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Schnell und einfach zur Profinet-Schnittstelle

01 Der Profinet-Device-Chip TPS-1 reduziert den Implementierungsaufwand einer Profinet-Schnittstelle

01 Der Profinet-Device-Chip TPS-1 reduziert den Implementierungsaufwand einer Profinet-Schnittstelle

02 Mit dem TPS-1-Evaluierungsboard lässt sich die Profinet-Kommunikation testen

02 Mit dem TPS-1-Evaluierungsboard lässt sich die Profinet-Kommunikation testen

03 Darstellung des inneren Aufbaus und der Anschlussmöglichkeiten des TPS-1

03 Darstellung des inneren Aufbaus und der Anschlussmöglichkeiten des TPS-1

Der Profinet-Device-Chip TPS-1 ist für den universellen Einsatz konzipiert worden – von Profinet-Geräten mit einfachen IO-Funktionen über modulare Komponenten bis zur Verwendung im Bereich der Antriebstechnik. Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme, platzsparenden Bauform und des reduzierten Softwareansatzes eignet sich der Baustein insbesondere für Entwicklungen in kleinen geschlossenen Gehäusen mit einer einfachen Softwareintegration. Mit der aktuellen Version 1.5 profitieren Gerätehersteller von neuen Funktionen.
Hersteller möchten ihre Geräte problemlos, kostengünstig und schnell mit einer Schnittstellenfunktionalität ausrüsten. Diesem Anspruch werden Phoenix Contact und Siemens mit ihrem gemeinschaftlich entwickelten Profinet-Device-Chip TPS-1 gerecht. So stellen sie mit ihm eine leicht einzubauende sowie bezahlbare Anschlusskomponente für eine solche Implementierung zur Verfügung. Die Interoperabilität und Konformität des Bausteins zur aktuellen Profinet-Spezifikation wird durch eine kontinuierliche Weiterentwicklung sichergestellt. Derzeit ist die Version 1.5 erhältlich. Der TPS-1 unterstützt alle Anforderungen des IRT-Konzepts (Isochronous Real Time). Spezielle am IO-Device-Chip verfügbare Signale zur Synchronisation der Applikation vereinfachen die Umsetzung taktsynchroner Anwendungen (Bild 1).
Der Baustein deckt die Profinet-Conformance-Classes A, B und C ab und erfüllt zudem die Netload Class III, sodass er für sämtliche Profinet-Applikationen genutzt werden kann. Die hoch integrierte Single-Chip-Lösung umfasst zwei Ethernet-Schnittstellen inklusive eingebauter Leistungstreiber (PHY). Mit einer Leistungsaufnahme von rund 800 mW bietet sich der TPS-1 besonders für thermisch kritische Umgebungen an. Das Asic wird in einem FBGA (Fine-Pitch Ball Grid Array) mit 196 Pins und einer Abmessung von 15 mm × 15 mm geliefert. Die Anschlüsse für die Spannungsversorgung liegen zentriert und erlauben somit einen zusätzlichen Wärmetransport zur Leiterplatte.
Hilfestellung durch Development Toolkit und Programme
Der TPS-1 ermöglicht eine Vielzahl von Einsatzvarianten. Beispielsweise kann eine Applikations-CPU angekoppelt oder Ein-/Ausgabesignale direkt ohne Applikations-CPU angeschlossen werden. Die Konfiguration der verschiedenen Betriebsarten erfolgt über ein windowsbasiertes Programm. In der Fertigung verwendet der Anwender ein spezielles Programm, das aus der Dos-Box aufgerufen wird.
Zur Unterstützung der TPS-1-Funktionen gibt es seit der Markteinführung des Bausteins ein TPS-Development-Toolkit, welches jetzt ebenfalls in der Version 1.5 vorliegt. Das Toolkit wird gemäß den Anforderungen weiterentwickelt und ist immer rückwärts kompatibel zu den älteren Versionen. Die Implementierung weiterer Funktionen oder Adaption an eine neue Profinet-Spezifikation wirkt sich nicht auf bestehende Anwendungen aus. Das Development Toolkit enthält alle notwendigen Dokumentationen sowie Beispielprogramme, um unmittelbar mit einer Implementierung zu beginnen. Zum Einstieg stellt der Halbleiterhersteller Renesas zwei Evaluation Boards zur Verfügung. Die beigelegten Software-Beispielprogramme beinhalten eine einfache und eine komplexere Konfiguration, die die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten des TPS-1 darstellen. Beim Test und der Inbetriebnahme leistet das Programm Profinet Smart Control Hilfestellung. Mit einer leicht zu bedienenden Oberfläche lassen sich hier Verbindungen aufbauen sowie zyklische und azyklische Daten austauschen. Das Windows-Programm FW-Updater führt die Wartung und Aktualisierung der Firmware durch. Eine vorher vom Gerätehersteller individualisierte Firmware wird bei der Übertragung durch den TSP-1 auf Korrektheit geprüft und programmiert (Bild 2).
Aktuelle Eigenschaften und Funktionen
Die Trennung der Applikation von der Kommunikation entlastet diese vollständig von Ereignissen auf der Netzwerkseite. Auf diese Weise ergibt sich eine hohe Netzlastrobustheit. Der Baustein TPS-1 umfasst in der Version 1.5 folgende Funktionen:

  • Erweiterung des Umfangs der maximal übertragbaren zyklischen Daten auf 1 016 Byte,
  • zertifizierbar nach Spezifikation 2.34, Conformance Class A, B und C,
  • Shared Device,
  • Anpassung an die Sollkonfiguration,
  • Ziehen und Stecken von Modulen und Submodulen,
  • erweiterte Nutzung der Isochron-Signale,
  • konfigurierbares Ersatzwertverhalten in der IO- Betriebsart,
  • Anschluss von Kupfer- und faseroptischen Kommunikationsmedien,
  • Multiple API (Application Process Identifier) für die Realisierung von Profilen wie Profidrive,
  • bis zu 63 Slots/Sublots im Gerätemodell möglich,
  • Hardwarekonfiguration durch die Applikations-CPU durchführbar,
  • Firmware-Update des TPS-1 durch die Applikations-CPU umsetzbar,
  • hoch performante TCP/IP-Übertragung zur Applikations-CPU sowie
  • Unterstützung des remanenten Schreibens von I&M-Daten (Identification & Maintenance).

