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Profinet und Power-over-Ethernet

Einfache Vernetzung dezentraler Sensorik

Durch die Evolution der Feldbus-Kommunikation hin zu Echtzeit-Ethernet wurde in der Automatisierung die Möglichkeit zu immer intelligenteren Systemen geschaffen. Maschinen und Anlagen lassen sich schneller, effizienter und mit mehr Funktionalität betreiben. Die Komplexität für die Implementierung der Automatisierungskomponenten steigt ebenfalls und erfordert meist aufwändige Geräteentwicklungen.



Bild: CIIT

Am Beispiel der Einführung IT-basierter Kommunikation auf Basis von Ethernet in die Automatisierungstechnik ist dieser Konflikt anschaulich darstellbar: Ethernet ist entwickelt worden, um Rechner und Server zu vernetzen. In der Automatisierungstechnik hingegen müssen einfache, eingebettete Systeme in Echtzeit kommunizieren. Dafür sind Technologien zur Integration der Kommunikationsschnittstellen in einfache Geräte notwendig.

Im Zuge der weiteren Evolution der industriellen Automation hin zur ‚Fabrik der Zukunft‘ oder ‚Industrie 4.0‘ werden Sensoren und Aktoren intelligent agierende, vernetzte Systeme, sogenannte Cyber Physical Systems (CPS) und sollen für intelligente Automation sorgen. Diese Weiterentwicklung wird die Forderung nach entsprechenden Lösungen weiter intensivieren.

Mit Profinet ist ein Kommunikationsprotokoll verfügbar, mit dem die daraus folgenden Anforderungen bedient werden können. Es ist als Industrial Ethernet-Protokoll im Standard IEC61158 genormt und erweitert den Ethernet-Standard um Mechanismen für die industrielle Kommunikation. Dies sind Synchronität, kleine Zykluszeiten, Determinismus und Verfügbarkeit. Weiter ermöglicht Profinet den parallelen Betrieb von IT-Diensten wie Webservices oder Audio- und Video-Streaming.

Miniaturisiertes Sensordesign

Profinet-Kommunikation bringt hohe technische Anforderungen an eingebettete Systeme mit sich. Aus diesem Grund werden Profinet-Schnittstellen in der Regel in komplexe Automatisierungsgeräte integriert. Neue Technologien wie der Profinet-Asic TPS-1, der einem Single Chip-Konzept folgt, bieten das Potenzial, auch kompakte Sensoranschaltungen einfach mit Profinet auszustatten. Dieses technologische Potenzial zeigt eine von der Owita GmbH durchgeführte Implementierung eines Profinet/Power over Ethernet-Moduls (PoE) für Sensoranschaltungen.

Bei der Entwicklung standen Baugröße und flexible Integrierbarkeit in bestehende Geräte im Vordergrund. Für Geräte in dieser Miniaturisierungsklasse ist weiterhin ein geeignetes Wärme-Management notwendig. Eine weitere Schlüsselfunktionalität ist eine optionale Energieversorgung mit der Power-over-Ethernet-Technologie. Die entstandene Lösung kann sowohl direkt angeschlossene E/As bedienen als auch mittels SPI-Bus etwa an eine Applikations-Mikrocontroller-Unit (MCU) angebunden werden. Das Herz der Implementierung ist der Profinet-Chip TPS-1. Er verfügt über zwei Ethernet-Ports mit integrierten Ethernet-PHYs und RAM. Der integrierte Drei-Port-Switch unterstützt Cut-Through und IRT-Kommunikation sowie Echtzeit-Priorisierung und verfügt über 40 Kilobyte Puffer-Speicher. Eine ARM-CPU bearbeitet den für den TPS-1 entwickelten Profinet-Stack.

