Controllino nennt sich eine neue Steuerungs-Familie, mit der der Elektronik-Versender Conrad Business Supplies bei seiner Messe-Premiere auf der SPS IPC Drives im November vergangenen Jahres auf sich aufmerksam machte. Hierbei handelt es sich um ein neues Geräte-Konzept auf Basis der Open-Source-Plattform Arduino. Das heißt: Controllino basiert auf denselben Amtel-Prozessoren wie die Arduino-Familie und setzt auch vom schematischen Aufbau und den Schnittstellen auf diese Plattform, ist darüber hinaus aber von der österreichischen Firma SG-Tronic für industrielle Zwecke fit gemacht worden. Zu den Hauptfunktionen zählen etwa die direkte Prozessorverbindung mit 4000-V-ESD-Schutz an allen Anschlüssen, eine Reihe an Schnittstellen wie SPI, I²C, RS232, RS485 sowie eine integrierte Echtzeituhr, die sich ein- und ausschalten lässt. Ein USB-Anschluss an der Vorderseite ermöglicht eine einfache Programmierung.

Die Controllino-Familie umfasst derzeit drei verschiedene Modelle: Mini, Maxi und Mega. Die Mini-Version bietet verschiedene Ein- und Ausgänge (sechs Relais-Ausgänge, acht Analog-/Digital-Eingänge und acht Digital-­Ausgänge) im kompakten Gehäuse (94,5 mm × 59,4 mm × 36 mm). Das Maxi-Modul bietet mehr Flexibilität (10 Relais-Ausgänge, 12 Analog-/Digital-Eingänge und 12 Digital-Ausgänge) sowie einen Ethernet-Anschluss und eine zweite RS232-Schnittstelle. Die höchste Spezifikation bietet das Mega-Modul, das Ströme bis zu 30 A hand­haben kann und 16 Relais-Ausgänge, 24 Analog-/Digital-Eingänge, 12 High-Side-Switch-Digital-Ausgänge und 12 weitere Halbbrücken-Digital-Ausgänge bietet.

Auf die Frage, welche Chancen Steuerungen auf Open-Source-Basis im ­Industrieumfeld abgesehen von Entwicklungsprojekten hätten, entgegnet Markus Obermeier, Produktmanager bei Conrad Business Supplies: "Die Con­trollino-Geräte lassen sich grundsätzlich für einfachste Schaltaufgaben bis hin zu komplexen und zeitkritischen Applikationen zum Beispiel in Anlagen der Lebensmittelindustrie einsetzen. Wir sehen hierbei keine Limits und es sind auch keine umfangreichen IT-Kenntnisse zum Umgang mit diesen Controllern notwendig. Die Verantwortung liegt aber immer bei dem, der die Anwendung umsetzt. Dieser sollte natürlich wissen, was er programmiert. Das heißt zum Beispiel: Ist eine Anwendung in einem sicherheitsrelevanten Umfeld, muss bei der Programmierung darauf geachtet werden, dass die entsprechend gültigen Normen eingehalten werden."

Die Initialzündung: Eine defekte Kaffee-Maschine

Hinter den Entwicklern der Controllino-Steuerungen steckt mit der Firma SG-Tronic ein kleiner 8-Mann-Betrieb aus Innsbruck, der seinen Schwerpunkt in der kundenspezifischen Elektronik-Entwicklung hat. Geschäftsführer Marco Riedesser erläutert, wie die Idee dazu entstand: "Ende 2013 war ich mit der Problematik konfrontiert, die kaputte, aber sehr teure Espressomaschine meines Schwagers zu reparieren. Dabei wurde mir schnell klar, dass eine neue, auf seine Wünsche zugeschnittene Elektronik zu designen, zu kostspielig würde. Durch eine Internetsuche kam ich damals erstmals mit der Arduino-Welt in Kontakt und erkannte schnell die Vorteile der Plattform. Zur Reparatur der Espressomaschine reichten damals ein Arduino-Board und drei Relais. Doch danach fragte ich mich selber: Wieso gibt es noch keine professionelle Steuerungslösung auf Arduino-Basis?"

Neu zur embedded world 2016 – Die Kommunikations-Erweiterungsmodule für Controllino: Die Module können nicht nur über die RS485-Schnittstelle, sondern auch über eine serielle Schnittstelle auf 3,3-/5-V-Niveau angeschlossen werden.

