Entwickler von Feldbus-Geräten müssen ihre Komponenten gegen die entsprechende Standardspezifikationen testen. Dies ist normalerweise die letzte Phase des Entwicklungsprozesses und besteht darin, das Gerät von einem zuständigen Zertifizierungslabor überprüfen zu lassen. Weichen die Eigenschaften des Gerätes von der Spezifikation ab, wird im Rahmen des Zertifizierungsprozesses zuerst die Ursache der Nichtkonformität identifiziert – beispielsweise wenn ein definiertes Ereignis auftritt und darauf ein vorgegebenes Bit nicht gesetzt wird. Im zweiten Schritt muss ein Fehlersuchprogramm ablaufen. Drittens ist schließlich eine Korrektur des Geräteverhaltens zu implementieren: Das Bit wird gesetzt, wenn das Ereignis eintritt und abschließend muss eine Verifikation der möglichen Nebeneffekte der implementierten Korrektur erfolgen. – Ein Prozess, der enorme Zeit in Anspruch nehmen kann.

Ein weiterer Prüfschritt in der Entwicklungsphase ist die Sicherstellung der vollen Kompatibilität der zu entwickelnden Geräte mit Komponenten anderer Hersteller. Aus diesem Grund veranstalten die verschiedenen Normungsgremien regelmäßig so genannte Plug-Feste. Weil diese Veranstaltungen aber zu fixen Terminen stattfinden, ist es den Entwicklern nicht möglich, die Funktionalitäten kontinuierlich während der gesamten Entwicklungsphase zu testen, sondern lediglich in einem kurzen Zeitraum – in der Regel zweimal pro Jahr. Idealerweise sollten Entwickler aber ständig die Möglichkeit haben, ihre Geräte gegen diejenigen anderer Hersteller zu prüfen.

Die Ethernet-basierte Feldbus-Weiche mit ihrem speziellen Routing-Mechanismus ermöglicht virtuelle Plug-Feste und Einzeladerbruch-Simulation.

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Nicht zuletzt basiert eine wichtige Prüfanforderung auf der in den Geräten eingesetzten Hardware – insbesondere in puncto Ethernet-Kabel und Ethernet-Controller-Chips. Die Ethernet-Kabel bestehen aus vier Drahtpaaren, die in vielen Anwendungen extremen Verschleißbedingungen ausgesetzt sind, zum Beispiel am Roboter. Der Verlust von nur einem Draht in einem verdrillten Paar stellt bei der Ethernet-basierten Kommunikation ein Problem dar, weil dies einerseits zu einer unmittelbaren Kommunikationsunterbrechung führt, andererseits die Unterbrechung aber unter Umständen nicht eindeutig mit ‚no link‘ signalisiert wird. Dies kommt vor, weil sich die verschiedenen auf dem Markt befindlichen Ethernet-Controller-Chips bei einem solchen Ereignis unterschiedlich verhalten. Die Auswirkungen eines solchen Vorfalls sind erheblich:

■ Die Produktion könnte aus Sicherheitsgründen angehalten werden.
■ Die Fehlersuche erfordert einen Maschinenhalt.
■ Ein eventuelles ‚link on‘-Signal trotz anliegender Kommunikationsfehler könnte in die Irre führen.
■ Trotz Drahtbruches kann bei be­weglicher Kabelführung gelegentlicher Kontakt bestehen und so den Debugging-Prozess noch komplizierter machen.
■ Das Verhalten des Kommunikationsstandards bei einem solchen Ereignis ist eventuell nicht normiert, weshalb Reaktionen auf dieses Problem nicht spezifiziert sind.

Aus all diesen Gründen liegt es im primären Interesse der Hersteller, dass sich die zu entwickelnden Geräte bei einem solchen Ereignis völlig vorhersehbar verhalten. Dies lässt sich nur erreichen, wenn das Verhalten des Ethernet-Con-troller-Chips im Falle eines Drahtbruchs getestet wird. Voraussetzung hierfür ist wiederum, dass man ein Gerät verwendet, welches einen Drahtbruch bei Bedarf provozieren kann. Aufgrund der hohen Einschränkungen bezüglich des Jitters bei industriellen Ethernet-basierten Feldbus-Kommunikationen – typischerweise liegt dieser im Bereich von 40 nsec – muss die angewandte Lösung als eine verdrahtete Lösung funktionieren. Mit anderen Worten: Mikrocontroller-Schalter/Peripherien sind für diese Zwecke nicht verwendbar.

