Wenn Ethernet als Standard einer umfassend vernetzten Produktion gesetzt ist, warum es dann nicht auch für die Kommunikation innerhalb der Steuerung verwenden?

Wenn Ethernet als Standard einer umfassend vernetzten Produktion gesetzt ist, warum es dann nicht auch für die Kommunikation innerhalb der Steuerung verwenden?Schneider Electric, Eabff – Fotolia.com

Im Endeffekt führt die Vision der Industrie 4.0 zu intelligenten Subsystemen, die aufgrund ihrer Vernetzung in der Lage sind, sich selbst zu organisieren und Prozesse autonom zu steuern. Daher wird es immer mehr Geräte geben, die Ethernet auch in ihrer internen Struktur zum Datenaustausch verwenden. Das Steuerungssystem Modicon M580 ist so eine Steuerung, die vollkommen auf Ethernet baut: Neben der direkten Integration im Steuerungsprozessor, ist Ethernet auch auf die Backplane des ePAC (Ethernet Programmable Automation Controller) herausgeführt – parallel zum bisherigen Systembus, dem X-Bus. Dies sorgt für die Kompatibilität mit den bisherigen I/O-Modulen. Existierende Applikationen können dadurch ohne Verdrahtungsänderungen auf das neue System migrieren. Dies gilt nicht nur für die Hardware, sondern auch für die Software, da sich am Programmiersystem Unity Pro nichts ändert.

Die Zentraleinheit der Steuerung basiert auf dem Dual-Core-Prozessor ARM Spear mit mehreren Ethernet-Ports. Als weiteren Anschluss besitzt der Controller eine USB-Schnittstelle für das Programmiergerät oder ein Display. Für die Speicherung von Anwendungen und Daten kann optional eine SD-Karte eingesetzt werden. Aus Sicherheitsgründen ist die SD-Karte speziell für die M580 formatiert. Ebenso sind IT-Sicherheitsaspekte in das Systemdesign eingeflossen. Beispielsweise wurde die Verwaltung von Passwörtern im Programmiersystem und im Controller verbessert und mit Integritätsprüfungen für die verschiedenen Software-Komponenten verknüpft. Das System erreicht insgesamt Level 2 gemäß der Achilles-Testszenarien und ist von der Firma Wurldtech entsprechend zertifiziert.

Viele Konfigurationsmöglichkeiten dank Ethernet: Je nach Bedarf können flache mit hierarchischen Strukturen kombiniert werden. Ein nahtloser Übergang zu Feldbussystemen ist ebenso möglich. Die notwendige Integration der Fremdgeräte ins Engineering-System

Viele Konfigurationsmöglichkeiten dank Ethernet: Je nach Bedarf können flache mit hierarchischen Strukturen kombiniert werden. Ein nahtloser Übergang zu Feldbussystemen ist ebenso möglich. Die notwendige Integration der Fremdgeräte ins Engineering-System Schneider Electric

Die konsequente Verwendung von Fast-Ethernet mit 100 Mit/s in der CPU und für die Backplane erlaubt flexible Architekturen für die verschiedenen Anwendungsfälle und Branchen. Standardmäßig unterstützt die Steuerung Ethernet/IP und Modbus-TCP. Dies ermöglicht eine standardisierte Integration von Modulen durch andere Anbieter direkt in die Backplane:

  • Die separate Verkabelung entfällt, da Geräte direkt auf die Backplane gesteckt werden
  • Ethernet als Standard-Schnittstelle öffnet das System
  • Transparenter Datenaustausch durch IP-Routing
  • Direkte Anbindung von Ethernet-­basierten Remote-I/Os und anderen Ethernet Geräten (ohne separaten Switch, da diese integriert sind)

Die Steuerungs-CPU bietet an ihrem Service-Port umfangreiche Diagnosemöglichkeiten. Beispielsweise ist es möglich, durch Port-Spiegelung die Kommunikation der beiden Ethernet-Ports der CPU, der Backplane oder aller drei Schnittstellen aufzuzeichnen.

Abhängig von der Anlagentopologie können flache und auch hierarchische Strukturen aufgebaut und kombiniert werden. Übergänge zu unterschiedlichen Feldbussystemen sind ebenso möglich. Das dafür notwendige Geräte-Management lässt sich mittels FDT-Technologie realisieren, mit der sich unterschiedliche Geräte an den verschiedenen Netzwerken und Feldbussen in einem Engineering-System managen lassen.

