Storia di successo: integrazione di PROFINET nella produzione industriale su piccola scala

La sfida

Un produttore di sistemi di saldatura a ultrasuoni si trovava di fronte a un obiettivo ben preciso: il controller di una nuova versione del dispositivo doveva supportare PROFINET. Nel modello precedente, la parametrizzazione avveniva tramite un’interfaccia seriale. Un microcontroller STM32 controllava la frequenza, l’ampiezza e altri parametri.

Per la nuova generazione di prodotti, il cliente finale ha richiesto una comunicazione PROFINET in tempo reale. La nuova interfaccia doveva inoltre integrarsi perfettamente nell’architettura esistente. Allo stesso tempo, era necessario ridurre al minimo l’impegno richiesto, soprattutto in relazione alle modifiche hardware e alla certificazione.

I requisiti

I vincoli del progetto hanno imposto al costruttore di macchinari delle priorità ben definite: i tempi, le risorse ingegneristiche e i volumi di produzione erano limitati.
L’interfaccia PROFINET doveva integrarsi nell’architettura di sistema esistente. Il team del costruttore di macchinari non voleva intraprendere una profonda riprogettazione hardware. Anche la certificazione doveva rimanere snella, pertanto l’ambito di applicazione è stato volutamente ridotto all’essenziale.

Il progetto è stato gestito da Brückmann Elektronik in qualità di sviluppatore del sistema per conto del costruttore di macchinari in qualità di cliente finale. Poiché Brückmann aveva un’esperienza limitata con PROFINET, l’azienda ha chiesto l’assistenza di Burger Engineering, uno specialista in ingegneria dei sistemi. Il team di Burger è da diversi anni un "netX Design-In Partner" ufficialmente certificato da Hilscher e offre quindi una vasta esperienza pratica nell’integrazione di sistemi di comunicazione industriale tramite i prodotti Hilscher.

Un elemento fondamentale è stata la scelta del modulo di comunicazione più adatto. La scelta è ricaduta rapidamente su netRAPID 90 di Hilscher.

netRAPID 90 è un modulo di comunicazione compatto dotato di un chip netX 90 integrato. Viene fornito a Brückmann e ai suoi clienti con lo stack di comunicazione PROFINET già installato. Sono disponibili anche altri protocolli di comunicazione, come EtherCAT ed EtherNet/IP, nonché bus di campo quali PROFIBUS o DeviceNet. Il modulo può essere integrato in progetti esistenti senza richiedere un ampio sviluppo hardware.

Caratteristiche principali di netRAPID 90 di Hilscher:

• Design netX 90 pronto per la saldatura
• Interfaccia SPI verso l’host
• Design multiprotocollo con pin per Industrial Ethernet e bus di campo
• Processore Cortex-M4 integrato per i task applicativi

I team di Brückmann e Burger hanno inoltre valutato numerose alternative, tra cui l’integrazione diretta di netX 90 nel dispositivo. Alla fine, hanno rapidamente scartato l’idea di sviluppare un PCB separato con integrato il processore multiprotocollo di Hilscher: i volumi di produzione previsti erano troppo bassi e lo sforzo richiesto sarebbe stato sproporzionato.
Grazie alle sue dimensioni compatte, al fatto di essere un’unità completa di comunicazione e applicazioni e agli strumenti di sviluppo e certificazione disponibili, netRAPID 90 si è rivelato la soluzione più efficiente.

Fase 1: Implementazione — da febbraio a giugno 2023

• Definizione del framework tecnico
• Scelta di netRAPID 90 come soluzione più adatta
• Implementazione dell’applicazione e sviluppo iniziale tramite schede di valutazione

Fase 2: Ottimizzazione e certificazione

• Preparazione della soluzione per la certificazione ufficiale PROFINET
• Certificazione
• Ridurre la soluzione alle funzionalità richieste

Implementazione

Separazione tra applicazione e comunicazione

Il fulcro della soluzione tecnica era costituito da una netta separazione tra la logica applicativa e quella di comunicazione. Il controller STM32 esistente copriva già tutte le funzioni specifiche del dispositivo, tra cui il controllo della frequenza, il controllo dell’ampiezza e la gestione dell’alimentazione. Per questo motivo, non era previsto che assumesse ulteriori compiti relativi a PROFINET.

Inizialmente, il team aveva previsto di utilizzare il netRAPID 90 in modalità "companion". In questo approccio, l’applicazione rimane sull’STM32, mentre netRAPID 90 gestisce la connessione alla rete PROFINET.

Tuttavia, poiché l’STM32 stava già funzionando al limite delle sue prestazioni a causa di sequenze in cui il tempo era un fattore critico, il team ha optato invece per la modalità autonoma. Ciò ha consentito al secondo core di netX 90 di scambiare dati applicativi tramite PROFINET tra provider e consumer. Di conseguenza, la comunicazione PROFINET è stata implementata senza praticamente alcun impatto aggiuntivo sulle prestazioni dell’STM32.