SmartWire Darwin: Verbinden statt Verdrahten Revolution im Schaltschrank und an der Maschine.

Im Oktober 2006 hat Moeller das evolutionär angelegte Produktkonzept Darwin vorgestellt. Was hat sich zwischenzeitlich getan? Bei unserem Darwin-Konzept war und ist es das Ziel, die Schalt- und Automatisierungsgeräte zusammenzuführen. Dabei ersetzen wir die herkömmliche Steuerverdrahtung zwischen E/A-Baugruppen und Schaltgeräten durch eine neue Verbindungstechnik. In mehreren Evolutionsschritten wird letztlich die E/A-Ebene substituiert und auf Basis unseres Mottos \’Verbinden statt Verdrahten\‘ Kosteneinsparungen beim OEM erzielt. Wir präsentierten auf der Hannover Messe 2008 erstmals funktionsfähige \’SmartWire Darwin\‘-Produkte. Dazu zählen neben den Motorstartern und Schützen nun auch die Befehls- und Meldegeräte RMQ Titan. Wurden im ersten Darwin-Schritt die Befehls- und Meldegeräte noch konventionell über E/A angebunden, fällt diese Ebene nun im zweiten Schritt komplett weg. Unsere Schütze können über \’SmartWire Darwin\‘ jetzt direkt mit den Befehlsgeräten verbunden werden. Damit sparen wir rund 50% des bisherigen Platzbedarfs im Schaltschrank ein, gestalten ihn kompakt und äußerst übersichtlich. Wie Moeller bereits ankündigte, haben Sie ein eigenes Darwin-Asic entwickelt. Ja, für die Anforderungen eines vernetzbaren RMQ respektive Schütz, besonders im Hinblick auf Stromverbrauch, Preis und Bauteilgröße, war kein käufliches, am Markt befindliches Vernetzungssystem geeignet. Um trotzdem alle Anforderungen zu erfüllen, entwickelten wir ein neuartiges Vernetzungssystem und setzten dabei auf die Asic-Technologie. Seit Jahresanfang ist unser Darwin-Asic verfügbar. Für die Entwicklung bis zur Serienreife benötigten wir etwa zwei Jahre. Im Vordergrund standen dabei die Faktoren Preis, Funktion und Größe. Allein um ein zukunftsfähiges Asic in seiner Spezifikation zu erstellen, benötigt es nahezu ein Jahr. Denn unser Asic soll schließlich nicht nur in unseren Befehls- und Meldegeräten zum Einsatz kommen, sondern in all unseren Geräten rund um den Motor. Wir haben zwei Anspruchsrichtungen in einem Asic realisiert. Auf der einen Seite befindet sich die Sensorik/Aktorik, bei der eher geringe Datenmengen übertragen werden – also die Anforderungen an die Kommunikation nicht besonders anspruchsvoll aber preissensitiv sind. Auf der anderen Seite haben wir Hochleistungsgeräte wie Frequenzumrichter, Leistungsschalter und die SPS. Hier erreichen die zu übertragenden Datenmengen andere Größenordnungen bei weniger preisrelevanten Kriterien. Diese beiden Welten wollten wir mit unserer Spezifikation abdecken und in einem Darwin-Asic vereinen. Dieses herausfordernde Ziel haben wir erreicht, darauf sind wir stolz. Unser Darwin-Asic ist kein reiner Kommunikations-Chip, sondern als gleichsam eigenständiger Controller aufgebaut. Wir dürfen aber nicht vergessen: Ein Sensor-Aktor-Hersteller erwartet einen preis- und platzoptimierten Chip und das bekommt er mit unserem Darwin-Asic auch. Was ist das Besondere am Darwin-Asic? Wir integrieren zwei verschiedene Technologien in einem Chip. Erstens einen high voltage-Teil. Dieser bietet RS485-Technologie, eine Spannungsversorgung => 0.6µm 60V und setzt auf die CMOS/SOI-Technologie, die Chip-Fläche beträgt 5,2mm². Zweitens einen low voltage-Teil mit 200k logic gates, 8kByte SRAM, einen nichtflüchtigen Speicher von 32kB => 0.25µm CMOS embedded Memory Flash und eine Chip-Fläche von 13,5mm². Beide Siliziumstücke liegen gestackt in einem Chip. Unser Asic besitzt das anspruchsvollste Asic-Design, das zurzeit in dieser Technologie möglich ist. Welche und wie viele Teilnehmer können am \’SmartWire Darwin\‘ mit welcher Reichweite betrieben werden? Es können theoretisch maximal 100 Teilnehmer, bestehend aus RMQs, Schütz, E/A-System und Leistungsschalter an einem \’SmartWire Darwin\‘-Strang betrieben