FDT als Standard Methode für das Gerätemanagement

Bei FDT wird für das Feldgerät vom Hersteller ein Gerätetreiber (DTM) zur Verfügung gestellt, der den Zugriff auf das Gerät von beliebigen FDT-Anwendungen über eine grafische Oberfläche erlaubt. Diese Technologie ist integraler Bestandteil der Engineering-Umgebung Unity Pro: Ein eingebetteter FDT-Container stellt alle erforderlichen Schnittstellen für ein einheitliches Gerätemanagement bereit, nicht nur für die Komponenten von Schneider Electric, sondern auch für Partnermodule und Geräte anderen Hersteller. Ein DTM repräsentiert jedes Gerät im Programmiersystem und wird darüber parametriert. Dadurch hat der Anwender eine einheitliche Methode, unabhängig davon von welchem Hersteller das Gerät stammt und an welchem Netzwerk oder Feldbus es betrieben wird. Neue Protokolle lassen sich jederzeit in FDT-Systeme nachrüsten, sobald diese über entsprechende Zusatzspezifikationen (Protokoll-Annex) implementiert wurden. So ist es auch möglich, Sensoren über IO-Link in FDT-Systemen zu konfigurieren. Die Anlagenstruktur wird in Unity Pro mittels einer Baumstruktur abgebildet, in der DTMs die jeweiligen Geräte repräsentieren. Mit dem Master-DTM werden die Steuerungs-CPU und Netzwerkkommunikation konfiguriert.

Anlagenstruktur mit Ethernet, Modbus und Profibus: Die angeschlossenen Geräte werden alle von einer zentralen Stelle (Unity Pro) verwaltet. Aufgrund der sogenannten ‚Nested Communication‘ von FDT kann über mehrere Netzwerkebenen hinweg auf die Geräte zuge

Anlagenstruktur mit Ethernet, Modbus und Profibus: Die angeschlossenen Geräte werden alle von einer zentralen Stelle (Unity Pro) verwaltet. Aufgrund der sogenannten ‚Nested Communication‘ von FDT kann über mehrere Netzwerkebenen hinweg auf die Geräte zugeSchneider Electric

Sobald ein Gerät (DTM) in die Topologie erscheint, generiert das Tool automatisch Datenstrukturen für dessen Programmierung, mit denen der SPS-Programmierer sofort arbeiten kann. Eine Arbeitserleichterung gibt es ebenso bei den Prozessdaten: Wenn vorhanden, erstellt der Master-DTM entsprechende SPS-Variablen und stellt sie dem Programmierer unmittelbar zur Verfügung, unabhängig vom Netzwerk- oder Feldbustyp. Zurzeit ist diese Schnittstelle nur intern verfügbar, das heißt für Komponenten aus dem Schneider-Electric-Portfolio. Bei anderen Geräten definiert der Programmierer die SPS-Variablen auf herkömmliche Weise.

Es gibt aber mittlerweile in der FDT-Spezifikation eine entsprechende Definition, die speziell für FDT in der Fabrikautomation spezifiziert wurde (PLC Tool Interface). Sie beschreibt eine feldbusunabhängige Schnittstelle, wie die Daten vom Busmaster-DTM zu übergeben sind, damit die Variablen automatisch erzeugt werden können.

Für Geräte ohne DTM gibt es generische DTMs. Dieser DTM-Typ greift auf die Informationen der Gerätebeschreibungen (GSD, EDS) zu und visualisiert diese in der FDT-Applikation. In Unity Pro sind generische DTM für Ethernet/IP, Modbus-SL und -TCP sowie für Profibus integriert, das heißt, sämtliche über diese Kommunikationssysteme angeschlossenen Komponenten bildet das System ab.

Toolkit für Partnermodule

Integration der Fremdgeräte: Der Master-DTM für Ethernet/IP oder Modbus-TCP ist Bestandteil des Engineering-Systems Unity Pro (DTM1). Das Gerät am Profibus ist über einen Master angeschlossen, den der Gateway-DTM repräsentiert (DTM2), und wird mit seinem

Integration der Fremdgeräte: Der Master-DTM für Ethernet/IP oder Modbus-TCP ist Bestandteil des Engineering-Systems Unity Pro (DTM1). Das Gerät am Profibus ist über einen Master angeschlossen, den der Gateway-DTM repräsentiert (DTM2), und wird mit seinem Schneider Electric

Um Kooperationspartnern die Integration von eigenen Modulen direkt in die Ethernet-Backplane zu vereinfachen, gibt es das PME-Toolkit (Partner Modul for Ethernet Backplane). Zu dem Kit gehören unter anderem eine Steckkarte für die Ethernet-Backplane und die Basisplatine für das Partnermodul. Beide Platinen sind über einen Steckverbinder gekoppelt und kommunizieren die Daten über ein SPI-Interface und die Ethernet-Backplane. Für die Integration ins Programmiersystem haben die Partner zwei Möglichkeiten: über einen generischen DTM oder eigenen DTM.

Der generische DTM, den Schneider Electric mit dem Toolkit bereitstellt, interpretiert die Gerätebeschreibung (DDXML: Device Description Extensible Markup Language). Für die Erstellung dieser Gerä­tebeschreibung steht eine Excel-Schablone zur Verfügung, in die der Partner die jeweiligen Eigenschaften einträgt. Daraus wird automatisch die DDXML Gerätebeschreibung generiert.

Die zweite Option ist die Entwicklung eines eigenen gerätespezifischen DTM. Dies ist sinnvoll, wenn der Partner Funktionen zur Verfügung stellen will, die über die Möglichkeiten einer Gerätebeschreibung hinausgehen, beispielsweise eine bessere graphische Darstellung im DTM. Das erste Partnermodul, das mit dem Toolkit entwickelt wurde, ist ein Wägemodul der französischen Firma Scaime.