Make or Buy?

Überlegungen bei der Realisierung einer Busschnittstelle

Die Anzahl der industriellen Kommunikationssysteme wächst weiter. Auch die Hoffnungen auf ein einheitliches Industrial-Ethernet-Protokoll haben sich nicht erfüllt. Anwender haben die Qual der Wahl. Gerätehersteller müssen, um ihre Geräte erfolgreich zu vermarkten, möglichst viele industrielle Netzwerke unterstützen. Für die Realisierung der Busschnittstelle bietet sich entweder eine Eigenentwicklung (Make) oder der Zukauf einer fertigen Komplettlösung (Buy) an

Um heutige Kundenanforderungen in der Fertigungstechnik abzudecken, ist für ein Feldgerät zumindest die Anschlussmöglichkeit an Profibus-DP, DeviceNet, Interbus-S und CANopen erforderlich.
In der Prozessautomatisierung wird dagegen neben HART auch die Möglichkeit zur Anbindung an Profibus-PA und Foundation Fieldbus erwartet. Da sich abzeichnet, dass Industrial Ethernet die heutigen Feldbusse zumindest mittelfristig nicht verdrängt, sondern vielmehr als zusätzliche Vernetzungsmöglichkeit angesehen wird, sind die Gerätehersteller gezwungen, auch Kommunikationsschnittstellen zu Profinet, EtherNet/IP und Modbus-TCP vorzusehen. Bei der Realisierung der Geräteschnittstelle sollte daher von vornherein ein großes Gewicht auf eine möglichst universelle Lösung gelegt werden. Je nach individueller Ausgangssituation gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. Eine Hilfestellung für den Entscheidungsprozess ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Kriterium Busanschluss: Eigenentwicklung Busanschluss: intern mit Anybus-Modulen Busanschluss: extern mit Konverter
Time-to-Market lang mittel kurz
Zusatzaufwand für jede weitere Bus-variante hoch gering kein
Entwicklungsaufwand Software groß gering kein
Entwicklungsaufwand Hardware groß gering kein
Hardwarekosten gering mittel hoch
Benötigtes Feldbus-Know-how viel gering gering
Aufwand bei Update eines Feldbussystems hoch gering gering
Zertifizierungskosten 100% 50% 0
Optimiert für Stück-zahl pro Jahr > 10.000 je unter- stützte Bus-variante < 10.000 oder bei mehreren Bus-varianten < 100 oder für alle älteren Geräte

Externer Busanschluss
Anybus CommunicatorBei der Neuentwicklung eines Gerätes ist eine im Gerätegehäuse selbst realisierte (interne) Busschnittstelle empfehlenswert. Nur für ältere Geräte, die getreu der Devise „never touch a running System“ nicht mehr weiterentwickelt werden, ist der Einsatz eines externen Protokollkonverters, wie beispielsweise des Anybus Communicators von HMS sinnvoll. Protokollkonverter werden typischerweise über eine vorhandene serielle RS-232/422/485-Schnittstelle angeschlossen und setzen das spezifische Protokoll dieser Schnittstelle auf den jeweils benötigten Feldbus um. Moderne Protokollkonverter können mit einem Konfigurator an das serielle Protokoll des Feldgerätes angepasst werden, so dass die Hardware und Software des Feldgerätes nicht verändert werden muss. Bei der Auswahl eines Konverters ist darauf zu achten, dass funktionskompatible Varianten für verschiedene Busse zur Verfügung stehen. Unter Kostengesichtspunkten ist der externe Busanschluss nur für ältere Geräte oder kleine Stückzahlen (< 100 p.a.) sinnvoll. Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Lösung kann jedoch deutlich verbessert werden, wenn die Feldgeräte eine multi-drop-fähige RS-485-Schnittstelle bieten. In diesem Fall teilen sich mehrere Feldgeräte einen Protokollkonverter und die Zusatzkosten für den Protokollkonverter können anteilig auf die Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte umgelegt werden.

