Multinetzwerkübersetzer

Schnittstellenkarte Mit der Ixxat INpact bietet HMS Industrial Networks eine Multi-Protokoll-Schnittstelle für Speicherprogrammierbare Steuerungen oder Embedded- PC-Systeme, die eine Vielzahl von Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systemen unterstützt und durch verschiedene Formfaktoren vielfältig integriert werden kann.

18. Juni 2019
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Multiprotokoll-Schnittstelle in Werkerführungssystemen zur Fehlervermeidung. (Bild: HMS Industrial Networks)

Die Vielzahl an Protokollen im Feld erschwert die Entwicklung universell einsetzbarer Geräte erheblich. Multi-Protokoll-Schnittstellen, die ein protokollunabhängiges API (Application Programming Interface) zur Anwendersoftware bereitstellen, eröffnen hier eine einfach gangbare Lösung. Die Sarissa GmbH aus Weingarten (Baden-Württemberg) setzt in ihrem Werkerführungssystem Multi-Protokoll-Schnittstellenkarten ein, um die aufbereiteten Positionsdaten an SPSen oder Embedded-PC-Systeme ihrer Kunden zu übergeben. Hierbei setzt Sarissa auf die Ixxat INpact von HMS Industrial Networks.

Fehler vermeiden helfen

»Niemand ist perfekt« – diese Erkenntnis hat Einfluss auf industrielle Prozesse und wurde bereits in den 1960er-Jahren von Dr. Shigeo Shingo erkannt. Als Wirtschaftsingenieur bei Toyota und einer der führenden Protagonisten des Qualitätsmanagements in Fertigungsprozessen in Japan prägte er den Begriff Poka Yoke.

Poka Yoke bezieht sich auf ein aus mehreren Elementen bestehendes Prinzip, das technische Vorkehrungen oder Einrichtungen zur sofortigen Fehlererkennung und -vermeidung enthält. Ausgangspunkt für Poka Yoke ist die Erkenntnis, dass kein Mensch und kein System in der Lage ist, unbeabsichtigte Fehler vollständig zu vermeiden. Die Poka-Yoke-Technik kann immer dann eingesetzt werden, wenn ein Fehler auftreten oder etwas falsch gemacht werden könnte – also überall. Im Alltag gibt es zahlreiche Beispiele: ob es sich um verpolungssichere Verbindungen handelt, um Zweihandschalter an motorgetriebenen Gartengeräten, die Waschmaschine, die sich nicht starten lässt, wenn die Türe nicht richtig geschlossen ist oder das Auto mit Automatikgetriebe, das nur gestartet werden kann, wenn die Schaltung auf »Parken« oder »Neutral« eingestellt ist.

Auch (oder gerade) in Produktionsprozessen können Fehler auftreten, die mit dem Poka- Yoke-Konzept wirtschaftlich und effektiv vermieden werden können. Dies dient nicht nur der Qualitätssicherung, sondern führt auch zu einer Kostenreduzierung, indem Anlagen optimal genutzt werden und Fertigungsausschuss reduziert wird, wodurch wiederum Reklamationen und Nacharbeiten vermieden werden.

Assistenzsysteme

Um Fehler in Prozessen zu vermeiden, in denen Personen involviert sind, kommen Assistenzsysteme zum Einsatz. Die Sarissa GmbH entwickelt solch ein Assistenzsystem, das eine fehlerfreie Produktion ermöglicht und damit Poka Yoke in seiner reinsten Form darstellt. Im Mittelpunkt steht die Qualitätssicherung in den Bereichen Automatisierung, Produktion, Kommissionierung und Montage. Typische Anwendungsgebiete reichen von der Automobilindustrie und ihren Zulieferern über die Luftfahrtindustrie bis hin zum Maschinenbau, der Möbelherstellung und anderen Bereichen.

Die von Sarissa angebotene Lösung ist ein auf Ultraschall basierendes Werkerführungssystem, das es ermöglicht, 3D-Positionen ohne zusätzliche Längen- und Winkelmesssysteme zu bestimmen. Herzstück des Systems ist ein neu entwickelter xyz-Koordinatensensor, der seine Daten über Ethernet an einen Box-PC sendet, der wiederum die Koordinaten an eine PLC weiterleitet. Mehrere Sender – die am Handgelenk eines Arbeiters, eines Schraubendrehers oder eines beliebigen Werkzeugs befestigt werden können – übertragen ihre Ultraschallsignale an die Arbeitsumgebung. Aus der Laufzeit der Signale berechnet die Empfängereinheit dann die genaue Position jedes einzelnen Senders. Die Leistung und Präzision übertrifft die herkömmliche Wegmesstechnik bei Weitem, wie sie beispielsweise bei Parksensoren von Autos zum Einsatz kommt. Das System ist in der Lage, den entsprechenden Sender zu identifizieren und zu lokalisieren und seine Position millimetergenau zu bestimmen. Mit einer Genauigkeit von ± 1 Millimeter können die räumlichen Koordinaten der Sender in Echtzeit erfasst und verarbeitet oder übertragen werden.

