Anzeige


Schnittstellenerweiterung: WLAN, unbegrenzte IO´s usw - Ethernet und CAN als Erweiterungsbus


Einleitung
Remote IO - Ethernet als Erweiterungsbus
Serielle Erweiterung - mehr COM Schnittstellen
Digitale und sonstige Erweiterungen, Wago IO System Serie 750
WLAN Networking - jetzt wird es drahtlos / wireless
Mögliche Nachteile: Echtzeitfähigkeit, Datensicherheit und Security
Netzwerküberwachung / NETguard

In der Praxis gibt es eine Erkenntnis: egal, wie man seinen Industrie PC mit Schnittstellen ausrüstet - es kommt immer ein Kunde und fragt nach einer Konfiguration, die gerade nicht entwickelt wurde. Ein Beispiel:

Moderne Industrieterminals z.B. die Linux Terminals der Serie TRM/xx verfügen von Haus aus über diverse on-board Schnittstellen. Hierzu zählen z.B.

  • serielle COM1 RS232/422/485,
  • RJ45 Ethernet Port,
  • CAN Interface,
  • Compact Flash Adapter und
  • wahlweise 2bit Mini Digital IO
  • oder PC/104 Connector.

Grundgedanke bei der Entwickung: besonders kleine industriell einsetzbare PC Systeme zu erhalten, die unter Linux frei programmierbar und für die unterschiedlichsten Aufgaben einsetzbar sind.

Bei einer derartigen universellen Gestaltung ist es wenig überraschend, dass Anwender alles Mögliche anschliessen möchten, z.B:

  • viele serielle Schnittstellen für Barcodeleser, RFID Transponderdecoder, serielle Drucker, GSM / GPRS Modem
  • digitale Eingänge (Digital IN), um Maschinen und Automaten abzufragen, z.B. für Fertigungsmengen, Störungsmeldungen
  • digitale Ausgänge (Digital OUT), um Maschinen, Automaten, Roboter, Schranken, Hupen zu schalten
  • CAN, um Maschinen und Automaten über Feldbus zu steuern
  • Wireless LAN / WLAN um die Systeme mobil auf Fahrzeugen einsetzen zu können
  • uvam.

PC/104 Erweiterung

Bei vielen Industriesystemen steht ein PC/104 Erweiterungsinterface zur Verfügung. (PC/104 ist ein genormter Kartenstandard für Erweiterungs- und CPU Module. Informationen PC104 hier.)

Durch den Einbau von PC/104 Erweiterungskarten können beliebige Funktionalitäten nachgerüstet werden, z.B. analog, digital, Profibus, weitere LAN Karten uvam.

PC/104 Erweiterung gibt einem Anwender maximale Freiheit. Allerdings mit zwei Nachteilen: Mit jeder PC/104 Karte erhöht sich die Bautiefe um ca. 18 mm. Irgendwann passt ein so entstandender PC/104 Turm nicht mehr in ein Gehäuse. Hinzu kommt, dass für jede eingebaute IO Karte entsprechende Anschlüsse (Connectoren) am Gehäuse berücksichtigt werden müssen. Das Ganze führt also jedes Mal zu einer mehr oder weniger individuellen Gehäusebearbeitung - mit entsprechenden Kosten und lohnt daher nur bei vergleichsweise hohen Abnahmemengen.

Für diejenigen, die nicht mit PC/104 Karten erweitern können oder wollen, gibt es daher Alternativen. Das, was Kunden am häufigsten in Verbindung nachfragen sind:

  • weitere serielle Schnittstellen
  • digitale oder analoge I/Os, Schrittmotorkarten
  • Wireless LAN / WLAN

Remote IO - Ethernet oder CAN als Erweiterungsbus

Die Lösung: Remote IO Konzept in Verbindung mit Industrial Networking.

Moderne Industrieterminals verfügen über Ethernet LAN und / oder CAN Anschluss. Beide Schnittstellen kann man als Basis für Erweiterungsmodule verwenden. Bei REMOTE IO oder DEZENTRALE IO werden die benötigten Schnittstellen nicht IM Terminal integriert, sondern einfach über eine Schnittstelle RJ45 LAN oder CAN AN das Terminal angeschlossen.