Eigenentwicklung der Busschnittstelle
Für die Eigenentwicklung einer internen Feldbusschnittstelle kann der Gerätehersteller bei nahezu allen Systemen auf vorgefertigte Technologiekomponenten (Protokollsoftware, Protokollchips) zurückgreifen. Glücklicherweise braucht heute niemand mehr alle zigtausend Festlegungen einer Busnorm in eigene Programme umzusetzen. Zum richtigen Gelingen bedarf es dennoch vieler Dinge:

  • Gute Kenntnisse über analoge und digitale Schaltungstechnik
  • Detailwissen über das jeweilige Feldbussystem
  • Entwicklungsumgebung mit dem jeweils erforderlichen Compiler und Debugger
  • Erfahrung über die richtige Ausführung der Potenzialtrennung und Schirmableitung
  • Geeignete Protokollsoftware und zugehörige Protokollchips
  • Protokollmonitor und Bustester
  • Feldbus-Master als Kommunikationspartner
  • Software für Konformitätstests
  • Projektierungstool
  • Editor für die Erstellung der Gerätebeschreibungsdateien

Sind diese Voraussetzungen gegeben, kann das eigentliche Entwicklungsprojekt durchgeführt werden. Erfahrungsgemäß beträgt die Entwicklungszeit je nach Komplexität des zu realisierenden Bussystems etwa 3 bis 6 Monate. Nach Abschluss der eigentlichen Entwicklungsarbeiten ist noch die Durchführung der CE- und UL-Prüfung sowie der Feldbus-Konformitätstest bei einem akkreditieren Prüflabor erforderlich. Wichtig zu wissen ist, dass diese Aufwendungen für jeden zu unterstützenden Feldbus separat – also nicht nur einmal, sondern mehrfach - durchgeführt werden müssen.

Zukauf einer Komplettlösung
Als Alternative zur Eigenentwicklung der Kommunikationsschnittstelle bietet sich der Kauf einer fertigen Komplettlösung (Buy) an. Das Angebot reicht von leistungsfähigen OEM-Kommunikationsmodulen (Anybus-S) für Geräte im oberen Leistungsbereich bis hin zu Single-Chip-Lösungen (Anybus-IC) für kompakte Geräte. Der Markt bietet hierzu ein breites Angebot. Vorteilhaft sind dabei Produkte von Anbietern, die eine möglichst breite Palette an Bussystemen unterstützen. Besonders interessant wird es, wenn es sich um eine komplette Familie von untereinander austauschbaren Komponenten handelt. Die Frage nach dem richtigen Busanschluss reduziert sich dann auf eine Bestückungsoption.

Anybus-Produkte im Überblick

Der Zukauf von fertigen Komplettlösungen hat den entscheidenden Vorteil, dass die Entwicklungsaufwendungen deutlich reduziert werden und von vornherein eine Lösung entsteht, die auf die Vielfalt der Bussysteme zugeschnitten ist. Diesen Vorteilen steht meistens ein höherer Preis für die Hardware gegenüber. Je nach Art und Umfang der Anforderungen an die Kommunikationsschnittstelle sollte zunächst immer untersucht werden, ob eine kostengünstige Single-Chip-Lösung in Frage kommt oder ob ein vollwertiges Kommunikationsmodul erforderlich ist.

Single-Chip-Lösungen
Anybus-ICSingle-Chip-Lösungen wie das Anybus-IC von HMS beinhalten alle analogen Bauteile (Optokoppler, DC/DC-Wandler, Tranceiver) sowie alle digitalen Komponenten, einschließlich Mikroprozessor mit Protokollsoftware, Flash und RAM Speicher, die für die Realisierung einer Busschnittstelle erforderlich sind. Sie sind besonders geeignet für einfache Geräte, die nicht die ganze Bandbreite der möglichen Dienste und Parameter ausnutzen, sondern sich auf die Kernfunktionen der jeweiligen Netzwerke beschränken. Je nach externer Beschaltung sind diese Chips sowohl für den Stand-alone-Betrieb in prozessorlosen Geräten oder auch in Kombination mit einem externen Mikroprozessor einsetzbar. Typische Anwendungen sind modulare und kompakte E/As, Drehgeber, Motorstarter, Ventile und Textanzeigen. Im Stand-alone-Betrieb kann eine begrenzte Anzahl digitaler E/A-Signale entweder direkt am Chip oder über externe Schieberegister ohne zusätzlichen Mikroprozessor angekoppelt werden. Single Chip Lösungen auf Basis des Anybus-IC stehen heute für Profibus-DP, DeviceNet und Industrial Ethernet zur Verfügung und sind für weitere Systeme wie CANopen und Lonworks in Entwicklung. Kommt eine Single-Chip-Variante zum Einsatz, reduziert sich die Entwicklung auf das Layout der Leiterplatte, die Ankopplung der E/A-Signale an die Leistungselektronik und die mechanische Gestaltung des Busanschlusses am Gerätegehäuse. Der Gerätehersteller braucht keine zusätzliche Protokollsoftware mehr integrieren und wird auch von den Details des analogen Schaltungsdesigns rund um die Potenzialtrennung und die Bus-Tranceiver entlastet.