© SG-Tronic

Was dann folgte, war der Start einer Kickstarter-Kampagne über die SG-Tronic als professioneller Hardware- und Software-Entwickler schließlich die erste Controllino-Baureihe entwickelte, welche in Nürnberg erstmals auf dem Conrad-Stand zu sehen war. Doch was ist das Besondere an dieser neuen Steuerungsplattform? Die Antwort von Marco Riedesser: "Ein Arduino-Board ist im Grund ja nur ein Prozessor auf einer Platine mit gerade so vielen Bauteilen die ihn umgeben, damit er läuft und programmiert werden kann. Die Pins des Prozessors werden ungeschützt herausgeführt. Obwohl heute Prozessoren schon gut gegen ESD geschützt sind, reicht dies nicht für Anforderungen der industriellen Automatisierung. Gleiches gilt für Ein- und Ausgänge, die nur 5?V bei etwa 20 mA liefern. Anders bei den E/As der Controllino-Steuerung: Mit unseren PWM-fähigen digitalen Ausgängen steuern wir bis zu 2 A pro Kanal. Dies bedeutet dass wir bis zu 30?A über die einzelnen Kanäle an Aktoren liefern und somit in der Lage sind, passende DC-, Brushless- und Schrittmotoren direkt zu treiben."

Als weiteres Alleinstellungsmerkmal nennt Riedesser die Steckverbinder an der Oberseite: "Über diese hat man die Möglichkeit, wieder wie auf einem Arduino-Board auf 5-Volt-Niveau zu kontaktieren und sich damit mit der bekannten Elektronik-Welt der Displays, Sensoren, Funkmodule und so weiter zu verbinden." Nicht zuletzt sieht Riedesser in der IoT-Fähigkeit der Con­trollinos einen entscheidenden Vorteil gegenüber den am Markt vielfältig ­verfügbaren Kleinststeuerungen beziehungsweise intelligenten Steuerrelais: "Wenn heute ein Prototyp einer IoT-Anwendung entwickelt wird, dann doch mit den gängigen Open-Source-Plattformen und nicht auf einer herkömm­lichen Steuerung, die dazu gar nicht in der Lage ist." Nicht zuletzt biete die Controllino die größte Palette an Programmiermöglichkeiten - darunter IEC 61131, eine grafische Drag&drop-Oberfläche, ein Realtime Tool, ein 'old-school'-Kontaktplan-Tool sowie ein Labview-Plug-in.

Zu seinen Geschäftserwartungen mit der neuen Steuerungsplattform gefragt, gibt sich Riedesser optimistisch: "In Summe planen wir über unsere größer werdende Produktpalette etwa 50.000 bis 75.000 Einheiten für die nächsten zwei bis drei Jahre. Zu unseren industriellen Kunden zählen bereits VW, Audi, Sony, Dyson, Mattel und Cummins - um nur die bekanntesten zu nennen." Um dies auch vertrieblich sowie fertigungstechnisch stemmen zu können, wurde das Thema Controllino im Fe­bruar dieses Jahres aus der SG-Tronic in ein eigenes Unternehmen - die Controllino GmbH - ausgelagert.

Ebenfalls im Februar stellte SG-Tronic auf der Fachmesse embedded world in Nürnberg die ersten Erweiterungsmodule für die Controllino-Plattform vor - und zwar Kommunikationsmodule für Ethernet/IP, Devicenet, Profinet/Profinet, Ethercat, Modbus TCP, Modbus RTU, CC-Link und CANopen. Somit lassen sich die Steuerungen künftig in quasi jedes industrielle Umfeld und auch in größere Anlagen einbinden.

Programmieren nach IEC 61131-3

Wer Software für Controllino-CPUs entwickeln beziehungsweise diese Steuerungen programmieren möchte, kann dazu üblicherweise die auf C/C++ basierende Open-Source-Programmierumgebung ArduinoIDE heranziehen. Der quelloffene Compiler (avr-gcc) ­erlaubt zudem die lizenzfreie Erzeugung von Anwendercode, so dass auch Entwicklungen auf anderen Hostsystemen als Windows - zum Beispiel auf Linux - problemlos möglich sind.

Doch was, wenn der Anwender lieber in seiner gewohnten IEC-61131-3-Welt arbeiten möchte? Mit dieser Frage hat sich das ebenfalls in Österreich beheimatete Systemhaus Logi.cals beschäftigt und dementsprechend für die Arduino-Plattform mit ihren in puncto Rechenleistung und Prozessorgeschwindigkeit begrenzten Ressourcen eine maßgeschneiderte Lösung basierend auf der eigenen Entwicklungsumgebung logi.CAD 3 entwickelt. Zudem wurde das vorhandene SPS-Laufzeitsystem logi.RTS soweit angepasst, dass dieses auf den Controllino-Steuerungen ausgeführt werden kann.

Über eine entsprechende Schnittstelle lässt sich ein vorhandener C-Code, der zum Beispiel mit der Arduino-IDE erstellt wurde, mit wenigen Schritten direkt in die SPS-Code-Generierung von logi.CAD 3 einbinden. Mit dieser Technologie ist die Controllino-Lib entstanden. In dieser Bibliothek ist eine Vielzahl von Bausteinen verfügbar, welche die speziellen Funktionen des Arduino unterstützen. Die Funktionen sind bereits in der Arduino-IDE teilweise vorhanden und wurden in die IEC-61131-3-Programmierwelt mit logi.CAD 3 übernommen. Dazu zählen Funktionen für die Ansteuerung der PWM-Ausgänge, die Programmierung des SPI-Busses oder die Anbindung von E/A-Modulen per I²C-Bus.
 

