TSP-1 auf Korrektheit geprüft und programmiert. Die Stack-Software sowie die erforderliche Entwicklungs-Software ist im TPS Development Toolkit enthalten und steht zum Herunterladen auf den Servern der Phoenix Contact Software GmbH bereit.

* Andreas Grüne arbeitet beim Research & Development PROFINET von Phoenix Contact Software in Lemgo

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