Zur Daten- und Instruktionsspeicherung nutzt der Baustein den integrierten RAM, was eine geringe Leistungsaufnahme und ein miniaturisiertes Leiterkartendesign ermöglicht. Aufgrund der genannten Eigenschaften eignet sich der Baustein insbesondere zur Realisierung kompakter Geräte. Der Chip besteht intern aus zwei Siliziumkernen, die durch eine System-in-Package-Lösung (SIP) zu einem Asic zusammengeführt wurden. Die zwei Ethernet-PHYs sind mit einer Strukturbreite von 150-Nanometer-Technologie realisiert, das ARM-Subsystem und der Profinet-Switch in einer Strukturgröße von 90nm umgesetzt. Die Prozessdaten-Kommunikation wird vollständig durch Hardware vorgenommen, was die Latenzzeiten bis hin zu den Ein- und Ausgabebaugruppen verringert. Der TPS-1 ist im Auftrag der Firmen Phoenix Contact und Siemens AG vom Institut für industrielle Informationstechnik (Init) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe und dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation in Lemgo entwickelt worden.

Profinet und PoE

Eine Profinet-Anschaltung mit dem TPS-1 und der Möglichkeit des Power-over-Ethernet generiert insbesondere für räumlich verteilte Sensoren einfache Gesamtlösungen. Die geringe Aufnahmeleistung des TPS-1 lässt dabei die Anbindung kleiner Aktoren bis zu 12W zu. Der PoE-Standard 802.3af/at ist für Punkt zu Punkt-Verbindungen definiert, das heißt eine Quelle oder ‚Power Source Equipment‘ (PSE) versorgt eine Senke oder ‚Powered Device‘ (PD). Die aktuell verfügbaren Lösungen gehen von Sterntopologien aus, wobei ein Switch als zentrale Quelle dient.

Im Standard 802.3af erfolgt die Versorgung auf zwei Adernpaaren, alternativ auf den für die Kommunikation benutzten oder den beiden freien Adernpaaren. Spezielle Betrachtung ist bei der Kombination von Profinet und PoE bezüglich der Power-Up-Zeit notwendig, da Fast-Startup mit maximal 500 Millisekunden für den Verbindungsaufbau eine kürzere Zeit garantiert als der PoE-Standard mit maximal 600 Millisekunden für eine stabile Spannung. Mit einer Abstimmung von PSE- und PD-Komponenten wurde für das vorgestellte Device aber eine stabile Spannung nach 85 Millisekunden gemessen Durch die kurze Startup-Zeit des TPS-1 kann selbst in Kombination mit PoE noch Fast-Startup ermöglicht werden.

Das Schaltbild verdeutlicht, wie Profinet für ein Power-over-Ethernet-Modul aufgebaut ist.

Zusammenfassung

In einer Beispielanwendung wurde das Profinet PoE-Modul mit einer Lichtschranke kombiniert, ein Ansatz der insbesondere in verteilten Anlagen greift. Die Lichtschranke nutzt einen digitalen Eingang am TPS-1. Das Single-Chip Konzept ermöglicht miniaturisierte Sensordesigns – und ist im Vergleich zu anderen Profinet-Lösungen kostengünstig. Durch Anschluss einer MCU können auch komplexe Anwendungen oder beispielsweise Filter für Sensoren realisiert werden. Ein weiteres Plus dieses Konzeptes ist die ‚Time-to-Market‘: Für einfache Sensoren ist keine Softwareentwicklung notwendig, eine risikofreie Profinet-Zertifizierung ist gegebenen. Dieses Projekt wurde von der Owita GmbH, dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation und dem Institut für industrielle Informationstechnik (inIT) unter dem Dach des Centrum Industrial IT (CIIT) in Lemgo durchgeführt. Die Projektpartner des CIIT engagieren sich im Spitzencluster ‚It’s OWL‘ – intelligente technische Systeme Ostwestfalen-Lippe. Die entstandene Lösung dient als Basisplattform für weitere Projekte im Bereich der intelligenten Vernetzung für die Automation.

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