Einsatz eines Kommunikationsmoduls
Profibus-Anschaltung Anybus-SHandelt es sich um ein komplexeres Gerät mit hohen Anforderungen bezüglich der zu übertragenden Datenmenge und dem erwarteten Datendurchsatz, empfiehlt sich der Einsatz eines Anybus-S-Kommunikationsmoduls. Typische Anwendungen sind Frequenzumrichter oder Schweißsteuerungen. Die Anybus-Module sind als kleine Aufsteckmodule im Kreditkartenformat realisiert. Die Ankoppelung an den Mikroprozessor des Feldgerätes erfolgt über ein auf dem Modul vorhandenes Dual-Port-RAM. Auf dem Modul ist ein eigener Mikroprozessor mit Flash und RAM untergebracht, der die Abarbeitung der Protokollsoftware übernimmt. Der Prozessor des Feldgerätes wird dadurch vollständig von der Protokollbearbeitung entlastet und der Gerätehersteller braucht sich nicht um die Details der jeweiligen Busprotokolle kümmern. Das Modul beinhaltet typischerweise auch die Potenzialtrennung mit Optokoppler und DC/DC-Wandler sowie die Bus-Tranceiver, Adresswahlschalter, Busabschluss und Status-LEDs bis hin zum für den jeweiligen Feldbus vorgesehenen Stecker. Der wichtigste Pluspunkt der Kommunikationsmodule gegenüber einer individuellen Lösung ist die standardisierte Hardware- und Software-Schnittstelle zum Applikationsprozessor, durch die eine Austauschbarkeit der Module untereinander – und damit der einfache Wechsel von einem Bus zum anderen - erst möglich wird.

Das Update-Problem
Die industrielle Kommunikationstechnik ist durch ein sehr großes Innovationstempo charakterisiert. Kaum ein Monat vergeht, ohne dass eine der Feldbusorganisationen technische Erweiterungen und neue Varianten des jeweiligen Systems vorstellt. Natürlich wollen Anwender diese neuen Funktionen auch nutzen und so sind die Gerätehersteller zu einem kontinuierlichen Weiterentwicklung ihrer Feldgeräte gezwungen. Fein raus sind Gerätehersteller, die ihre Busschnittstellen extern zukaufen, denn hier müssen sich Technologielieferanten wie HMS um die Updates kümmern.
Alle Hersteller, die ihre Busschnittstellen selbst entwickeln, sollten von vornherein jährliche Anpassungen und Updates einkalkulieren.

Zertifizierung und Konformitätstest
Anwender setzen heute fast ausnahmslos zertifizierte Feldgeräte ein. Für den Hersteller bedeutet dies, dass er nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten sein Gerät bei einem akkreditierten Prüflabor einem kostenpflichtigen Konformitäts- und Interoperabilitätstest unterziehen muss. Die Kosten richten sich überwiegend nach Art und Komplexität des jeweiligen Gerätes und betragen typischerweise 2.500 bis 4.000 Euro. Nicht alle Feldbusorganisationen haben Prüflabors in Deutschland. In diesen Fällen ist für den Konformitätstest ein mehrtägiger Auslandsaufenthalt erforderlich, der die Kosten schnell auf 5-stellige Beträge anwachsen lässt. Hat der Gerätehersteller anstelle einer Eigenentwicklung vorzertifizierte Komplettlösungen eingesetzt, profitiert er bei der Zertifizierung durch einen Kostenvorteil von bis zu 50%.

Fazit
Angesichts der Vielfalt der industriellen Kommunikationssysteme sollten sich Gerätehersteller die Entscheidung über die jeweilige Realisierungsmethode gut überlegen. Nicht immer ist eine Eigenentwicklung die kostengünstigste Variante, denn die reinen Bauelementekosten sind nur die Spitze des Eisbergs.