Gateways Serielle Daten neu verpackt

Die unterschiedlichen, sprachlichen Netze in Industrie 4.0 und IoT-Geräten zu verbinden, wird die große Herausforderung in der Zukunft.
Um unterschiedliche, sprachliche Netze in Industrie 4.0 und IoT-Geräten zu verbinden, wird die große Herausforderung.

Wie verbindet man unterschiedliche Netze, die verschiedene Sprachen sprechen, um den Anforderungen von IoT und Industrie 4.0 ­gerecht zu werden? Eine große Herausforderung, der sich Anlagenbetreiber in den nächsten Jahren verstärkt widmen müssen.

Die Wirtschaft befindet sich mitten in einer vierten industriellen Revolution. Durch den rasanten Fortschritt des Internets und dessen schier grenzenlose Möglichkeiten, Daten zu speichern, zu generieren, weltweit zu übertragen, darzustellen, zu teilen und auszuwerten, entstehen völlig neue Herausforderungen - aber auch neue Möglichkeiten in der Fertigungstechnik. Die reale und die virtuelle Welt wachsen rasch zusammen, und wenn die Informationstechnologien der IT-Welt mit der Fertigungstechnik verschmelzen, können und werden Produkte und Waren ganz anders produziert. Industrie 4.0 wird die Produktion, wie wir sie heute kennen, komplett verändern. Sie ist gekennzeichnet durch

  • flexible Losgrößen (1er-Serie),
  • eine starke Individualisierung,
  • Einbindung von Kunden und Geschäftspartnern direkt in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse,
  • neue Dienstleistungen,
  • intelligenteres Monitoring,
  • Echtzeitsteuerung der kompletten Wertschöpfungskette,
  • Datendurchgängigkeit durch alle Hierarchieebenen und Abteilungen einer Firma.

Wenn man sich die Industrie als technische Gesellschaft mit einer Vielzahl von Sprachen, Entwicklungsständen und kulturellen Besonderheiten vorstellt, kann man sich in etwa ein Bild machen, wie groß diese Herausforderung ist. Der vertikalen Kommunikation zwischen allen Beteiligten kommt hierbei eine Schlüsselposition zu. Jeder muss mit jedem reden können, über alle technologischen Grenzen und Protokolle hinweg. In gewachsenen Kommunikationsnetzen und Fertigungsstrukturen trifft alt auf jung, es trifft Ethernet auf Feldbus, seriell auf parallel und langsam auf schnell (Realtime). War früher das bevorzugte Netz zum Beispiel eine serielle Schnittstelle (RS?) oder ein klassischer Feldbus wie CAN­open, Profibus oder DeviceNet, sind es heute Ethernet-basierte Bussysteme wie Profinet, Sercos III, Powerlink, Ethernet/IP oder EtherCAT. Wie will man damit umgehen, um eine Durchgängigkeit im kompletten Netz zu erreichen?

Aus wirtschaftlichen Gründen (Investitionsschutz) kann man nicht alle alten Systeme einfach austauschen und eine neue, möglichst einheitliche Kommunikationsstruktur aufbauen. Eine solche Green-Field-Situation wäre zwar wünschenswert, ist aber in den meisten Fällen nicht realistisch. Um diesen Investitionsschutz zu gewährleisten, wurden sogenannte Gateways entwickelt. Das deutsche Wort dafür ist Protokollumsetzer. Doch wie bindet man z.B. serielle Komponenten in ein modernes Ethernet-basiertes Netzwerk ein?

Die Kommunikation zwischen Steuerungen und Peripheriegeräten über serielle Schnittstellen ist ein Thema, bei dem die Industrie bereits mehr als 50 Jahre Erfahrung vorweisen kann. In diesem langen Zeitraum hat die serielle Datenübertragung nichts von ihrer Aktualität eingebüßt und natürlich gibt es im Feld weltweit mehrere Millionen dieser Geräte. Der große Erfolg der seriellen Kommunikation beruht auf deren Einfachheit und technischen Stabilität sowie auf den geringen Kosten, der hohen Übertragungsgeschwindigkeit und den großen möglichen Kabellängen von über 1000 m. Typische und häufig verwendete Typen bei der seriellen Kommunikation sind die Schnittstellen EIA-232, EIA-422 und EIA-485 (EIA = Electronic Industry Association). Anstatt der Schreibweise mit EIA wird häufig auch RS (Radio Sector) verwendet.

Automatische Umsetzung

Mit dem modularen Gateway Kunbus-GW serial bietet Kunbus eine Lösung für diese Herausforderung. Diese Gateways ermöglichen eine durchgängige und prozesssichere Kommunikation zwischen unterschiedlichen Netzen und Systemen. Das Kunbus-GW Serial konvertiert alle Daten, die das Zielnetz übertragen kann. Es lässt nicht übertragbare Daten weg und fügt die im neuen Netz erforderlichen Daten hinzu. Somit können die Betreiber alle notwendigen Daten von einem geschlossenen Netz in ein anderes übermitteln.

