Mit Single-Chip-Lösung Profinet in Feldgeräte und Antriebe integrieren Der Tiger im Automatisierungsnetzwerk

Der TPS-1 von KW-Software wird auch Tiger-Chip genannt.
Der TPS-1 von KW-Software wird auch Tiger-Chip genannt.

Profinet steht für „IT-powered Automation“. Es schafft die technologischen Grundlagen für durchgängige unternehmensweite Automatisierungsnetzwerke und sorgt für eine vertikale Integration der Prozesse von der Fertigungsebene bis hinauf zum ERP. Bisher fehlte jedoch eine leistungsfähige und zugleich wirtschaftliche Ankopplungsmöglichkeit für kompakte Feldgeräte und Antriebe. Mit dem TPS-1 als Single-Chip-Lösung lassen sich Profinet-Interfaces zum Preis einer Feldbus-Schnittstelle realisieren.

Profinet IO ist die offene industrielle Ethernet-Lösung, die durchgängig alle Anforderungen der Echtzeit-Kommunikation abdeckt und gleichzeitig die uneingeschränkte parallele Nutzung von IT-Funktionen ermöglicht. Neben diesen Parametern ist aber auch das Angebot an technisch und wirtschaftlich attraktiven Geräteintegrationslösungen mit entscheidend für die Akzeptanz eines offenen Netzwerks wie Profinet. Im Bereich der klassischen Feldbusse wie Interbus und Profibus stehen seit Jahrzehnten bewährte und kostengünstige Komponenten zur Integration von Geräteschnittstellen zur Verfügung, die dem Anwender die Handhabung der Kommunikationsprotokolle abnehmen und eine flexible Anschaltung der eigentlichen Geräteanwendung ermöglichen. Etwas Vergleichbares war bisher für kompakte Feldgeräte und Antriebe an Profinet nicht vorhanden.

Was bedeutet aus Sicht des Geräteherstellers eine schnelle und einfache Integrationslösung? Zum einen darf die Integration einer Feldbus-Schnittstelle in Feldgeräten und Antrieben nicht zu dauerhaft höheren Gerätekosten führen; zudem sollen die Schnittstellenintegration und auch -nutzung möglichst modular und einfach sein. Zum anderen spielt der Platzbedarf einer solchen Schnittstelle eine Rolle, da deren Größe auch die Gehäusegröße der Feldgeräte bestimmt. Feldbusanschaltungen z.B. für Interbus oder Profibus sind lizenzfrei, der Gerätehersteller bezahlt lediglich den Protokoll-Chip - zusätzliche Entwicklungs- und Laufzeitlizenzen werden in der Regel nicht fällig. Das erwarten Gerätehersteller auch von einer Profinet-Schnittstelle. Je nach Gerätehersteller und Branche ergeben sich noch weitere Kriterien.

Der Tiger als Single-Chip-Lösung

Der TPS-1 von Phoenix Contact und Siemens, der zusammen mit Renesas Electronics, dem Institut Industrial IT und dem Fraunhofer IOSB-INA entwickelt wurde, ist wie die ERTEC-Chips ein dediziertes Profinet-ASIC. Allerdings verfolgt der so genannte Tiger-Chip ein grundlegend anderes Integrationskonzept. Er bedient u.a. oben genannte Anforderungen an eine Profinet-Schnittstelle und schließt die Lücke im Portfolio der Profinet-ASICs unterhalb des ERTEC 200 (Bild 1).

So steht jetzt gemeinsam mit dem ERTEC 200 und dem ERTEC 400 ein abgestuftes und interoperables Spektrum von Profinet-ASICs für alle Geräteklassen zur Verfügung - vom Profinet-Controller über komplexe Feldgeräte mit hoher Modularität bis hin zu kompakten Feldgeräten und Antrieben. Der TPS-1 verfolgt das Konzept der Single-Chip-Schnittstelle (Bild 2).

Für die Anschaltung eines Gerätes an Profinet sind der Baustein und ein kleines serielles Flash notwendig, ähnlich den heutigen Feldbus-Anschaltungen wie dem Supi für Interbus oder dem SPC3 für Profibus. Im Tiger-Chip sind die Ethernet-Leitungstreiber (PHYs) bereits integriert, so dass außer den Übertragern und den RJ45-Buchsen keine weiteren Bauteile für eine Ethernet-Schnittstelle notwendig sind. Dies ermöglicht die Integration einer Profinet-IO-Geräteschnittstelle der Conformance Class C auf einer Leiterplattenfläche von ca. 260 mm² (Bild 3).

Der Baustein enthält wie die ERTECs einen 3-Port-RT/IRT-Switch mit nochmals verbesserter Leistung. An den internen Port ist eine ARM-CPU angebunden, die für die Abarbeitung eines optimierten Profinet-Stacks reserviert ist und nicht für Geräteapplikationen genutzt werden kann. Der Stack und die Konfiguration der jeweiligen Betriebsart werden aus dem seriellen Flash geladen, ohne dass dazu eine spezielle Embedded-Toolchain oder spezielles Know-how notwendig sind. Zur Daten- und Instruktionsspeicherung nutzt der Baustein sein integriertes RAM von 768 KByte. Ein integriertes RAM bietet Vorteile wie geringere Verlustleistung - man benötigt keine Leitungstreiber - und weniger Platzbedarf auf der Leiterplatte. Zusätzlich sinkt die Leiterplattenkomplexität, da weniger Layer benötigt werden. Da keine hochfrequenten Signale auf der Leiterplatte liegen, verbessert sich die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) der Baugruppen.

Wie bei vielen Feldbus-ASICs kann über eine im Tiger-Chip integrierte Host-Schnittstelle eine Applikations-CPU entweder parallel mit 8/16-bit-Datenbus oder seriell über SPI mit bis zu 25 MHz Taktrate angebunden werden (Bild 4). In beiden Fällen adressiert die Applikations-CPU ein integriertes Shared Memory, das die Ein-/Ausgabe-Daten, eine Konsistenzsteuerung, Geräte- und Herstellerinformationen sowie weitere Daten enthält.

Der Zugriff der Applikation auf das Shared Memory wird durch eine frei erhältliche schlanke Treiber-Bibliothek erleichtert. Die Bibliothek ist im Quellcode verfügbar und lässt sich als Applikationsschnittstelle (API) zur Geräteanwendung integrieren. Die Anwendung kann so einheitliche Funktionsaufrufe und Callback-Funktionen zur Kommunikation mit der Profinet-Schnittstelle nutzen.
Signale vom Baustein an das Host-System können der Applikations-CPU per Interrupt gemeldet werden. Darüber hinaus ermöglichen spezielle Trigger-Signale die Synchronisation der Geräteanwendung auf den Profinet-IRT-Zyklus.
Des Weiteren kann der Baustein zur Realisierung einfacher kompakter Ein-/Ausgabe-Geräte genutzt werden. Dazu lassen sich entsprechende Leitungstreiber oder E/A-Schaltkreise parallel oder seriell direkt an den Chip anschalten. Auf diesem Weg sind Ein-/Ausgabe-Geräte mit bis zu 48 Kanälen möglich. Alternativ können die E/A-Betriebsart und die Host-Schnittstelle zu einer Applikations-CPU genutzt werden.