werden. Die Reichweite hängt dabei von der zu verwendeten Kabelart ab: Mit einer Flachbandleitung im Schaltschrank erzielen Anwender Reichweiten von bis zu 50m. Außerhalb des Schaltschranks werden mit Twisted Pair (Cat 5) bis zu 100m erreicht. Diese Angaben basieren auf Applikationen, die keine zusätzlichen Verstärkerbaugruppen benötigen. Werden Verstärkerbaugruppen verwendet, so überwinden sie weitaus größere Distanzen. Das hängt von der Applikation ab. Wie werden die \’Darwin-Geräte\‘ angeschlossen und mit Spannung versorgt? Bislang wurden die grünen Moeller Flachband-Leitungen bei den Schützen mit Anschlusssteckern versehen und in die entsprechenden Anschlussbuchsen der Schütz-Module gesteckt. Bei \’SmartWire Darwin\‘ stecken Anwender an der von ihnen vorgesehenen und gewünschten Anschlussposition lediglich einen Gerätestecker auf die \’SmartWire Darwin\‘-Leitung und verpressen diesen mit einer Quetschzange gasdicht. Hierzu werden die Adern der SmartWire-Leitung V-förmig angeschnitten, wodurch alle Leitungswiderstände auf Null gehen. Dies wirkt sich positiv auf die Leitungslänge aus. Die derart auf der SmartWire-Leitung aufgebrachten Geräteanschlussstecker werden dann einfach auf die RMQBefehls- und Meldegeräte, Motorstarter oder Schütze, aufgeclipst. Schließlich werden – wie gewohnt – alle Befehls- und Meldegeräte über grüne Flachband-Leitungen miteinander verbunden. Entsprechend dem Daisy-Chain-Verfahren erfolgt per Knopfdruck die Adressierung der einzelnen Geräte. Mit \’SmartWire Darwin\‘ können Anwender – wie bereits gesagt – jetzt bis zu 100 Teilnehmer miteinander verbinden. Eine im T-Stecker integrierte Platine eröffnet übrigens die Möglichkeit, eventuell eine kleine Zusatzelektronik unterzubringen, was später, in Bezug auf die kapazitiven und induktiven Eigenschaften eines Bussystems, durchaus von Vorteil sein kann. Dieser Stecker kommt bei allen Teilnehmern zum Einsatz, die neben den Datenleitungen auch die notwendige Energie benötigen. D.h., neben den Datenleitungen werden, von einem Netzteil ausgehend, 15V für entsprechende Versorgungselektroniken bereitgestellt und 24V speziell für die Schütz-Anschaltungen mitgeführt. Für die Verdrahtung der Peripherie kommen konventionelle Rundkabel zum Einsatz. Auf welcher Topologie basiert \’SmartWire-Darwin\‘? Je nach Topologie ist der Anschluss eines Teilnehmers an einen Bus mehr oder weniger aufwendig. Eine Stern-Topologie benötigt nur eine Leitung von der Zentrale oder einem Hub. Bei linearen Bussen ist beim Anschluss lediglich darauf zu achten, den Durchgang nicht zu stören, an einem der Busenden ist zusätzlich ein Abschlusswiderstand vorzusehen. Der \’SmartWire Darwin\‘-Bus ist als Linienbus konzipiert. Welche Protokollarchitektur und welches Zugriffsverfahren steckt hinter \’SmartWire Darwin\‘? \’SmartWire Darwin\‘ ist ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem, es arbeitet mittels eines Summenrahmenprotokolls und ist für industrielle Einsätze ausgelegt. Um die Bandbreite voll ausschöpfen zu können, unterteilt \’SmartWire Darwin\‘ den Zyklus in statische und dynamische Abschnitte. So befindet sich am Anfang eines jeden Kommunikationszyklus ein statisches Segment, bei dem jedem Knoten ein festes Übertragungsfenster, für die Erstellung einer gemeinsamen Botschaft, zugeteilt wird. Im nachfolgenden dynamischen Abschnitt werden dann die Daten der azyklischen Übertragung – das sind beispielsweise Kommandos, Parameter-, Prozess- und Konfigurationsdaten – dynamisch eingefügt. Die Übertragung erfolgt dabei objektorientiert nach dem Client-Server-Verfahren und kann von jedem Knoten in Anspruch genommen werden. Die Eigenschaft einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit resultiert jedoch aus dem Rahmen des statischen Segments. Das von allen Knoten gemeinsam erstellte Telegramm bietet große Vorteile gegenüber allen bisherigen Systemen. So