Durch einen modularen Aufbau kann das serielle Gateway mit beliebigen anderen Protokollen kombiniert werden. Es stehen auf der anderen Seite der seriellen Schnittstelle zum Beispiel Profibus, DeviceNet Modbus RTU und CANopen zur Verfügung. Als Ethernet-basierte Busse sind es Profinet, EtherCAT, Powerlink, EtherNet IP, SERCOS III und Modbus TCP. Die Module werden einfach nebeneinander auf eine Hut­schie­ne (EN 50022) platziert und mit einer Steckbrücke zu einem Gateway verbunden (Bild). Das System ist somit Plug&Play-fähig.

Konfiguration über Webserver

Das serielle Gateway steckt, wie alle anderen Protokolle auch, in einem kompakten Gehäuse mit Abmessungen von nur 22,5 × 101,4 × 115 mm3. Das Gateway ist mit einem integrierten Webserver ausgerüstet und Aktualisierungen der Programmteile erfolgen über FTP-Server. Die maximale Leistung der Baureihe liegt bei 3 Watt, die Spannungstoleranz reicht von -15 bis +20 Prozent bei einer 24-V-Spannungsversorgung. Die interne Zykluszeit liegt dabei bei 2-3 Millisekunden. Es können über die Steckbrücke maximal 512 Byte I/O (Prozessdaten) zwischen den beiden Gateway-Seiten übertragen werden. Ein Verpolungsschutz und eine optische Isolation schützen Geräte und Netzwerk. Die serielle Gateway-Komponente unterstützt drei unterschiedliche Schnittstellen:

  • RS-232
  • RS-422
  • RS-485

Die Konfiguration des Gateway erfolgt über drei Drehschalter. Mit diesen Drehschaltern können die Bitrate (in den üblichen Schritten von 2400 kbit/s bis 115.200 kbit/s), das Frame-Format und die Art der Schnittstellen eingestellt werden. Das Modul arbeitet dabei mit den Standardwerten 9600 kbit/s, 8 bit, Even Parity und einem Stopp-Bit. Diese (wie auch allen anderen) Einstellungen können auch direkt im Speicherregister vorgenommen werden. Um die Gateway-Komponente zu konfigurieren, muss die Konfigurations-Software des Feldbus-Master auf die Register der Speichereinheit zugreifen. Die Speicher­einheit ist die zentrale Komponente für alle Funktionen der Gateway-Komponente. Sie ist in einzelne, jeweils 16 bit breite Speicherregister unterteilt.

Die Funktionsweise der Adressierung wurde von Modbus übernommen. Die Registerbelegung ist applikationsabhängig und nicht von der Modbus-Spezifikation vorgegeben. Ein Speicherregister besitzt gemäß dieser Spezifikation eine Registernummer zwischen 1 (0x0001) und maximal 65.536 (0x10000), von denen die Gateway-Komponente jedoch nur einen kleinen Teil benutzt. Intern werden die 16-bit-Werte in Little-Endian-Reihenfolge im Speicher abgelegt.

Ein Beispiel: Es existiert ein vorhandenes Netzwerk, ein Subnetz oder auch nur eine Sensorsteuerung, die auf Basis einer RS-485-Schnittstelle an ein anderes Netzwerk angebunden werden muss. Beide Netzwerke verfügen dabei über je einen eigenen Master, die miteinander kommunizieren müssen. Das Gateway stellt die hierfür benötigte Schnittstelle dar, wobei es in jedem der beiden Netze als Slave eingesetzt wird. Wenn der Master der RS-485-Seite Daten an Master 2 senden will, dann schreibt er diese Daten in seine (serielle) Gateway-Seite. Zwischen den beiden Gateway-Seiten werden die reinen Prozessdaten ausgetauscht. Alle Profile, die Header und Footer werden dann auf der seriellen Seite entfernt. Über die Steckbrücke können bis zu 512 Bytes übertragen werden. Auf der anderen Seite werden dann die für den anderen Master notwendigen Informationen wieder an die Prozessdaten angehängt. Der Master des anderen Netzwerkes (Master 2) holt diese Daten anschließend vom Gateway ab.

Als Fazit bleibt festzustellen, dass Gateways eine kostengünstige und technisch interessante Lösung darstellen, um rasch unterschiedliche Netze in eine umfassende Kommunikationsstruktur einzubinden.

 

Der Autor

Dipl.-Ing. (FH) Andreas Müller
studierte Feinwerktechnik an der FH in Esslingen am Neckar. Anschließend war er bei Bosch, Alcatel und Connect Systems tätig, bis er schließlich zur Kunbus GmbH kam. Dort ist er heute Vertriebs- und Marketingleiter für Industrielle Kommunikation.

 
a.mueller@kunbus.de