Herausforderung Integration

Um Kunden mit bereits bestehenden Werkerführungssystemen – insbesondere in der Automobilindustrie – anzusprechen, suchte Sarissa nach einem Weg, sein Lokalisierungssystem auch als getrennten Baustein für die Integration anzubieten. Die Herausforderung bestand darin, das Positionserkennungssystem an mehr oder weniger beliebige Systeme anzubinden, sowohl an PC- als auch SPS-basierte Systeme.

Durch Versuche mit TCP/IP oder auch Modbus-TCP als Kommunikationssystem sowie Funktionsblöcken für unter anderem das Siemens-SPS-TIA-Portal tastete sich Sarissa an eine mögliche Lösung heran und kam zu verschiedenen Erkenntnissen. Für die Anbindung an PC-basierte Systeme eignet sich Ethernet mit TCP-IP ausnehmend gut, da hiermit auch umfangreiche Datenströme einfach und schnell übertragen werden können. Auf der Gegenseite kommen leistungsfähige Rechner zum Einsatz, die die Daten schnell und genau verarbeiten können. Hierbei zeigen die verwendeten höheren Programmiersprachen (C, C++, C#) durch die einfache und sichere Programmierung der Datenverarbeitung ihre Vorteile.

Bei der Anbindung an SPS-basierte Systeme sind der Einsatz von TCP-IP und die Datenverarbeitung auf der SPS aber nicht die ideale Lösung. Hinzu kommt, dass SPS-Systeme in der Regel zur zyklischen Abarbeitung von Prozessen mit Ein-/Ausgabe und teils auch Antrieben ausgelegt sind, jedoch bei Weitem nicht ideal sind zur Verarbeitung von umfangreichen Datenströmen, wie Echtzeit-Koordinatenwerten.

Die Koordinatenverarbeitung in klassischen SPS-Programmiersprachen ist sehr komplex, und für viele SPS-Programmierer bedeutet die Berechnung von Koordinatenräumen »Neuland«. Funktionsblöcke vereinfachen die Programmierarbeit zwar, können aber unerwünschte Auswirkungen auf die Performance der Gesamtlösung haben, da die maximal tolerierbare Verzögerung für den Anwender und damit die maximal verfügbare Zykluszeit weniger als 125 Millisekunden beträgt. Dies ist mit herkömmlichen SPS-Systemen oft nicht erreichbar. Darüber hinaus sinkt die Akzeptanz des Gesamtsystems durch die betroffenen Mitarbeiter sehr schnell, wenn es – bedingt durch suboptimale Programmierung – zu falschen Daten oder Verzögerungen in der Benutzerführung kommt.

Sarissa kam zu dem Schluss, dass es am sinnvollsten wäre, die Vorverarbeitung der Positionsdaten auf einem Box-PC durchzuführen und nur die daraus abgeleiteten Daten zur Weiterverarbeitung an das Werkerführungssystem des Kunden zu senden.

Einfache Netzwerkanbindung

Da sich Sarissa bezüglich des Protokolls nicht einschränken wollte, suchte das Unternehmen nach einer PC-Schnittstellenkarte, die – möglichst bei identischem Kartentyp und einheitlichem Treiber – dem Box-PC den Zugriff auf alle kundeneigenen Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme erlaubt. Die Wahl von Sarissa fiel auf das universelle Multi-Protokoll-PC-Interface Ixxat INpact. Die Ixxat INpact, die auf der bewährten Anybus-CompactCom-Technologie basiert, kommt immer dann zum Einsatz, wenn ein Industrie-PC oder ein Embedded-System mit Industrial-Ethernet- oder Feldbus-Netzwerken verbunden werden soll.

Der effiziente FPGA-basierte Anybus-NP40- Netzwerkprozessor enthält alle Funktionen, um die Kommunikation zwischen einem Industrial-Ethernet- oder Feldbus-Netzwerk und der PC-seitigen Kundenapplikation abzuwickeln. Der Multi-Netzwerk-Ansatz der NP40-basierten INpact ermöglicht die einfache Anbindung von PC-basierten oder Embedded-Slave-Anwendungen an EtherNet/IP, EtherCAT, Powerlink, Modbus TCP, Profinet IRT, Profinet IRT Fiber Optic und Profibus. Der Anybus-NP40-Netzwerkprozessor bietet eine hohe Performance, was die Ixxat INpact – mit ihrer geringen Latenzzeit und dem deterministischen Echtzeitverhalten – zur idealen Wahl für anspruchsvolle Industrieanwendungen macht.

Während die dedizierten Kartenversionen mit einem vorinstallierten Netzwerkprotokoll ausgestattet sind, besteht bei der ebenfalls verfügbaren Common-Ethernet-Variante für den Anwender die Möglichkeit, das gewünschte Protokoll selbst zu flashen. Damit ist ein einfacher Wechsel zwischen den verfügbaren Industrial-Ethernet-Protokollen möglich.