Zertifizierung am Beispiel von Sercos

Vor diesem Hintergrund wurde am Stuttgarter Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) unter anderem der so genannte ‚Sercos Conformizer‘ entwickelt. Dieses Werkzeug besteht aus einem Computer, einer Sercos-Master-PCI-Karte (Sercans) und einem Test-Framework. Das Framework umfasst mehrere Skripte, um die im Standard definierten Funk­tionalitäten zu testen. Neben dem ISW, das in seiner Rolle als offizielle Zertifizierungsstelle von Sercos International die entsprechenden Tests durchführt, können Unternehmen diese Lösung nutzen, um frühzeitige Tests an ihrem eigenen Arbeitsplatz durchzuführen und so die Entwicklungszeiten deutlich zu  verkürzen.

Der Sercos Conformizer ist das offizielle, entwicklungs­begleitende Testtool für die ­Zertifizierung von Sercos-­Geräten.

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Wie bereits angesprochen, ist ­neben der Validierung der Einhaltung des Standards die vollständige Kompatibilität der entwickelten Geräte mit Geräten anderer Hersteller sicherzustellen. Zu diesem Zweck wurde am ISW zudem eine Testplattform konzipiert, die ein virtuelles Plug-Fest mit Hilfe des ­Sercos Conformizers möglich macht. Diese Plattform besteht aus einer Elektronikplatine mit vier doppelten Ethernet-Steckern. Diese Platine erlaubt es somit, drei Sercos-Geräte und zusätzlich den Sercos Conformizer zu verbinden. Innerhalb des ‚Sercos Conformizer Framework‘ ist nicht nur definierbar, welche Ports aktiv oder inaktiv sind, sondern auch die Netzwerk-Topo­logie. Weiterhin enthält der Sercos Conformizer einen Kommunikationsserver, über den der Sercos-Entwickler auf den Feldbus im ISW-Labor zugreifen, die Feldbus-Netzwerk-Topologie konfigurieren und Tests durchführen kann – alles aus der Ferne.

Schließlich ist am ISW eine weitere Funktionalität verfügbar – und zwar die Simulation eines physikalischen Drahtbruchs. Mit einer hierfür entwickelten Platine ist es möglich, den Bruch eines oder mehrerer Drähte des Ethernet-Kabels zu simulieren. Die Simulation des Kabelbruches erfolgt mittels Multiplexer, der von einem programmierbaren ‚System-on-a-Chip‘-Mikrocontroller gesteuert wird. Für die Überprüfung von Funktionalitäten, die beispielsweise im Rahmen von einer Kabelbruch-Überprüfung erforderlich sind, müssen Testskripte entwickelt werden. Dieser Prozess ist zeitaufwendig, weil hierfür ein tiefgehendes Wissen des Sercos Conformizer Frameworks erforderlich ist. Um auch in diesem Punkt die Abläufe zu beschleunigen, hat das ISW ein weiteres Werkzeug – ConfoMata‘ –genannt entwickelt. Über dessen gra­fische Bedienoberfläche lassen sich die entsprechenden Testskripte generieren, ohne dass dafür Programmierkenntnisse erforderlich sind. Außerdem erstellt ConfoMata automatisch die Dokumen­tation zu dem Test (Ziel des Tests, zu ­erwartende Ergebnisse, Teststruktur etc.), welche sich sodann in verschie­denen Formaten (Wiki, Word etc.) speichern lässt.

Autoren: Agus Atmosudiro ist wissenschaftlicher Mitarbeitern am ISW der Universität Stuttgart und Joao Daniel Lopes ist wissenschaftlicher Mitarbeitern am ISW der Universität Stuttgart.