Success Story: PROFINET-Integration in industriellen Kleinserien
Die Herausforderung
Ein Hersteller von Ultraschallschweißsystemen stand vor einer klaren Aufgabe. Die Steuerung einer neuen Geräteversion sollte PROFINET-fähig werden. Beim Vorgängermodell erfolgte die Parametrierung über eine serielle Schnittstelle. Ein STM32-Controller regelte Frequenz, Amplitude und weitere Parameter.
Für die neue Produktgeneration verlangte der Endkunde eine echtzeitfähige PROFINET-Kommunikation. Die neue Schnittstelle sollte sich zudem nahtlos in die bestehende Architektur integrieren. Gleichzeitig sollte der Aufwand möglichst gering bleiben, vor allem im Hinblick auf Hardware-Anpassungen und für die Zertifizierung.
Die Anforderungen
Die Rahmenbedingungen setzten klare Prioritäten für das Projekt des Endkunden: Zeit, Entwicklungsressourcen und Stückzahlen waren begrenzt.
Die PROFINET-Schnittstelle sollte sich in die bestehende Systemarchitektur einfügen.
Das Team des Endkunden wollte dafür keine aufwendige Hardware-Neuentwicklung starten.
Auch die Zertifizierung sollte schlank bleiben. Dafür reduzierte man Funktionen bewusst auf das Nötige.
Konkrete Anforderungen im Projekt:
Kurzer Projektverlauf trotz begrenzter interner Ressourcen.
Minimale Hardware-Eingriffe in das bestehende Design.
Kleinserie berücksichtigen, daher keine separate PCB-Entwicklung als eigener Projektzweig.
Zertifizierungsaufwand reduzieren durch frühe Festlegung von Konformitätsklasse A und Netload-Klasse 1.
Keine Zusatzfeatures, wenn sie im Anwendungsfall keinen Mehrwert bringen (z. B. Alarme, Diagnose, aufwendige Parametrierung).
Der Projektaufbau
Das Projekt betreuten Brückmann Elektronik als Systementwickler und die Systems-Engineering-Spezialisten von Burger Engineering im Auftrag des Endkunden. Da Brückmann nur wenig PROFINET-Erfahrung hatte, holte sich das Unternehmen Unterstützung durch Burger Engineering. Das Team von Burger ist seit mehreren Jahren zertifizierter offizieller Hilscher „netX Design-In Partner“ und kann entsprechend viel Praxis in der Integration von industrieller Kommunikation mit Hilscher-Produkten vorweisen.
Zentral war die Wahl des passenden Kommunikationsmoduls. Die Entscheidung fiel schnell auf das netRAPID 90 von Hilscher.
Das netRAPID 90 ist ein kompaktes Kommunikationsmodul mit integriertem netX-90-Chip. Es wird für Brückmann und dessen Kunden mit vorgeladenem PROFINET-Kommunikationsstack ausgeliefert. Andere Kommunikationsprotokolle wie EtherCAT, EtherNet/IP oder auch Feldbusse wie PROFIBUS oder DeviceNet sind ebenfalls verfügbar. Es lässt sich ohne aufwendige Hardware-Entwicklung in bestehende Designs integrieren.
Produkt-Highlights netRAPID 90 von Hilscher:
- Lötfertiges netX-90-Design
- SPI-Schnittstelle zum Host
- Multi-Protokoll-Design mit Pins für Industrial Ethernet und Feldbus
- Integrierter Cortex-M4-Prozessor für Anwendungsaufgaben
Die Teams von Brückmann und Burger diskutierten auch zahlreiche Alternativen, darunter die Integration des netX 90 direkt in das Gerät. Letztlich verwarf man jedoch eine separate PCB-Entwicklung mit Design-in des Hilscher-Multiprotokollprozessors schnell – zu gering waren die erwarteten Stückzahlen und der Aufwand wäre dementsprechend zu hoch gewesen.
Mit kompakter Bauform, vollständiger Kommunikations- und Applikationseinheit sowie verfügbaren Entwicklungs- und Zertifizierungswerkzeugen erwies sich das netRAPID 90 als effizienteste Lösung.