Die Karten sind in drei verschiedenen Varianten für die standardisierten Schnittstellen PCIe (Standard- oder Low-Profile-Slotblech), PCIe Mini und der besonders kompakten M.2 2260 (Key B-M) erhältlich, die in den meisten Industrie-PCs verfügbar sind. Während die PCIe-Varianten der Ixxat INpact eine integrierte Busanbindung haben, basieren die PCIe-Mini- und M.2-Varianten auf einem modularen Konzept, bestehend aus der INpact-Interface-Karte, einer Busanbindung sowie einem Kabel für die Verbindung der beiden Komponenten.

Die Anbindung an das Industrial-Ethernet erfolgt über zwei RJ45-Ethernet-Schnittstellen (10/100 Megabit), die je nach Protokoll auch die geforderten spezifischen Switch-Funktionen unterstützen – wie IRT bei Profinet, DLR bei EtherNet/IP oder Hub bei Powerlink. Für Profinet IRT FO (nur PCIe- und PCIe-Mini-Variante) und Profibus stehen Busanbindungen mit Sub-D9- und SC-RJ-Anschlüssen zur Verfügung. Alle Busanbindungen sind galvanisch getrennt ausgeführt, was einen wirksamen Schutz vor EMV-Störungen und Überspannung bietet.

Im Lieferumfang der Ixxat INpact befindet sich ein umfangreiches Treiberpaket für Windows und Linux. Eine Unterstützung für Echtzeitbetriebssysteme wie RTX, Intime, VxWorks und QNX ist auf Anfrage verfügbar. Die transparente, einheitliche C-Programmierschnittstelle ermöglicht eine einfache Entwicklung von kundenspezifischen Anwendungen – unabhängig von der verwendeten Karte und dem eingesetzten Netzwerkprotokoll. Die Ixxat INpact war für Sarissa somit die ideale Schnittstellenlösung. Lediglich eine .NET-Programmierschnittstelle fehlte, da die Verwendung der vorhandenen HMS-C-API für Sarissa einen höheren Programmieraufwand bedeutet hätte. Aber auch hier konnte das Ixxat-Team helfen. In Zusammenarbeit mit Sarissa wurde innerhalb nur weniger Wochen ein erster .NET-Treiber für die Ixxat INpact zur Verfügung gestellt, mit dem Sarissa die Anforderungen seiner Kunden vollständig abdecken kann. Dank der Ixxat INpact und des zugehörigen Treibers können die umfangreichen Koordinaten nun direkt im Box-PC in ein einfaches Prozessbild umgewandelt werden – dazu gehören insbesondere gesicherte Maskenwerte (Sensor in Position / innerhalb oder außerhalb des definierten Raumbereichs). Durch die lokale Echtzeitverarbeitung werden die Daten entprellt, wodurch die Stabilität der Daten erhöht und das Prozessabbild beschleunigt wird und für den Anwender oder SPS-Programmierer die Daten einfacher zu nutzen sind.

Mission erfüllt

Durch den Einsatz der Ixxat INpact konnte sich Sarissa ganz auf seine Kernkompetenz, die Erfassung und Vorverarbeitung von Koordinaten, konzentrieren. Die Anbindung an die Feldbuswelt wird durch Ixxat INpact enorm vereinfacht, da die Umwandlung komplexer Koordinaten in ein einfaches Prozessabbild im Treiber erfolgen kann. Neben der engen Zusammenarbeit beim Aufbau der .NET-Verbindung unterstützte das Ixxat-Team Sarissa auch bei der Zertifizierung der PositionBox mit Profinet IRT. Mit der PositionBox bietet Sarissa nun eine leistungsfähige und professionelle Koordinatenerfassungslösung mit direkter Anbindung an SPS-basierte Systeme auch über Profinet und EtherCAT an.

Infobox

Know-how

Das Local Positioning System von Sarissa kann:

Mehrere Prozesse gleichzeitig überwachen: Während ein Arbeiter mit einem Handsender dabei überwacht wird, wie er Teile aus einem Regal entnimmt, überwacht und protokolliert das System die korrekte Reihenfolge und das richtige Drehmoment jeder einzelnen Schraubverbindung, die ein anderer Arbeiter mit einem überwachten Schraubwerkzeug herstellt.

Vorgänge protokollieren: Während ein Arbeiter durch eine Montagefolge geführt wird, werden die Prozessdaten mit den entsprechenden Positionsdaten kombiniert und diese gemeinsam protokolliert.

Auf Vollständigkeit überprüfen: Das System prüft beispielsweise, ob alle notwendigen Kunststoffschutzkappen an einem Geschirrkorb befestigt werden.

Bewegungen erfassen: Das Local Positioning System ist eine ideale Lösung zur Erfassung von Handbewegungen und kann etwa beim Auftragen von Primern oder Klebstoffen oder beim Verwenden eines Werkzeugs eingesetzt werden.

Erschienen in Ausgabe: 04/2019