Der Trend ist unumkehrbar: Die Automatisierung wird zunehmend von der Nutzung der aus dem Office-Bereich bekannten IT-Technologien bestimmt. Schon heute setzen sich ethernetbasierte Systeme oftmals gegenüber den bewährten Feldbussen durch. Das liegt zum einen daran, dass die Anforderungen an die Performance der Netzwerke stetig steigen; zum anderen werden die Prozessund Parameterdaten der Feldebene immer häufiger in überlagerten Systemen verwendet.

Im Zuge dieser Entwicklung steigen die Ansprüche an die Automatisierungskomponenten - unter anderem an die eingesetzten I/O-Systeme, die entsprechende Daten generieren und ausgeben. Kommunizieren diese mit Ethernet-Protokollen wie Profinet, lassen sich größere Datenmengen einfacher verteilen und weiter verarbeiten. Im Vergleich zu den feldbusbasierten Lösungen empfindet jedoch so mancher Anwender die Bedienung solcher „Ethernet"- I/Os als zu schwierig. Dies liegt unter anderem am deutlich höheren Software- Anteil. Zudem ist das angeeignete Feldbus- Wissen nur noch teilweise verwendbar. Als Beispiel sei die IP-Adressvergabe genannt, die im Vergleich mit DIP-Schaltern als kompliziert angesehen wird.

Die Übertragungsgeschwindigkeit von Ethernet zieht in der praktischen Anwendung zudem hohe Anforderungen an das elektromechanische Design der High- Speed-I/Os nach sich. Bisherige „Echtzeit"- Lösungen vertrauen hier auf die gleiche Elektromechanik, die für feldbusbasierte I/Os konzipiert wurde. Müssen die Daten mit 100 MBit/s weitergeleitet werden, erweist sich diese Elektromechanik jedoch aufgrund ihrer ungeschirmten Kontakte zur Datenübertragung innerhalb des I/O-Systems als ungeeignet. Ferner sind die Leiterbahnen nicht an den Wellenwiderstand angepasst. Hinzu kommt, dass die Elektromagnetische Verträglichkeit bei Übertragungsraten von 100 MBit und mehr Probleme bereitet, da in diesem Bereich bisher unbekannte Hochfrequenzeffekte auftreten.

Das kann zu Reflexionen der Datensignale aufgrund fehlender oder nicht ausreichender Anpassung an den Wellenwiderstand der genutzten Signalleitungen führen. Sollen die einschlägigen Industrie-Zertifizierungen und Approbationen eingehalten werden, lassen sich solche Hochfrequenzeffekte nur durch Anpassung von Wellenwiderständen - etwa durch den Einsatz einer impedanzkontrollierten Leitungsführung sowie durch eine konsequente Schirmung der einzelnen Signale an jeder Stelle des I/O-Systems - beherrschen.

Primäres Ziel: Reduzierung der Komplexität

Für einen Hersteller wie Phoenix Contact stellt sich also die Frage, wie sich die technisch anspruchsvollen, innerhalb des I/O-Systems zu lösenden Herausforderungen für den Anwender einfach handhabbar umsetzen lassen.

Als Lösungsansatz beziehungsweise Ausgangsbasis bot sich die seit Jahrzehnten bewährte Reihenklemme an. Selbst wenn sie nicht über einen Ethernet-Anschluss verfügt, vereint die Reihenklemme alle Eigenschaften, die für eine höhere Performance des I/O-Systems nötig sind:

• Sie transportiert die Daten innerhalb weniger Mikrosekunden, also ohne Zeitverlust und damit in Echtzeit, über die angeschlossenen Kabel. Die Datengeschwindigkeit wird damit ausschließlich von der physikalischen Laufzeit sowie der jeweiligen Kabellänge bestimmt.
• Die Reihenklemme ist zudem robust und einfach handhabbar.

Mit Ethernet in die Reihenklemme: Axioline bietet eine einfache Realtime-Kommunikation.

© Phoenix Contact

Kurzum: Es galt, die vielen Vorteile von Industrial Ethernet und der Reihenklemme in einem neuen, zukunftsfähigen High-Speed-I/O-System zu kombinieren. Das Resultat der Entwicklung ist Axioline, ein Realtime-I/O-System mit Direktanschlusstechnik, bei dem Daten mit einer Verzögerungszeit von nur einer Mikrosekunde pro I/O-Modul übertragen werden.

Der eigens hierfür entwickelte interne Systembus - genannt Axiobus - ermöglicht eine schnellere und effizientere Kommunikation, als dies mit Ethernet machbar ist. So beträgt die Update-Zeit bei 256 I/Os lediglich 6 μs und bei 1024 I/Os nur 13 μs.

Der Axiobus synchronisiert sich dabei auf die am Buskoppler angeschlossenen Ethernet-Protokolle auf, da mit der hohen Übertragungsgeschwindigkeit oftmals auch hohe Anforderungen an die Synchronität der Applikation einhergehen.