steht ein und dieselbe Botschaft, exakt zum gleichen Zeitpunkt – uneingeschränkt und in vollem Umfang – allen Knoten zur Verfügung. Jeder einzelne Knoten erzielt bei diesem Verfahren nicht nur eine vielfach höhere Reaktionsgeschwindigkeit, sondern entspricht auch den hohen Anforderungen, die ein industrieller Einsatz fordert. Moeller Befehls- und Meldegeräte enthalten also optional einen \’Darwin-Chip\‘. Wie sieht die Kosten-/ Nutzenrechnung für den Kunden aus? Zunächst – die Darwin Technology vereinfacht in erheblichem Maße die kompletten Abläufe für den Schaltschrankaufbau und gestaltet sie in jedem Schritt effizienter. Das beginnt bei der Planung, Projektierung und Montage und reicht hin bis zur Inbetriebnahme, dem laufenden Betrieb und bei eventuellen späteren Erweiterungen. Der für Anwender offensichtlichste Vorteil: Der Ersatz der Steuerstromverdrahtung erfolgt mit lediglich einer Leitung, der \’SmartWire Darwin\‘-Leitung. Über sie werden alle Informationen transportiert und gleichzeitig auch die Teilnehmer mit Strom versorgt. Darüber hinaus entfällt nicht nur die Steuerstromverdrahtung am Schaltgerät selbst, sondern auch die E/A-Ebene an der zentralen Steuerung. Für Anwender entfällt mit der Darwin Technology der bislang mühsame und zeitlich aufwendige Verdrahtungsaufwand. Und Verdrahtungsfehler lässt das System gar nicht zu. Um die Darwin Technology in drei Vorteilen zu charakterisieren: Erstens: Die Darwin Technology setzt auf Standard-Komponenten, ein System für alle Motoren. Zweitens: Alle Darwin Teilnehmer werden auf einen Knopfdruck hin, nach dem DaisyChain-Verfahren, automatisch adressiert. Und drittens ist der Einsatz von Darwin verblüffend einfach und zeitsparend – entsprechend der Devise Plug & Work. Der Benefit für Kunden ist insgesamt beeindruckend, sowohl was die technische Seite anbelangt, als auch hinsichtlich der Life-Cycle-Costs. Wie erfolgt die Anbindung an weitere Bussysteme? Werden Gateways hierfür weiterhin erforderlich sein? Gateways wird es immer geben, wenn in der Applikation keine Moeller-Steuerung vorhanden ist, d.h., wenn es sich bei der Steuerung um eine sogenannte Any-SPS handelt und diese eine der gängigen Feldbussysteme unterstützt. In alle zukünftigen Moeller-Steuerungssysteme wird SmartWire Darwin integriert sein, bei diesen Systemen ist natürlich kein zusätzliches Gateway erforderlich. SmartWire Darwin-Gateways gibt es derzeit wahlweise für CANopen- oder Profibus DP- Netzwerke. Wann werden Sie weitere Darwin-fähige Geräte anbieten? Wenn die jetzige Entwicklung abgeschlossen ist. Sie bildet die Basis für die Zukunft. Das Gerätespektrum wird kontinuierlich ausgebaut. Nach der \’Darwinisierung\‘ der Befehls- und Meldegeräte und mit der bereits erfolgten Einführung von \’easySafety\‘ gehen wir konsequent in Richtung sicheres Bussystem. Derzeit können wir zwar unsere klassischen Befehls- und Meldegeräte mit den Darwin-fähigen im Schaltschrank kombinieren, allerdings erfolgt die Verdrahtung von Not-Aus noch konventionell. Lediglich die Information, dass eine Abschaltung erfolgt ist, lässt sich aktuell über das Bussystem transportieren. Wir planen zukünftig, an einen \’SmartWire\‘-D-Safety-Bus sichere und nicht sichere Teilnehmer anzubinden. Mehrere namhafte Hersteller der Automatisierungstechnik haben eine standardisierte Sensor-Aktor-Schnittstelle definiert, den I/O-Link. Darwin stellt eine proprietäre Moeller Lösung dar. Ziel der Entwicklung von \’SmartWire-Darwin\‘ war es, die einfachen und preissensitiven Schalt-, Befehls- und Meldegeräte mit in die Vernetzung einzubeziehen. Die aufwendige und fehlerträchtige Einzel-Verdrahtung dieser Geräte an die E/A-Punkte des Automatisierungssystems wird hierdurch überflüssig. Das eröffnet auch die Möglichkeit, weitere Geräte-Informationen, etwa über die Kontakt-Abnutzung, zu übertragen. I/O-Link hält dagegen am Konzept der