Profibus/Profinet definiert einheitliches Encoder-Profil mit Safety-Funktionen

Seit jeher schätzen Anwender den klassischen TTL-Encoder (Transistor-Transistor-Logik), weil er eine eindeutige und einfach definierte interoperable Schnittstelle für Encoder bietet, die alle Gerätehersteller unterstützt haben. Zudem war und ist der TTL-Encoder einfach zu handhaben. Natürlich sind solche ‚alten‘ Schnittstellen im Zeitalter der ethernet-basierten Kommunikation und dem Internet of Things nicht mehr zeitgemäß, aber die interoperable Schnittstelle hat nichts an Attraktivität verloren, ganz im Gegenteil – die Interoperabilität wird immer wichtiger. Inzwischen haben die modernen Feldbussysteme den klassischen TTL-Encoder zugunsten des Feldbus-Encoders verdrängt. Zudem sanken in den vergangenen Jahren die Preise für Feldbus-Encoder; das wiederum führte zu einer breiteren Anwendung. Weil das Businterface im Encoder integriert ist, benötigt dieser keine zusätzlichen Komponenten zur Rohsignalauswertung und Feldbus-Anschaltung. Das vereinfacht den Aufbau von dezentralen Automatisierungskonzepten.

Die Profibus Nutzerorgansisation (PNO) hat die erste digitale interoperable Schnittstelle bereits mit dem Encoder-Profil Version 1.1 für Profibus im Jahr 1997 eingeführt. Seitdem wird das Profil entsprechend den Marktanforderungen kontinuierlich weiterentwickelt. So kam mit der Version 3.1 die Erweiterung um den taktsynchronen Encoder und mit Version 4.1 die Abbildung auf Profinet dazu. Der aktuelle Innovationsschritt wird jetzt mit dem neuen Encoder-Profil Version 4.2 abgeschossen.

Encoder-Profil erleichtert Gerätetausch

Was für die interoperable Anschaltung von Encodern am Servoantrieb zum Beispiel die Standard-Schnittstellen Biss, Endat oder Drive-Cliq sind, ist für den Feldbus-Encoder mit Profinet/Profibus das Encoder-Profil des Dachverbandes Profibus & Profinet International (PI). Es definiert zusätzlich zu den Profinet-Kommunikations-Services die Semantik der ausgetauschten Daten sowie standardisierte Anwendungsmodelle für Positions- und Geschwindigkeitssensoren und ermöglicht dadurch eine herstellerübergreifende Interoperabilität. Hierzu definiert das Encoder-Profil eine Reihe sogenannter Standard-Telegramme für den zyklischen Datenverkehr. Diese stehen für eine fest definierte Zusammenstellung von Positions- und Geschwindigkeitssignalen mit jeweils festgelegtem Datenformat.

Mit dem Encoder-Profil ist aber nicht nur eine Standardisierung des zyklischen Datenaustausches verbunden, sondern über eine Reihe standardisierter Parameterobjekte auch eine vereinheitlichte Parametrierung und generische Identifikation des Sensors. Zudem gibt es Zusatzfunktionen, wie Skalierungs-, Normierungs- und Einricht-Funktionen, die das Anwendungsfeld zusätzlich erweitern.

Von Vorteil ist das beim Tausch des Encoders. So kommt es nicht selten vor, dass nach Jahren ein ausgefallenes Gerät nicht mehr am Markt verfügbar ist oder dass es inzwischen günstigere Produkte gibt. Bisher war es schwierig, ein Gerät eines anderen Herstellers zu verwenden, da die Interoperabilität nicht gewährleistet war. Nun lässt sich dieses durch einen Encoder mit PI-Encoder-Profil, beispielsweise der Klasse 3, ersetzen – unabhängig vom Hersteller.

Ein weiterer Vorteil zeigt sich beim Einsatz von SPS- und Steuerungssystemen. Diese haben in der Regel fertige Treiber oder Funktionsblöcke für die Schnittstelle zu Encodern nach dem PI-Encoder-Profil integriert. Der Anwender muss sich also nicht mehr um die Kommunikationsschnittstelle kümmern, sondern kann seine Aufmerksamkeit ganz der Programmierung seiner Anwendung auf der Steuerung widmen und spart dadurch wertvolle Zeit bei der Realisierung seiner Automatisierungslösung.

Das Encoder-Profil in Version 4.2 für Profibus- und Profinet-Kommunikation: Die vier Profil-Klassen richten sich weitgehend nach der Anwendung aus. Die Klassen 1, 2 und S1 sind für einfachere Anwendungen ausgelegt (nur Positionswert). Die Klassen 3, 4 und S2 liefern neben dem Positionswert zusätzlich einen Geschwindigkeitswert und bieten eine Skalierungsfunktion. PI/PNO

Anwendung gibt Encoder-Klasse vor

Um bei der Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen, Encoder-Typen und Standard-Telegrammen die Übersicht zu wahren, definiert das Encoder-Profil die sogenannten Encoder-Klassen. Grundsätzlich wird bei den Encodern zwischen Anwendungen mit und ohne Taktsynchronisation und mit Safety/Profisafe unterschieden.

