Connectivity integrieren – aber wie?
Je mehr Flexibilität, desto weniger Risiko
Um Kommunikationsschnittstellen in Automatisierungsgeräte zu integrieren, gibt es mehrere Möglichkeiten, die sich in Komplexität, Flexibilität, Time-to-Market sowie technischem und wirtschaftlichem Risiko unterscheiden. Der folgende Beitrag erläutert vier Methoden sowie deren Vor- und Nachteile.
Wenn ein Hersteller von Industriegeräten ein neues Produkt (Sensor oder Aktor) entwickelt, ist eine der wichtigsten Entscheidungen, wie die Kommunikationsschnittstelle ausgelegt werden soll. Bei der großen Auswahl an Feldbus-Protokollen (z.B. Modbus, Profibus) und Industrial-Ethernet-basierten Netzwerken (z.B. EtherCAT, EtherNet/IP, Profinet) kann die Wahl des richtigen Protokolls über Erfolg oder Misserfolg der Investition entscheiden. Ein späterer Wechsel zu einem anderen Protokoll im Entwicklungszyklus ist nämlich kostspielig und führt dazu, dass das Produkt verspätet auf den Markt kommt. Ebenso ist es nicht ganz einfach, ein bestehendes Gerät so umzugestalten, dass es für industrielle Prozesse mit einem anderen Netzwerkprotokoll geeignet ist. Daher werden in diesem Beitrag die Vor- und Nachteile alternativer Technik und Finanzierungsoptionen für die Implementierung der Kommunikationsschnittstelle betrachtet. Hersteller können so die beste Wahl für ihre Projekte treffen.
Option 1: Kauf eines Hardwaremoduls, das mit einem proprietären Software-Stack vorinstalliert ist
Hersteller von Industriegeräten entscheiden sich traditionell für den »sicheren« Ansatz, ein »Standard«-Hardwaremodul für die Kommunikationsschnittstelle zu verwenden. Solche Module enthalten:
● einen Mikrocontroller mit vorinstalliertem Software-Stack (entwickelt vom Modulanbieter), der das gewünschte Protokoll auf der Datenübertragungs- und Netzwerkschicht implementiert;
● einen Physical-Layer-Transceiver (PHY), der das elektrische Signal in das Kommunikationsmedium überträgt (z.B. ein CAT5- oder CAT6-Ethernet-Kabel).
Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass das Modul leicht in das Gerät zu integrieren ist, so dass es sich in industriellen Netzen mit dem gewählten Protokoll schnell betreiben lässt. Dies scheint eine risikoarme und bequeme Lösung zu sein, die aber einige weniger offensichtliche Nachteile mit sich bringt. Der deutlichste ist, dass die Geräte nur in Netzen betrieben werden können, die das Protokoll verwenden, für welches das Modul entwickelt wurde. Dadurch beschränkt sich der Markt für das Gerät auf Kunden, die genau dieses industrielle Netz für ihre Prozesse nutzen. Damit das Gerät mit einem anderen Protokoll kommunizieren kann, ist ein anderes Modul erforderlich. Weil die Module für andere Protokolle nicht pinkompatibel sind, wäre ein kostspieliges und zeitaufwändiges Redesign des Systems nötig.
Ein weiterer Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Funktionen des Geräts auf die vom Modulhersteller im vorinstallierten Software-Stack bereitgestellten Funktionen beschränkt sind. Dieser ist meist unzugänglich und daher nicht änderbar. Außerdem werden proprietäre Module normalerweise von einem einzigen Anbieter bezogen, was die Kunden anfällig für Störungen in der Lieferkette und für Preiserhöhungen macht. Einige Hersteller bestehen auch auf Lizenzgebühren für jedes verkaufte Gerät, was zu unvermeidlichen Kosten während der gesamten Produktlebensdauer führt.
