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• Echtzeit-Ethernet per Single-Chip© iStockphoto.com/Henrik5000
  
• Prof. Dr.-Ing. Jürgen JasperneiteProf. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite© Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite (privat)
  

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Marktreife2011

In der Automatisierungstechnik entwickelt sich der nahtlose Anschluss an das Ethernet-Netzwerk der Unternehmens-IT immer mehr zur grundlegenden Anforderung an Maschinen, Feldgeräte, Aktoren und Sensoren. Die Anbindung erfordert allerdings eine hochwertige Performance der Ethernet-Schnittstellen: Sie müssen schnell, zuverlässig und hochgradig leistungsfähig sein. Eine neu entwickelte Single-Chip-Lösung ermöglicht es jetzt, Echtzeit-Ethernet auch bei Sensoreinheiten der prozessnahen Automatisierungstechnik kostengünstig und komfortabel zu implementieren.

Der Neuwagenkäufer kann aus Tausenden von Ausstattungsvarianten sein individuelles Fahrzeug zusammen stellen, Maschinen und Produktionsanlagen werden exakt für den Bedarf des einzelnen Unternehmens produziert und Zulieferfirmen bieten ihren Kunden eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile just in time. Moderne Produktionsmethoden, wie sie heute bereits in vielen Branchen Standard sind, erfordern nicht nur den umfassenden Einsatz von Automatisierungstechnik für eine effiziente Gestaltung der Herstellungsprozesse, sondern darüber hinaus insbesondere auch eine enge informationstechnische Vernetzung aller Unternehmensbereiche von Vertrieb und Auftragsabwicklung bis zur Anlagensteuerung in der Produktion. Um einen durchgängigen Informationsfluss zu ermöglichen und gleichzeitig die hohen Anforderungen der Prozesssteuerung an Verarbeitungsgeschwindigkeit, Datenverfügbarkeit und Zuverlässigkeit erfüllen zu können, wurden standardisierte Echtzeit-Ethernet-Systeme entwickelt. In der Industrie inzwischen weit verbreitet ist das Echtzeit-Ethernet-Protokoll PROFINET. Es wurde zum Beispiel von der AIDA-Initiative der deutschen Automobilindustrie als Standard für die Produktionstechnik festgelegt. Ein geeignetes Übertragungsverfahren für die Datenkommunikation zur Verfügung zu haben, ist allerdings nur ein erster Schritt auf dem Weg zum Einsatz von Ethernetlösungen in der Automatisierungstechnik. Nach wie vor ist das Problem ungelöst, wie Ethernet-Schnittstellen in die einzelnen Komponenten der Automatisierungstechnik integriert werden können. Vor allem bei einfachen Feldgeräten der prozessnahen Automation, zu denen Steuerungen, Antriebe, Sensoren oder Aktoren gehören, war es bisher wirtschaftlich kaum möglich, eine PROFINET-Schnittstelle zu vertretbaren Kosten in die Geräte mit einzubauen. Zudem lässt sich mit einem solchen Systemaufbau die vom PROFINET-Protokoll erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit im Sub-Millisekundenbereich nicht bis in das Feldgerät hinein nutzen. Die komplexe Softwareumgebung, die für die Koppelung von Kommunikation und Anwendung erforderlich ist, wirkt hier als Datenbremse.

Um die bisher bestehenden Hindernisse für den breiten Einsatz von Echtzeit-Ethernet in den prozessnahen Bereichen der Automatisierungstechnik zu beseitigen, entwickelte das Fraunhofer Kompetenzzentrum Industrial Automation (IOSB-INA) und das Institut Industrial IT (inIT) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe gemeinsam mit den Auftraggebern Phoenix Contact und Siemens den sogenannten „Tiger-Chip“. Dabei handelt es sich um eine Single-Chip-Lösung, die eine einfache und kostengünstige Geräteanbindung per Echtzeit-Ethernet ermöglicht. Für die Entwickler war dabei besonders wichtig, alle erforderlichen Komponenten und Verarbeitungsroutinen nicht nur hochintegriert in einem Chip zu vereinen. Die Schnittstellenlösung ermöglicht es vor allem auch kleineren Geräteherstellern eine PROFINET-Anbindung für ihre Produkte anzubieten. Für die Integration der Single-Chip-Lösung in das Gerätedesign sind nur geringe Kenntnisse des PROFINET Standards notwendig.

Im „Tiger-Chip“ ist die gesamte Koppelung von Kommunikation und Applikation in Hardware realisiert. Weil dabei die zeit- und rechenintensive Verarbeitung der Daten über Softwarekomponenten entfällt, steht die Performance des Echtzeit-Ethernet-Systems in dem jeweiligen Feldgerät ohne Einschränkungen zur Verfügung. Zusätzlich werden in der Single-Chip-Lösung Verfahren zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des PROFINET Standards verwendet, die am inIT im Rahmen eines vorgeschalteten und vom Bundesforschungsministerium geförderten Forschungsprojekts entwickelt wurden. In dem Chip-Design wurden zudem zwei Ethernet-Ports integriert. Dadurch wird auch die in der Feldebene der Automation weit verbreitete Linienverkabelung unterstützt.

Der für den Chip notwendige IP-Core sowie der zugehörige PROFINET-Protokollstapel wurden am Fraunhofer IOSB-INA und dem inIT entwickelt und getestet. Zur Validierung kamen dabei sowohl Simulationstechniken als auch ein Rapid Prototyping unter Verwendung von FPGAs zum Einsatz. Die Fertigung der Single-Chip-Lösung erfolgt bei dem japanischen Chiphersteller Reneas, der auch die Distribution übernimmt. Aktuell werden die PROFINET-Chips aus der Produktion von den Projektpartnern getestet und abschließend validiert. Die Markteinführung ist im Laufe des Jahres 2011 vorgesehen.