In den Anwendungsfeldern ‚Standard Drives‘ und ‚Simple Motion Control‘ werden Encoder der Class 1 und Class 2 gerne als Positionssensoren oder hochgenaue Tachogeneratoren eingesetzt. Anwendungen sind Transportsysteme oder Pumpen oder die genaue Position von Klappen oder Anschlägen sowie die Positionsrückmeldung von sich langsam bewegenden Verstellmechanismen. Bei diesen Anwendungen steht vor allem der genaue digitale Ist-Wert im Vordergrund. Die Abtastgenauigkeit von Profinet RT beziehungsweise Profibus DPV1 ist hier vollkommen ausreichend.

Für ‚Enhanced Motion Control‘-Anwendungen mit präzisem Gleichlauf oder Messfunktionen muss der Encoder erstens einen hochaufgelösten Positionswert liefern und zweitens diesen Positionswert zusätzlich taktsynchron erfassen, also zu einem vom Controller vorgegebenen Zeitpunkt (Ti) mit einer Genauigkeit von besser als eine Mikrosekunde. Dazu gehört etwa die Lage und Position von durchlaufenden Warenbahnen, zum Beispiel in Verpackungsmaschinen, schnelllaufenden Zuführbändern für Pick-and-Place-Anlagen oder Lagegeber für Anwendungen mit elektronischem Getriebe und Kurvenscheiben. Dieser Anwendungsfall ist im Encoder-Profil mit den Class 3- und Class 4-Encodern beschrieben, das hierzu auf Profinet IRT für die Taktsynchronisation aufsetzt (DPV2 für Profibus).

Für Anwendung von Encodern im Safety-Bereich bilden die neuen Klassen S1 und S2 eine interoperable Schnittstelle in Form von standardisierten Profisafe-Telegrammen. Innerhalb der Klassengruppen wird jeweils zwischen der ‚Basisklasse‘ und der ‚Komfortklasse‘ unterschieden. So liefern die drei Basisklassen – Class 1, 3 und S1 – nur den Positionswert, während die drei Komfortklassen – Class 2, 4 und S2 – zusätzlich noch einen Geschwindigkeitswert und eine Skalierungsfunktion bereitstellen. Dies entlastet das Anwendungsprogramm auf der SPS von Rechenzeit fressenden Datenaufbereitungsaufgaben; und dadurch lässt es sich einfacher und kostengünstiger realisieren.

Interessant ist, dass etwa 60 % aller Encoder-Anwendungen in den Class 1- und Class 2-Bereich fallen, während 40 % der Encoder in den taktsynchronen Anwendungen der Class 3 und 4 zum Einsatz kommen. Allerdings besteht bei den heutigen Profinet-Encodern am Markt inzwischen kein signifikanter Preisunterschied mehr zwischen den Class 1-, 2-, 3- und 4-Encodern. Viele Hersteller decken deshalb die Klassen 1 bis 4 mit einem Produkt ab. Diese Situation spiegelt den aktuellen Stand bei den am Markt verfügbaren Profinet-ASICs wieder, die inzwischen durchgehend auch über Taktsynchronisation mit IRT und einen integrierten 2-Port-Switch verfügen, so dass sich der funktionale Unterschied zwischen den Encoder-Klassen weitgehend per Software realisieren lässt.

Ganz anders sieht es bei den Safety-Encodern mit Class S1- oder Class S2- Schnittstelle aus: Diese sind im Allgemeinen gegenüber einem nicht-safety-fähigen Encoder signifikant teurer; der Grund dafür ist der größere Hardware- und Entwicklungsaufwand.

Die Klasseneinteilung im Encoder-Profil definiert Mindestkriterien, die ein Encoder dieser Klasse erfüllen muss und macht dadurch die Typenvielfalt leicht handhabbar. Hierbei gibt die Anwendung die erforderliche Encoder-Klasse vor und diese Information hilft dem Einkauf, um auf dem Markt eine Auswahl von kompatiblen Produkten zu finden.

Einheitliche Parameterstrategie im Encoder-Profil

Zusätzlich zu den Standard-Telegrammen definiert das Encoder-Profil noch einen Standard-Parametersatz mit zugehörigem azyklischem Parameterkanal. In den Parametern sind die Eigenschaften, die Einstellungen sowie der Online-Betriebszustand des Encoders vollständig abgebildet. Dadurch wird der gesamte Encoder ‚gläsern‘ und ist vollständig generisch identifizier- und diagnostizierbar. So kann die Anwendung auf der Steuerung beispielsweise die Auflösung des Positions-Ist-Wertes und die Skalierung der Geschwindigkeit auslesen und sich darauf adaptieren. Darüber hinaus können über standardisierte Diagnoseparameter alle anstehenden Fehler und Warnungen ermittelt werden. Dies kann etwa das Auslesen des Logbuches zur Ursachenforschung beinhalten, eröffnet aber auch Möglichkeiten zur Fernwartung und vorbeugenden Instandhaltung. Entscheidend ist, dass die Diagnose einheitlich über alle Klassen und Busse (Profibus/Profinet) hinweg geschieht.

Zertifizierung weist Interoperabilität nach

Ob ein Gerät in der Praxis wirklich interoperabel ist, ist erst dann sicher, wenn es geprüft und von einer unabhängigen Stelle zertifiziert wurde. Diesen Nachweis erbringt der von PI angebotene Zertifizierungstest entsprechend dem Encoder-Profil von PI. Ein Encoder-Profil-Zertifikat bedeutet auch eine erfolgreich bestandene Profinet-Zertifizierung.