Einzel-Verdrahtung fest, der einzelne Draht wird informationstechnisch \’aufgewertet\‘ und kann neben dem eigentlichen E/A-Signal noch weitere Informationen – wie Diagnosen und verschiedene Parameter – transportieren. Im Übrigen soll \’SmartWire-Darwin\‘ keine proprietäre Moeller-Lösung bleiben. Wir sind offen für jeden anderen Hersteller. Wir haben mit Darwin die Grundlage für eine breite Nutzung der Darwin-Technologie geschaffen. Im nächsten Schritt planen wir die Anbindung von Schaltgeräten weiterer Hersteller an \’SmartWire Darwin\‘. Einem OEM eröffnet sich der größte Nutzen von Darwin, wenn eine Vielzahl von Herstellern dementsprechende Produkte im Potfolio haben. Ich betone nachdrücklich: Wir wollen uns mit Darwin nicht isolieren, im Gegenteil. Wir sprechen derzeit mit einer Reihe von potenziellen Kooperationspartnern. Der ein oder andere Kooperationspartner geht bereits seit zwei Jahren einen gemeinsamen Weg mit uns. Mit Darwin adressieren Sie vorzugsweise die Industrieautomation oder planen Sie den Einsatz ebenso in der Gebäude- und/oder in der Prozessautomation? Beide Wege – Gebäude und Prozess – sind problemlos gangbar. Der \’SmartWire Darwin\‘-Bus ist nicht nur für den Einsatz im Schaltschrank gedacht, sondern kann auch außerhalb genutzt werden. Ebenfalls finden zurzeit Überlegungen statt, die interne RS485-Phy durch eine Ethernet-Phy zu ersetzen und somit auch eine Ethernet-basierende Lösung zur Verfügung zu stellen. Nicht wenige Fachleute sehen Ethernet als Option, die bis in die Feldebene hinabreicht, entzieht man Darwin dann nicht gleichsam den Boden? Zunächst muss man sich die Frage stellen, was ist Ethernet? Jeder benutzt es, aber viele wissen nicht, um was es so richtig geht. Denn die Basis des reinen Ethernets ist das TCP/IP-Protokoll, und das ist bekanntlich nicht echtzeitfähig. Also benutzen die Hersteller eigentlich nur die Kabelphysik und setzen ihr eigenes Protokoll darüber. Wie werden Sie Kunden den Einstieg in die Darwin Technologie erleichtern? In Anlehnung an unser easy-Konzept planen wir – neben breit angelegten Kommunikationsmaßnahmen – ein Forum im Internet. Das easy-Forum ist ein beeindruckendes, erfolgreiches Projekt – das vermitteln uns seit Jahren alle Beteiligten. Wir betrachten diesen Austausch von und mit anderen als beste Option, den Umgang mit der Darwin-Technologie zu lernen. Und um zu verdeutlichen, dass wir Anwendern den Einstieg wirklich erleichtern wollen, ein Beispiel. Da nicht nur Daten, sondern auch Energie über den seriellen Bus übertragen wird, muss die ausreichende Versorgung der Teilnehmer im Netzwerk sichergestellt sein. Hierzu bieten wir eine Energie-Management-Software an, die den Anwender in der Planungsphase seines Netzwerks unterstützt. Sie gibt u.a. Auskunft darüber, ob die Konfiguration ausreichend mit Leistung versorgt wird. Bei einer Beispielkonfiguration von 32 Teilnehmern wäre die Leistungsgrenze vom treibenden Netzteil erreicht und an dieser Stelle müsste ein weiteres gesetzt werden. Das lässt sich im Vorfeld über die Software ermitteln. Ansonsten ist die Darwin-Technology einfach aufgebaut, sie setzt wie erwähnt auf Standardkomponenten und konfiguriert sich auf Knopfdruck. Anwender müssen keine Dip-Schalter bewegen, kein neues Fachwissen lernen oder sich in ein neues Bussystem einarbeiten. Ein OEM, der beispielsweise eine Siemens-Steuerung mit Profibus-Schnittstelle in seinem Schaltschrank einsetzt, kann auch zukünftig den gleichen Profibus-Konfigurator verwenden und muss seine Software nicht umstellen. Wann wird es erste \’SmartWire Darwin\‘-Geräte am Markt geben? In den OEM-starken Ländern, wie Deutschland, Schweiz, Italien, Polen oder Benelux, erfahren unsere Darwin-fähigen Produkte bereits eine rege Nachfrage. Prototypen werden wir einzelnen OEM-Kunden schon bald bereitstellen können. Erste Serienprodukte werden im kommenden Jahr lieferbar sein.