Technologische Schlüsselelemente der Lösung sind die Bussockelmodule - sie kommen ohne jegliche Elektronik aus! Ihre hochfrequenzoptimierte Ausprägung - beispielsweise in Form der geschirmten Vielpol-Stecker - bildet die Grundlage für den schnellen Bus und damit für das Realtime- I/O-System. Der Aufbau des internen Systembusses mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen reduziert nicht nur die Komplexität innerhalb des Systems, sondern sorgt auch für die hohe Geschwindigkeit von 100 MBit/s.

Um die synchrone Ausgabe der Daten sicherzustellen, verfügen die Realtime-I/Os und der Axiobus über parametrierfähige Mechanismen. „Software- Schalter" in der Parametrier-Software ermöglichen - falls erforderlich - die Synchronität auf allen Ebenen, also vom Ethernet zum Buskoppler, vom Buskoppler zum Axiobus sowie der Ausgänge zueinander. Der Systembus ist außerdem so ausgelegt, dass er zukünftige Anforderungen anderer Applikationen und industrieller Bereiche ohne großen Aufwand umsetzen kann.

Hierzu zählen zum Beispiel Redundanz, also die doppelte Verwendung von Buskopplern und Modulen, oder Hot-Swapping von I/Os, worunter der Tausch eines fehlerhaften Moduls ohne Unterbrechung des Datenaustausches der anderen Module zu verstehen ist. Das Bus-Protokoll ist bereits für diese Anforderungen vorbereitet, sodass sich die jeweilige Funktion einfach hinzufügen lässt.

Fokus auf die internen Laufzeiten

Im Vergleich zu den Feldbus-Systemen können die aktuell am Markt erhältlichen Ethernet-Protokolle per Definition größere Datenmengen verarbeiten. Da deren Wandlung im Buskoppler mittlerweile den überwiegenden Teil der gesamten Reaktionszeit beansprucht, sollten Realtime- I/O-Systeme diesen Zeitraum nicht nur möglichst kurz halten, sondern am besten auf Null minimieren.

Das Realtime- I/O erfüllt bereits heute die strenge Grenzkurve hinsichtlich der EMVAbstrahlung für den Einsatz in Wohngebäuden.

© Phoenix Contact

Die eigentliche Herausforderung besteht hier jedoch darin, dass die Realisierung der hohen Geschwindigkeitsanforderung nicht zu Lasten der Offenheit für alle Ethernet-Mechanismen und -Protokolle geht. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund relevant, dass viele Anwender die Realtime- I/Os an verschiedenen Ethernet-Standards betreiben wollen und dies herstellerseitig möglichst mit der gleichen Hardware geschehen soll. Beides wurde durch die Implementierung der Firmware in Hardware - also mit einem FPGA - erreicht.

Müssen die internen Laufzeiten einer I/O-Station nicht mehr berechnet werden, da sie stets kürzer als jedes überlagerte Ethernet- oder Feldbus-Protokoll sind, spart der Anwender bei der Projektierung des Gesamtsystems Zeit ein. Es spielt dann letztlich keine Rolle mehr, ob die Daten beispielsweise 5 μs oder 8 μs auf ihrem Weg durch die I/O-Station benötigen.

Die Geschwindigkeit des Gesamtsystems wird allein durch den überlagerten Bus sowie die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Steuerung bestimmt. Dies trägt zur weiteren Reduzierung der Komplexität bei, die durch die Ethernet-Kommunikation Einzug in die Automatisierung gehalten hat, und bringt zudem die Vorteile von Ethernet hinsichtlich der I/Os zur Geltung. Der Buskoppler arbeitet in „Nullzeit", das heißt, seine Datentransferrate liegt im Nanosekunden- Bereich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass seine Firmware in Hardware codiert wurde.

Autor: Frank Büssgen ist im Produktmarketing IP-20-I/O bei Phoenix Contact Electronics in Bad Pyrmont tätig.

Direktverdrahtung ohne Werkzeug

Die Axioline Push-In-Technologie (PIT).

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Die bei Axioline verwendete Push-In-Technologie (PIT) erlaubt eine werkzeuglose Direktverdrahtung von starren und vorkonfektionierten Leitern, was den Verdrahtungsaufwand erheblich senkt. Die Federkontur der PIT-Klemme reduziert zudem die Einsteckkräfte. Soll der Leiter entriegelt werden, reicht die einfache Betätigung des integrierten Tasters mit einem beliebigen spitzen Werkzeug aus.

Verdrahtungsfehler durch Fehlstecken des Leiters sind aufgrund der eindeutigen Identifizierung der PIT-Klemmstelle ausgeschlossen. Die vollisolierte Bedienung trägt zur weiteren Erhöhung der Sicherheit bei. Das PIT-Drückerelement trennt hier die innen liegenden Kontaktelemente über den Isolierwerkstoff vom Bedienwerkzeug, sodass ein sicherer Berührschutz gegeben ist.