Die Unternehmen im Überblick
Brückmann
Gesamtverantwortung für das Netzteil-Design, Projektkoordination, Abstimmung mit dem Endkunden
Burger Engineering
Entwicklung der Applikation sowie Integration der Kommunikation über das netRAPID 90 und Begleitung der anschließenden Zertifizierung
Hilscher
Bereitstellung des netRAPID 90 sowie dazugehörigem PROFINET-Stack, Support bei Stack-Fragen und Lizenzabwicklung, technischer Austausch während der Implementierung
Die Projektphasen im Überblick
Phase 1: Umsetzung – Februar bis Juni 2023
- Festlegung des technischen Rahmenwerks
- Auswahl des netRAPID 90 als sinnvollste Lösung
- Umsetzung der Applikation und erste Entwicklungen mit Evaluation Boards
Phase 2: Optimierung und Zertifizierung
- Vorbereitung der Lösung auf offizielle PROFINET-Zertifizierung
- Zertifizierung
- Reduktion der Lösung auf notwendige Features
Die Implementierung
Trennung von Applikation und Kommunikation
Herzstück der technischen Lösung war die klare Trennung von Applikations- und Kommunikationslogik. Der bestehende STM32-Controller bildete bereits alle gerätespezifischen Funktionen ab. Dazu gehörten Frequenzregelung, Amplitudensteuerung und Leistungsmanagement. Er sollte deshalb nicht zusätzlich mit PROFINET-Aufgaben belastet werden.
Ursprünglich plante das Team, das netRAPID 90 im Companion Mode zu betreiben. In diesem Ansatz bleibt die Applikation auf dem STM32. Das netRAPID 90 übernimmt dann die Anbindung an das PROFINET-Netzwerk. Da der STM32 jedoch durch zeitkritische Abläufe bereits an seiner Leistungsgrenze arbeitete, entschied man sich für den Stand-Alone-Modus. So konnte der zweite Core des netX 90 Applikationsdaten über PROFINET zwischen Provider und Consumer austauschen. Die PROFINET-Kommunikation wurde so praktisch ohne weitere Performance-Einbußen für den STM32 realisiert.
Anbindung über SPI-Schnittstelle
Die Verbindung zum STM32 realisierte das Team über eine SPI-Schnittstelle. Das netRAPID 90 rief prozessrelevanten Daten direkt vom STM32-Controlchip ab und übermittelte sie auch in die Gegenrichtung wieder an ihn. Dieser zyklische Prozessdatenaustausch erhöhte die Timing-Stabilität deutlich. Zudem erleichterte er spätere Anpassungen an den übertragenen Daten.
Einfache Konfiguration der Datenstruktur
Für die Datenstruktur setzte das Team auf eine bewusst einfache Konfiguration. Das netRAPID 90 hatte keine Kenntnis über die konkreten Inhalte. Stattdessen tauschte es zyklisch 64 Byte Provider- und 64 Byte Consumer-Daten als reine Byte-Felder zwischen PROFINET-Netzwerk und STM32 aus. Die Interpretation der Inhalte lag damit ausschließlich bei der übergeordneten Steuerung und beim STM32. Auf dem netRAPID-Modul wurden die Daten lediglich in definierten Takten gespiegelt.
Anpassungen bis zum Projektende möglich
Diese Spiegelung reduzierte den Entwicklungsaufwand erheblich: Anpassungen an der Datenstruktur – etwa das Erweitern von Parametern, die Umstellung von 8-Bit- auf 16-Bit-Werte oder das Hinzufügen neuer Steuerbefehle – konnten selbst zum Projektende hin noch erfolgen, ohne dass die Kommunikationsschicht erneut angepasst werden musste. Genau dieser Entkopplung verdankte das Projekt seine hohe Flexibilität und Geschwindigkeit.
Für die Entwickler bedeutete das: keine komplexe Diagnose, keine aufwendige Interpretation, keine unnötige Parametrierung – sondern ein robuster, flexibler Prozessdatenaustausch. Zusätzlich konnte die Entwicklungszeit mit dem netRAPID 90 von Hilscher als Embedded-Modul-Lösung verkürzt werden, da der Entwicklungsaufwand im Vergleich zu einer integrierten Chip-Lösung deutlich geringer war.
Bei Produktentwicklungsprojekten bieten wir schon lange ein Rundum-Sorglospaket an, das in letzter Zeit verstärkt von unseren Kunden angefragt wird. Das hat verschiedene Gründe, sicherlich auch Ressourcenmangel intern. Denn die Zeiten, in denen man sich für Produktentwicklung viele Monate Zeit nehmen konnte, sind vorbei. Durch den Einsatz von vollständig getesteten Embedded-Modulen mit vorinstallierter Firmware können wir den Entwicklungszyklus aber drastisch verkürzen.
Jörg Klenke
Mitglied der Geschäftsleitung
Burger Engineering
Erfolgreiche Vorstellung vor Fachpublikum
Weiterführende Links
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