Option 2: Kauf eines Hardwaremoduls, in dem ein konfigurierbarer Software-Stack vorinstalliert ist
Eine flexiblere Alternative ist die Wahl eines Hardwaremoduls (Mikrocontroller und PHY), in dem ein konfigurierbarer Software-Stack vorinstalliert werden kann, um das erforderliche Protokoll zu implementieren. Das »Module 01« von RT-Labs beispielsweise ist ein für die Integration in das Design von Industriegeräten entwickeltes Hardwaremodul. Es ist mit dem Mikrocontroller LAN9255 und dem Dual-Port-Ethernet-Switch LAN9303 von Microchip Technology ausgestattet und lässt sich wegen seiner geringen Größe und der Platzierung des Steckers leicht in kleine Produktgehäuse einbauen. Darüber hinaus ist im Modul der »U-Phy«-Stack von RT-Labs vorinstalliert, der die Protokolle Profinet, EtherCAT und Modbus unterstützt. Das bedeutet, dass ein Industriegerät, welches das Modul verwendet, sofort in jedem dieser industriellen Netzwerke arbeiten kann. Neue Produkte können so schneller auf den Markt kommen, als wenn für jedes Protokoll ein Hardware-Redesign erforderlich wäre.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist, dass RT-Labs nicht nur das Module 01 in seine Designs integriert, sondern die Kunden auch bei der Modifizierung von U-Phy unterstützt. Damit lassen sich zusätzliche Funktionen in die Kundensysteme einbauen, bevor diese in die Serienfertigung übergehen. Darüber hinaus bietet RT-Labs einen kontinuierlichen After-Sales-Support und verpflichtet sich, U-Phy-Kunden vollen Zugang zu neuen Protokollimplementierungen zu gewähren, sobald diese entwickelt werden.
Option 3: Kauf eines konfigurierbaren Software-Stacks, der im System-Mikrocontroller mit einer unabhängigen PHY läuft
Eine dritte Option richtet sich an Hersteller, die die »Freiheitsgrade« ihres Produktdesigns maximieren wollen. Sie können den U-Phy-Software-Stack erwerben und die erforderlichen Hardwarekomponenten direkt auf der Geräteplatine integrieren. Auch hier arbeitet RT-Labs mit den Entwicklern zusammen, um sie bei der U-Phy-Integration, der Fehlersuche und der Entwicklung neuer Leistungsmerkmale ihres Produkts zu unterstützen. Dieser Ansatz hat viele Vorteile: ein umfassend kundenspezifisches Produkt lässt sich entwickeln und die vollständige Kontrolle über die Lieferkette übernehmen. Darüber hinaus führt der Wegfall eines zusätzlichen Hardwaremoduls zu einer kleineren Stückliste (BOM). Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist, dass dasselbe Gerätedesign in verschiedenen Produkten wiederverwendet werden kann – durch einfaches Ändern der U-Phy-Konfiguration kann die Kommunikation auf jedes der unterstützten Netzwerkprotokolle wechseln. Weil bei dieser Option nur eine einzige Anschaffung erforderlich ist, kann sich die Investition je nach Art und Anzahl der vom Hersteller verkauften Geräte in nur sieben Monaten amortisieren.
Option 4: Wie Option 3, aber Lizenzierung (statt Direktkauf) des Software-Stacks
Der Kauf eines Software-Stacks im Voraus ist vielleicht nicht die beste Option für einige Hersteller, die:
● traditionell Standard-Module verwendet haben und sich nicht sicher sind, was die Umstellung auf eine Software-Implementierung mit sich bringt. Sie wollen aber trotzdem mit diesem Ansatz experimentieren (unterstützt beispielsweise von RT-Labs);
● nicht sicher sind, ob ihre Geräte auf dem Markt erfolgreich genug sind und in ausreichenden Mengen verkauft werden, um ihre Investitionen zu amortisieren;
● kleine Unternehmen sind, die nicht über das erforderliche Kapital für eine Vorauszahlung verfügen, die für den Kauf eines Software-Stacks erforderlich ist.
Aus diesen Gründen stellt RT-Labs U-Phy auch im Rahmen einer laufenden Lizenzvereinbarung bereit. Für die Dauer der Lizenz bekommen Kunden den gleichen Support wie bei einem Direktkauf, einschließlich Unterstützung bei der Integration und Fehlersuche. Dabei wird der Zugang zu künftigen Protokollversionen sichergestellt. Diese Option bietet Herstellern auf finanziell überschaubare Weise einen kontinuierlichen Zugang zu den Vorteilen von U-Phy.
Die Kommunikationsschnittstelle eines Industriegeräts ist eine seiner wichtigsten, aber auch teuersten Komponenten. Angesichts der vielen verschiedenen Feldbusse und anderen industriellen Netzwerke, die zur Verfügung stehen, müssen die Gerätehersteller die für ihre Anwendung und ihre Geschäftsziele am besten geeignete Lösung finden. Aus Sicht von RT-Labs gibt es vier Optionen, verschiedene Hardware- und Software-Lösungen zu kombinieren. An ihnen zeigt sich, dass größtmögliche Flexibilität für Hersteller der beste Weg ist, um technische und wirtschaftliche Risiken zu minimieren. Ein konfigurierbares Softwarepaket wie U-Phy, das käuflich erworben oder lizenziert werden kann, kommt den technischen und wirtschaftlichen Anforderungen entgegen.
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