it´s OWL-Transferprojekt entwickelt autokonfigurierbare Reihenklemmen

Flexible I/O-Systeme

Die neuen Klemmen sind äusserst kompakt und werden in einem generativen Fertigungsverfahren produziert. Die Verbindung erfolgt über Ethernet-Brücken. Bild/Grafik: Madlehn GmbH
Bei der Autokonfiguration erkennen die Ethernet-Klemmen ihre Nachbarmodule.
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Weniger Aufwand für Verdrahtung und Inbetriebnahme, eine höhere Flexibilität und eine hohe Signaldichte: Dies sind nur einige Vorteile, die ein neues Systemkonzept für anreihbare, sich selbst konfigurierende Ethernet-I/O-Geräte bietet. Entwickelt wurde dieses von der Madlehn GmbH in Kooperation mit dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation.

Stand der Technik ist, dass sich der Anwender zwischen zwei Optionen entscheiden kann. Die erste: Er verwendet Block-I/O-Geräte, deren digitale Ein- und Ausgänge jeweils über Echtzeit-Ethernet (RTE) verbunden werden. In diesem Fall muss er einen hohen Verdrahtungsaufwand in Kauf nehmen und hohe Ethernet-Bandbreite zur Verfügung stellen. Zudem ist diese Lösung wegen der Hartverdrahtung unflexibel. Als Alternative, das ist die zweite Option, stehen modulare I/O-Geräte mit einem zentralen Gateway/Buskopf zur Verfügung, die aber auch spezifische Nachteile haben. Dazu gehören die Zusatzkosten für Gateway und Buskopf, der Verlust von Funktion oder Leistung im Buskopf (resultierend aus Medienredundanz, Verzögerung, Updatezeit usw.) sowie die zusätzliche Komplexität, die sich aus der Nutzung eines proprietären Rückwandbusses ergibt. Aus diesem Grund ist auch hier die Systemintegration komplex.

Neues Systemkonzept für Ethernet-Klemmen

Eben diese Nachteile soll das Systemkonzept vermeiden, das die Madlehn GmbH mit dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation IOSB-INA entwickelte. Hardware-seitig besteht das Konzept aus modular anreihbaren, schmal bauenden I/O-Klemmen, die untereinander schnell über kompakte Ethernet-Brücken verbunden werden können. Dabei lassen sich auch unterschiedliche Module wie digitale und analoge I/O-Bausteine, Master-Funktionen und Funktionsmodule verknüpfen. Im Unterschied zu anderen, bereits verfügbaren modularen I/O-Systemen, ist auch kein Gateway erforderlich. Die Gehäuse der neuen Klemmengeneration werden mit einem generativen Fertigungsverfahren produziert. Das 3D-Druckverfahren garantiert dabei eine modulare und kompakte Bauweise der Klemmen.

Module konfigurieren sich selbsttätig

Das Konzept basiert auf Forschungserkenntnissen zur Selbstkonfiguration aus dem it´s OWL-Querschnittsprojekt «Intelligente Vernetzung». Auf deren Basis wurde im Transferprojekt ein Autokonfigurationsmechanismus für anreihbare Ethernet-I/O-Klemmen entwickelt und an die spezifischen Anforderungen der Applikation angepasst.

In der Praxis bedeutet das: Bei den Klemmen handelt es sich um Module, die mit vollständiger Kommunikationsleistung und -funktion ausgestattet sind. Beim Aneinanderreihen erkennen die Klemmen ihre Nachbarmodule (siehe Grafik). Die erste Klemme, die keinen linken Nachbarn hat, erkennt sich als «Klemme 1» und sendet einen Discovery Frame mit Device-ID an «Klemme 2». Die letzte Klemme in dieser Reihung sendet die aufsummierte Device-ID zurück in Richtung «Klemme 1», die damit als Master definiert ist. Als Rückwandbus wird das Profinet-Protokoll verwendet.

Volle Flexibilität und hohe Signaldichte

Dieses Prinzip bietet unter anderem den Vorteil, dass der Profinet-Controller nur mit dem ersten Feldgerät als Master kommuniziert und dieser wiederum nur mit der direkten Nachbarklemme und so weiter. So wird ein durchgängiges Standard-Echtzeit-Ethernet realisiert, das sich durch hohe Signaldichte und Flexibilität auszeichnet. Die Module können rückwirkungsfrei ausgetauscht werden und finden selbsttätig ihre neue Position im System. Damit erübrigt sich die fehlerbehaftete manuelle Konfiguration beziehungsweise Inbetriebnahme von Ethernet-I/O-Klemmenlinien.

Autokonfigurationstool aus Querschnittsprojekt

Das bereits erwähnte Autokonfigurationstool, das im Querschnittsprojekt «Intelligente Vernetzung» entwickelt wurde, ist in der Lage, im Netzwerk verfügbare Profinet-Geräte zu finden und aus einer Datenbank die entsprechende Gerätebeschreibungsdatei zu laden. Mit diesen Informationen kann eine Profinet-Konfigurationsdatei erzeugt werden, die vom Profinet-Controller geladen wird. Damit sind alle Informationen verfügbar, die nötig sind, um die jeweilige Ethernet-I/O-Klemme in Betrieb zu nehmen. Dies reduziert die Zeit für die Inbetriebnahme sowie den Engineering-Aufwand, zudem kann der Anwender vorhandene RTE-Protokolle und Feldgeräte verwenden. Da die Topologie der Klemmenlinie verändert werden kann und sich selbsttätig neu konfiguriert, ist das System viel wandlungsfähiger als marktübliche Lösungen. Zudem steht mehr Bandbreite im Netz zur Verfügung, da nicht jedes Modul mit der Steuerung kommuniziert, sondern sich alle Klemmen als ein einziges I/O-Modul darstellen und alle I/O-Daten in einen Frame übertragen werden können.

Test und Validierung in der SmartFactoryOWL

Getestet und validiert wurde das Konzept mit dem Projektpartner Fraunhofer IOSB-INA in der «SmartFactoryOWL». In dieser Zukunftsfabrik am Standort Lemgo werden neue, besonders wandlungsfähige und ressourceneffiziente Verfahren der Produktion und Automatisierung erprobt. Dabei steht, im Sinne von Industrie 4.0, die Durchdringung der Produktionstechnik mit Informations- und Kommunikationstechnik im Vordergrund. Aktuell befasst sich die Madlehn GmbH mit der Überführung der Projektergebnisse zur Serienreife und führt Gespräche mit Herstellern beziehungsweise Vertriebspartnern, die an der Markteinführung des Konzeptes interessiert sind.