Dieter Goltz, Logi.cals: "Der Formfaktor von Controllino und die Möglichkeiten der einfachen IoT-Anbindung über das in der IT gängige MQTT-Protokoll sprechen auf jeden Fall auch für einen industriellen Einsatz."

© Logi.cals

Soweit zu den technischen Features. Doch braucht der Maschinen- und Anlagenbau überhaupt Lösungen wie den Controllino? - Immerhin ist der Markt voll von Klein(st)-SPSen und intelligenten Steuerrelais! Dieter Goltz, Geschäftsführer der deutschen Niederlassung von Logi.cals, hat hierzu eine klare Meinung: "Die Gegenspieler von Con­trollino & Co. sind sicherlich etablierte Steuerungen wie etwa Logo von Siemens und Easy von Eaton. Was jedoch Arduino-basierende Lösungen als Alternative hierzu besonders interessant macht, ist deren unschlagbares Preis-Leistungs-Verhältnis. Zudem ist die Flexibilität deutlich größer und außerdem macht die parallele Verwendbarkeit von 'C' und IEC 61131-3 den Controllino auch für industrielle Zwecke interessant. Nicht zuletzt gibt es Überlegungen, als Feldbus das emBrick-System von Imacs anzubinden. Dieses hat einen speziellen Formfaktor und öffnet damit neue E/A-Möglichkeiten für die Steuerung. Die Module werden hier ­nebeneinander auf einer Basisplatine montiert und per Steckbrücke miteinander verbunden. Durch das praxisgerechte 'Mischungsverhältnis' der Ein- und Ausgänge auf einem Modul ist eine passgenaue Adaption an die Aufgabe möglich, was sich zudem in einem besonders attraktiven Preisniveau widerspiegelt."

Auf die konkreten Kosten der indus­triellen Programmier-Lösung für den Controllino angesprochen, entgegnet Goltz: "Die RTS-Laufzeit-Lizenz macht rund 15?% des Verkaufspreises der Steuerung aus. Die Nutzung der Programmiersoftware logi.CAD 3 compact ist kostenfrei. Will der Anwender über diese Einstiegslösung hinaus weitere Funktionen, wie zum Beispiel die Inte­gration in verschiedene Versions- und Revisionskontrollsysteme verwenden, muss er die kostenpflichtige Version 'logi.CAD 3 professional' einsetzen."

Open Source in Industriequalität

SPS und Panel-PCs von Industrial Shields können auf die gleiche Art programmiert werden. Dies ermöglicht Entwicklern den Weg vom Prototyp bis zur industriellen Anwendung mit den gleichen flexiblen Programmcodes.

© RS Components

Neben Conrad Business Supplies hat mit RS Components ein weiterer Distributor auf der SPS IPC Drives 2015 das Thema Steuern mit Open-Source-Plattformen aufgegriffen.

Im September vergangenen Jahres ist RS Components eine Distributionsvereinbarung mit Industrial Shields eingegangen und hatte dementsprechend in Nürnberg deren Produktpalette an SPS und Panel-PCs mit im Gepäck. Im Detail umfasst das SPS-Portfolio von Industrial Shields das Einsteigermodell 'Ardboc compact' auf Basis des Arduino-Leonardo-Boards und 'M-Duino', eine auf dem Arduino-Mega-Board basierende industrielle beziehungsweise modulare SPS. Beide werden mit 12 bis 24 V(DC) versorgt und können über die Arduino-IDE-Plattform programmiert und gesteuert werden. Die Ardbox-compact-SPS ist in zwei unterschiedlichen Versionen mit bis zu zehn E/As inklusive digital, analog, PNP, PWM und Relais verfügbar. Fünf Ausführungen der M-Duino-Serie ermöglichen bis zu 58 E/As. Sind mehr E/As erforderlich, besteht die Möglichkeit der Kommunikation zwischen zwei Steuerungen über einen I²C-Bus. Weitere Kommunikationsschnittstellen sind Ethernet, USB, serielle Schnittstelle, RS232 und RS485.

Bei den genannten Panel-PCs handelt es sich um Touchscreens mit einer Bildschirmdiagonale von 26 cm (10,1 Zoll), die in drei verschiedenen Versionen verfügbar sind: HummTouch Android und HummTouch Linux ermöglichen die Open-Source-Programmierung über Android OS oder Linux OS auf dem ARM-basierten Hummingboard Einplatinen-Computer. Der Touchberry PI schließlich basiert auf Raspberry PI B+ und läuft auf dem Betriebssystem Raspbian Linux. Die einfache Programmierung über den USB-Port erfolgt über die Arduino-IDE-Schnittstelle.