Bisher wird die Hardwarekonfiguration, wie Mac-Adressen, Name-Of-Station oder IP-Adressen, über eine der beiden Ethernet-Schnittstellen des TPS-1 weitergeleitet und gespeichert. In der Version 1.5 lassen sich diese Daten ebenfalls über das interne Interface (DPRAM) des Applikationsprozessors austauschen. So kann eine Aktualisierung der TPS-1-Firmware in ein bereits beim Anwender etabliertes Update-Verfahren eingefügt werden.
Vielfältige Unterstützung von Profilen und Betriebsarten
Zur Implementierung von Profilen, wie Profidrive oder IO-Link, ist ein zweiter API in den Baustein integriert. Mit dem Profidrive-Profil lässt sich eine Motion-Anwendung, beispielsweise der Applikationsklasse 4, einfach mit dem TPS-1 realisieren. Die notwendigen Synchronsignale werden direkt vom IO-Device-Chip geliefert. Die GSD-Datei (General Station Description) sorgt für das Timing der Signale.
Bislang wurde nur die Host-Betriebsart erwähnt. In dieser Anwendungsform verwendet die Applikation den TPS-1 als Profinet-Kommunikationsschnittstelle. Der Baustein beinhaltet darüber hinaus die IO-Betriebsart, die keine Applikations-CPU erfordert. Der TPS-1 kann vielmehr mit einer eigenen internen Applikation bis zu 48 GPIO (General Purpose Input/Output), also Ein- und Ausgänge sowie Diagnoseeingänge, ansteuern. Mit der IO-Betriebsart lässt sich folglich ein kostengünstiges IO-Gerät implementieren. Das benötigte Ersatzwertverhalten ist in der Gerätebeschreibung hinterlegt. Die GPIO werden über den TPS Configurator als Ein- oder Ausgang respektive Diagnoseeingang konfiguriert.
Eine andere Betriebsart stellt der Typ des Übertragungsmediums dar. Am IO-Device-Chip kann die Kommunikation sowohl über kupferbasierte (zum Beispiel RJ45) als auch faseroptische Medien erfolgen. Bei einem gemischten Betrieb ist ebenso ein Medienkonverter umsetzbar (Bild 3).
Sichere Verhinderung von Firmware-Updates
Mit der Softwareversion 1.5 lässt sich nun ein Firmware-Update durch die Applikations-CPU verhindern. Damit wird der erhöhten Anforderung und dem Wunsch vieler Anwender nach einem sicheren Betrieb der Geräte entsprochen. Der TPS-1 unterstützt das Update der Firmware und der Konfiguration durch die Applikations-CPU über die DPRAM-Schnittstelle. In diesem Fall wird beispielsweise eine neue Firmware an die Applikations-CPU geschickt, die dann eigene Sicherheitsmaßnahmen einfügen kann. Die neue Firmware lässt sich auch segmentiert weiterleiten, denn oftmals verfügt die Applikations-CPU nicht über genügend Speicher (RAM, Flash), um ein TPS-Stack-Image zwischenzulagern. In diesem Fall kann die Firmware in einzelnen Teilen von variabler Größe übertragen werden. Zum sicheren Betrieb des Geräts bietet der TPS-1 eine Watchdog-Überwachung der angeschlossenen Applikations-CPU an. Zum umfassenden Test dieser Funktion löst die Applikations-CPU ein Watchdog-Ereignis aus.
In der Version 1.5 steht der Status der direkt an den Baustein angekoppelten LED (Link Ports, RDY, MT, SF und BF) jetzt ebenfalls der Applikations-CPU zur Verfügung. So lassen sich die Informationen auf dem Gerätedisplay anzeigen. Mit der aktuellen Profinet-Version muss das Gerät die I&M1-, I&M2-, I&M3- und I&M4-Daten – sofern sie von ihm unterstützt werden – remanent speichern. Für derartige Zwecke umfasst der Baustein einen 4 kB großen Bereich im TPS-1-Flash.
Fazit
Profinet hat sich schon heute als Kommunikationsstandard in der Fabrikautomation etabliert und wird hier weiter an Bedeutung gewinnen. Deshalb fordern viele Gerätehersteller die schnelle Verfügbarkeit einer entsprechenden Schnittstelle. Mit dem Profinet-Device-Chip TPS-1 lassen sich sowohl einfache als auch komplexe Geräte realisieren. Durch die Trennung der Applikation von der Kommunikation kann sich der Gerätehersteller auf sein Anwendungs-Know-how konzentrieren, ohne sich intensiv um die Datenübertragung kümmern zu müssen. (ih)

Dipl.-Ing. Andreas Grüne ist im Bereich Research & Development Profinet bei der Phoenix Contact Software GmbH in Lemgo tätig. agruene@phoenixcontact.com

Dipl.-Ing. Andreas Grüne ist im Bereich Research & Development Profinet bei der Phoenix Contact Software GmbH in Lemgo tätig. agruene@phoenixcontact.com