Was bedeuten das Internet der Dinge (IoT) und sein industrielles Äquivalent Industrie 4.0 wirklich beziehungsweise was müssen Automatisierungsgerätehersteller beachten, um ihre Geräte  zukunftsfähig zu machen? Wichtiger denn je sind eine zuverlässige Datenkommunikation und Anbindung von Geräten an industrielle Netzwerke. Zudem müssen Hersteller bei der Kommunikationsfähigkeit ihrer Automatisierungsgeräte und Maschinen Flexibilität hinsichtlich der Netzwerkanbindung zeigen.

Der Einsatz eines externen Protokollkonverters bietet sich an, wenn das Feldgerät über eine serielle Schnittstelle verfügt und die Anbindung an industrielle Netzwerke wie Profibus, Profinet, Modbus, CAnopen, DeviceNet usw. nicht zum Standardfunktionsumfang des Gerätes gehört. Protokollkonverter werden an der seriellen Schnittstelle des Feldgerätes angeschlossen und setzen deren spezifisches Protokoll auf das gewünschte industrielle Netzwerk, zum Beispiel Profibus, um. Intelligente Protokollkonverter wie der Anybus Communicator von HMS werden per Konfiguration an das serielle Protokoll des Feldgerätes angepasst.
Der Vorteil dieser Lösung ist, dass weder Hardware noch Software des Feldgerätes verändert werden müssen. Der Protokollkonverter repräsentiert das Feldgerät stellvertretend im industriellen Netzwerk. Er ist nach seiner Konfiguration sofort einsatzfähig und es fallen keine Entwicklungsaufwendungen an. Unter Kostengesichtspunkten empfiehlt sich ein Protokollkonverter als externer Busanschluss insbesondere für solche Geräte, die nur in geringen Stückzahlen (< 100 p.a.) an industrielle Netzwerke angeschlossen werden sollen. Die mögliche Leistung dieser Lösung wird stark durch die Geschwindigkeit der seriellen Feldgeräte-Schnittstelle und die zu übertragende Datenmenge beeinflusst. Typische Durchlaufzeiten liegen im Bereich einiger Millisekunden.
Wird der Anybus Communicator von HMS als Protokollkonverter eingesetzt, kann der Anwender sein Feldgerät in alle gängigen Feldbusse und Industrial-Ethernet-Netzwerke einbinden. Denn den Protokollkonverter gibt es in funktionskompatiblen Varianten für alle gängigen Netzwerke. Je nachdem welcher Bus vom Endkunden gefordert ist, wird der entsprechende Protokollkonverter verwendet. Damit hat der Hersteller die notwendige Flexibilität.

Maschinen- und Gerätehersteller, die weltweit tätig sind und den Kundenwünschen nach unterschiedlichen Kommunikationstechnologien gerecht werden müssen, sollten ab Stückzahlen von über 100 Stück pro Jahr auf Embedded-Kommunikationsschnittstellen setzen, die direkt im Gerät implementiert werden. Auch dafür gibt es fertige Lösungen wie die Multi-Netzwerkschnittstellen Anybus CompactCom von HMS. Es handelt sich dabei um eine Familie von Embedded-Kommunikationslösungen zur Anbindung von  Automatisierungsgeräten an industrielle Netzwerke. Anybus CompactCom gibt es in zwei Leistungsklassen (30er- und 40er-Serie) und drei Formfaktoren (Modul, Brick und Chip). Gerätehersteller können den gewünschten Integrationsgrad und die erforderliche Leistung gezielt auswählen.

Unterschiedliche Formfaktoren
Kommunikationsschnittstelle als Modul:
Die Bauform der Anybus-CompactCom-Module ähnelt einer CompactFlash-Karte. Die Module sind sowohl mechanisch als auch hard- und software-seitig standardisiert. Entscheidet sich der Gerätehersteller für die Modulvariante, muss er einen Steckplatz für das Modul sowie software-seitig eine Anybus-Schnittstelle in seinem Gerät implementieren. Dann kann er das ganze Spektrum der verfügbaren Module nutzen und sein Gerät mit allen gängigen industriellen Netzwerken verbinden.

Kommunikationsschnittstelle als Brick:
Kommunikationsschnittstellen im Brick-Format bieten Geräteherstellern mehr Flexibilität beim Gerätedesign. Wie die Module beinhalten auch die Bricks die komplette Hard- und Software eines Slave-Interfaces.  Anders als die Module haben Bricks keinen physikalischen Netzwerkanschluss (zum Beispiel eine RJ45-Buchse). Diesen kann der Gerätehersteller entsprechend seiner Anforderungen direkt auf der Basisplatine seines Automatisierungsgeräts individuell gestalten. Auch im Hinblick auf mittlere bis hohe Stückzahlen sind Bricks zu empfehlen. Das Brick lässt sich mit den steck- und lötbaren Steckverbindern einfach auf der Basisplatine des Geräteherstellers montieren. Das komplexe Design der Multi-Netzwerkschnittstelle ist auf kleinstem Raum komplett auf dem Brick realisiert. Die Anforderungen an das Design der Basisplatine werden damit reduziert, und es kann oftmals auf den Einsatz teurer Microvia-Leiterplatten verzichtet werden.