Das Ethernet LAN oder CAN dienen als Erweiterungsbus, um alles Gewünschte anzuschliessen. Die Vorteile sind bestechend:

  • Das Gesamtsystem kann jederzeit nachträglich erweitert werden, da die Erweiterungen lediglich ausserhalb des Terminals montiert werden.
  • Die Erweiterungen / IO Module werden dort montiert, wo sie benötigt werden. Die Verbindung zum Steuerterminal erfolgt einfach über die Ethernet CAT5 Leitung. (Schnell, einfach und problemlos zu verlegen.)
  • Die Terminals können kostengünstig und in Grossserie gefertigt werden. Die applikationsabhänge Individualisierung erfolgt dezentral.

Mit anderen Worten: Remote IO Module gestatten universellen Anschluss beliebiger Erweiterungsmodule an einen Industriecomputer. Jederzeit und auch in einer nachträglichen Projekterweiterung. Die Basishardware bleibt unverändert - die Service- und Pflegekosten bleiben gering.

Einige Möglichkeiten für die häufigsten Erweiterungen:

Möglichkeit 1: Serielle Erweiterungen - mehr COM Schnittstellen über LAN

Für Anwender mit "nur" vielen Schnittstellen gibt es im Handel verschiedene Modulsysteme für Seriell auf Ethernet - typischerweise auch Gateways oder Device Server genannt.

Unglücklicherweise werden einige dieser Device Server mit integrierten Treibern geliefert - für den Betrieb unter Windows.

Um mögliche erfolglose Suchen zu ersparen, haben wir uns ein serielles Gateway ausgesucht, das a) ohne Treiber auskommt und b) stattdessen direkte IP / UDP Programmierung ermöglicht. Das Moxa IO Modul NPort 5210.

Dieses Modul verfügt über zwei serielle Schnittstellen, die als RS232 Devices genutzt werden können.

Da es direkt programmiert werden kann, werden fertig konfigurierte Softwartreiber angeboten, um die Schnittstellen aus der Anwendung heraus schnell und einfach zu benutzen. In diesem Fall handelt es sich um einen Devicetreiber und Linuxdaemon, der die remote Schnittstellen als COM2 mit /dev/ttymoxa0 bzw. COM3 mit /dev/ttymoxa1 für die Softwareapplikation bereitstellt. Der Applikationsprogrammierer muss sich also keine besonderen Gedanken über die Adressierung der Remote Schnittstellen machen, sondern kann sie aus seiner Software heraus bequem und einfach verwenden. Die entsprechenden Linuxtreiber / der Daemon sowie Beispielsoftware sind im Startup Package zum seriellen IO Kit enthalten.

Einen ausführlichen Text zum Thema serielle Module gibt es bereits hier.

Möglichkeit 2: Digitale und sonstige Erweiterungen - Wago IO Serie 750 über LAN oder CAN

In anderen Anwendungen werden zahlreiche digitale / analoge Ein- und Ausgänge oder spezielle Schrittmotorkarten benötigt. In diesem Fall bietet sich das WAGO IO System der Serie 750 an.

Hierbei handelt es sich um Hutschienenmodule, die applikationsabhängig - nach Bedarf - zusammengestellt werden können. In der Serie 750 werden z.B. angeboten:

  • Series 750-342 Ethernet TCP/IP Bus Connector
  • Series 750-305 CAN Bus Connector
  • Series 750-4xx Digital Input, 24VDC oder 230VAC
  • Series 750-5xx Digital Output, 24VDC, optional Relais Output
  • Series 750-6xx Serial Interfaces
  • Series 750-600 Bus End Connector

Die Serie 750 ist hierbei sehr vielfältig. Der Anschluss der Erweiterungen kann dabei nicht nur über Ethernet LAN, sondern auch über CAN erfolgen. Der einzige Unterschied ist jeweils der Bus Connector: je nach gewünschter Anschlussart ist ein Bus Connector für Ethernet TCP / IP (TCP MODBUS) bzw. CAN zu wählen.

Für die Nutzung unter TCP MODBUS wurde in einem speziellen WAGO IO MODBUC TCP Starterkit ein Softwaresample bereitgestellt, um verschiedene IO Module der Serie 750 zu verwenden. Hierbei handelt es sich um Linux / C-Funktionen zum Lesen bzw. Schreiben von Bitwerten. Die entsprechenden Funktionen und Beispiele sind im Startup Package zum WAGO Systeme enthalten.

Für die Nutzung unter CAN befinden sich im "normalen" Startup Package bereits Beispiele, um CAN Devices mit einem PC Terminal unter Linux zu verbinden.

Einen ausführlichen Text zum Thema WAGO gibt es bereits hier.