Kommunikationsschnittstelle als Chip:
In sehr hohen Stückzahlen sind für Gerätehersteller vor allem aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus Chip-Lösungen interessant. Daher bietet HMS die Multi-Netzwerkschnittstelle auch als Chip im Bundle mit der zugehörigen Protokollsoftware an.

Unterschiedliche Leistungsklassen
Die Multi-Netzwerkschnittstellen von HMS gibt es für Standard-Anwendungen (30er-Serie) und für anspruchsvolle Anwendungen, die eine hohe Leistung benötigen (40er-Serie). Die 30er-Serie ist die richtige Wahl bei Automatisierungsgeräten, die keine taktsynchrone Kommunikation benötigen. Beispiele sind Sensoren, Barcode-Leser, Bedienterminals, medizinische Geräte, Ventile, Displays, Schraubstationen, Motorstarter sowie Frequenzumrichter und Antriebe ohne Motion-Control-Funktionen. Die 40er-Serie wurde für High-End-Anwendungen entwickelt, die Echtzeit-Ethernet mit Taktsynchronität oder TCP/IP-basierte Applikationen mit großen Datenmengen benötigen.

Eigenentwicklung von Kommunikationsschnittstellen
Die Eigenentwicklung der Kommunikationsschnittstellen setzt die entsprechende Kompetenz und Entwicklungskapazität beim Gerätehersteller voraus. Bei dieser Vorgehensweise entsteht eine individuelle Lösung, die hinsichtlich ihrer mechanischen und funktionalen Eigenschaften optimal auf die Anforderungen des jeweiligen Automatisierungsgerätes angepasst werden kann. Um eine gewisse Flexibilität zumindest für die wichtigsten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme zu erhalten, ist die saubere Trennung von Applikation und Kommunikation notwendig. Über selbst zu definierende Hardware- und Softwareschnittstellen kommuniziert der Hauptprozessor des Gerätes dann mit dem Kommunikationsprozessor für das jeweilige Busprotokoll. Für die Realisierung der jeweiligen Protokollfunktionen können die Gerätehersteller auf käufliche Protokollstacks verschiedener Anbieter zurückgreifen, die allerdings an die individuellen Randbedingungen anzupassen sind.

Der Verlauf der Entwicklung gliedert sich typischerweise in Know-how-Aufbau, Spezifikation, Hard- und Software-Entwicklung, Test der Prototypen, EMV-Test mit CE- und UL-Zertifizierung sowie die abschließende Zertifizierung der Protokollkonformität. Diese Arbeiten sind pro Bussystem einmal komplett und bei einer späteren Änderung der Spezifikationen nochmals teilweise durchzuführen. Bei der Eigenentwicklung werden niedrige Hardware-Kosten für die Busanschaltung erzielt. Demgegenüber stehen jedoch hohe Entwicklungskosten, Lizenzgebühren, ein höheres Entwicklungsrisiko und eine deutlich längere Projektlaufzeit bis zur Verfügbarkeit des Produktes (Time-to-Market).

Multi-Netzwerkschnittstelle mittelfristig Standard bei Automatisierungsgeräten
Der Vorteil externer Busanschlüsse in Form von intelligenten Protokollkonvertern ist, dass am Automatisierungsgerät keine Hard- und Sofware-Änderungen notwendig sind. In der Regel sind die Protokollkonverter nach der Konfiguration auch sofort einsatzbereit. Bei höheren Stückzahlen (> 100 p.a.) sind aus Kostengründen meist Embedded-Lösungen attraktiver. Für Gerätehersteller ist der Entwicklungsaufwand beim Einsatz von fertigen, vorzertifizierten Embedded-Lösungen geringer als bei einer Eigenentwicklung. Insbesondere dann, wenn er Schnittstellen für mehrere industrielle Netzwerke entwickeln muss. Ebenso verkürzt sich die Time-to-Market und das Entwicklungsrisiko wird reduziert. Ein weiterer Vorteil ist die Offenheit gegenüber zukünftigen neuen Kommunikationsprotokollen, die bei zugekauften Embedded-Lösungen in der Regel gewahrt wird. Auf der Kostenseite stehen zum Beispiel bei der Modullösung zwar höhere Stückkosten als bei einer Eigenentwicklung, dafür muss der Gerätehersteller bei der Eigenentwicklung zusätzliche Lizenzkosten oder Anschaffungskosten für spezielle Software-Werkzeuge oder Testtools aufwenden.
HMS geht davon aus, dass mittelfristig eine Multi-Netzwerkschnittstelle der Standard bei Automatisierungsgeräten sein wird. Auch integrierte Sicherheitstechnik und Energiemanagement – Themen, die neben Industrie 4.0 in der aktuellen Diskussion stark im Fokus stehen –  werden zukünftig Standardanforderungen an Automatisierungsgeräte sein.