Möglichkeit 3: WLAN Networking - jetzt wird es drahtlos / Wireless

Eine weitere Alternative ist WLAN / Wireless. Hierbei soll das TRM/xx System drahtlos / wireless in ein Netzwerk integriert werden, um z.B. im Netzwerk Daten auszutauschen oder die zuvor beschriebenen IO Module drahtlos zu verwenden.

Die Lösung bietet sich in diesem Fall mit der Wireless Option / WLAN Bridge. Diese wird via RJ45 Ethernet Port mit dem Terminal verbunden und bietet auf der anderen Seite vollständige WLAN Funktionalität nach IEEE 802.11b mit bis zu 11MBit/s Übertragungsgeschwindigkeit. Dabei werden die Punkt zu Punkt Verbindung (Ad Hoc Modus) oder die vollständige Einbindung in WLAN Netzwerke mit Access Point (Infrastructure Modus) unterstützt.

Einen ausführlichen Text zur WLAN Bridge es bereits hier.

Mögliche Nachteile: LAN - Echtzeitfähigkeit / Datensicherheit / Security

Das Ethernet ist nicht echtzeitfähig. Zumindest im Moment nicht. Wer einen ping an eine beliebige IP Adresse innerhalb eines Netzwerkes absetzt, kennt das: Die Antwortzeiten liegen bei einigen Millisekunden (ms). Abhängig vom Traffic im Ethernet mal schneller, mal langsamer. Wer immer und überall auf auf harte Echtzeitfähigkeit angewiesen ist, z.B. bei den Bremsen eines Fahrzeuges, sollte auf Ethernet als möglichen Erweiterungsbus verzichten und für weitere Schnittstellen der CAN Alternative den Vorzug geben. Zumindest vorerst: Aktuell beschäftigen sich mehrere Gruppen damit, das Ethernet bzw. das IP Protokoll echtzeitfähig zu gestalten. Für den typischen Parkautomatenbediener, Barcodedatenerfasser usw dürfte das jedoch unerheblich sein. Hier ist Echtzeit meistens nicht gefordert.

Bei PC Terminals unter Linux ist Echtzeit / Real Time übrigens wiederum bereits jetzt problemlos möglich. Die Lösung lautet z.B. RTAI - ein "Add On", der ein normales Linux echtzeitfähig gestaltet. Weitere Informationen zu RTAI bei Terminalsystemen finden sich auch im Terminalforum.

Nicht vergessen sei auch der Punkt Datensicherheit / Security bei einer LAN Verbindung. Wer PC´s in ein Netzwerk einbindet, sollte sich über diesen Punkt Gedanken machen. Alles andere wäre fahrlässig. Fremde Rechner im Ethernet können die Ausgangsbasis für Netzattacken sein. Entweder beabsichtigt (durch Viren, Würmer) oder unbeabsichtigt (durch Fehlbedienungen). Wenn Ihr User nur durch Zufall eine IP Adresse doppelt vergibt, kann es zu Störungen kommen. Wenn ein Virus ständig Serviceattacken auf den Webserver im Industrieterminal durchführt, kann es auch zu Störungen kommen.

Der optimale Schutz ist es sicherlich, wenn Sie Ihr Automatisierungsnetzwerk komplett vom restlichen Firmennetzwerk abkoppeln. (Der beste Schutz gegen einen Fahrradunfall ist halt, auf das Fahrrad zu verzichten.) Falls das nicht möglich ist, z.B. weil bestimmte User das Netzwerk vom Arbeitsplatz aus fernwarten sollen / müssen / dürfen, wäre z.B. ein Firewall eine passende Lösung.

Zusammengefaßt gilt:

  • Über dezentrale IO Module kann der Anwender (fast) alle gewünschten Funktionalitäten in beliebiger Anzahl nachrüsten
  • Der Anschluss über Ethernet LAN ist eim einfachsten - allerdings nur bei sinnvollen und bei exclusiver Nutzung des Netzwerks zu empfehlen
  • Der Anschluss über CAN ist etwas programmaufwändiger - bietet aber dafür die Möglichkeit, diese Schnittstellen exclusiv zu verwenden

17/18.11.2004 Text. Hans-J. Walter

Weitere Dokumente befinden sich auf der Hauptseite für IT-BEITRÄGE nachsehen. Da gibt es Einiges zum diesem Themenkreis...

 


(c) hjw AE, Last Update: 26.01.2011. Alle Angaben ohne Gewähr
IT Lösungen für die Industrie: www.terminal-systems.de || IT Beiträge