Eine modulare Lösung ebnet den Weg zu Industrie 4.0

Bei der nachfolgend beschriebenen Applikation handelt es sich um eine von STMicroelectronics entwickelte, mit einigen besonderen Features für den neuen Trend zur Industrie 4.0 aufwartende Lösung für den Bereich der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Ziel ist es, die Fähigkeiten einer SPS zu realisieren, wobei die Konnektivitäts- und Automatisierungs-Features mit einfachen Hilfsmitteln implementiert werden. Die modulare Lösung setzt sich hauptsächlich aus den drei Hardware-Boards Nucleo- F401RE, X-Nucleo-IDW01M1 und X-Nucleo-PLC01A1 zusammen. Hinzu kommt eine Firmware und eine App für die Verwendung auf Tablets und Smartphones. Mit dieser App lässt sich SPS über eine GUI bedienen.

Abb 1.: Blockschaltbild des SPWF01SA
(Bild: STMicroelectronics)

Zunächst eine Übersicht über die wichtigsten ICs in diesemProjekt:

• • Das Wi-Fi-IC SPWF01SA ist ein Wi-Fi-Modul mit einem integrierten, ARM-Cortex-M3-basierten STM32-Mikrocontroller mit 64kB RAM, 512kB Flash, integriertem TCP/IP-Protokoll, der Möglichkeit zum Einstellen verschiedener Sicherheitsschlüssel, einer integrierten 2,4GHz-Antenne, einem integrierten UART als Schnittstelle zum Hostsystem sowie Unterstützung für den einfachen AT-Befehlssatz zum Einstellen der Hostschnittstelle per UART. Entwickelt wurde der Baustein für intelligente Geräte, Home-Automation-Anwendungen, industrielle Steuerungs- und Datenerfassungs-Applikationen, drahtlose Sensoren, medizinische Geräte und die M2M-Kommunikation.
• • Der CLT01-38SQ7 ist ein für den industriellen Einsatz vorgesehener digitaler Eingangsabschluss-Baustein mit integrierter SPI-Peripherie für den Informationsaustausch mit externen Mikrocontrollern im 8 oder 16Bit-Format. Die 8Bit-Einstellung unterstützt lediglich das Auslesen des Kanalstatus, während mit der 16Bit-Kommunikation auch verifiziert werden kann, ob die Daten verfälscht wurden. Dies geschieht mithilfe einer Paritätsberechnung an den vom Mikrocontroller kommenden Frames und durch Vergleichen des errechneten Wertes mit der im Frame selbst enthaltenen Paritätsinformation. Mit der 16Bit-Einstellung lassen sich außerdem Hardware-Informationen wie etwa Übertemperatur und Unterspannung kommunizieren.

Abb. 2: Blockschaltbild des VNI8200XP
(Bild: STMicroelectronics)

Hinsichtlich der Hardware bietet die Kompatibilität zum VCC-Bereich der Eingangs-Pins dem Anwender die Möglichkeit zum Anschluss von Sensoren oder der Ausgänge eines digitalen Ausgangs-IC, um dessen Hardwarestatusinformationen auszulesen.

• • Der Digitalausgangs-Baustein VNI8200XP ist ein industrieller Digitalausgang (Halbleiter-Relais) mit integrierter SPI-Peripherie (für maximal 5MHz) sowie der Wahlmöglichkeit zwischen 8 und 16Bit-Frames abhängig von den Anforderungen der Applikation. Welches Format gewählt wird, richtet sich nach der Geschwindigkeit der Applikation oder der Art der zu übertragenden Informationen. Wenn es lediglich um den Ausgangskanal geht und nur Rückmeldungen zu dessen Status (Fehler oder kein Fehler) abgerufen werden sollen, reicht die 8Bit-Einstellung aus. Werden dagegen weitergehende Informationen über den Status benötigt, wie etwa zur Regelung des internen Gleichspannungswandlers, Übertemperaturschutz des Gehäuses (aktiv oder nicht aktiv), Höhe der Versorgungsspannung, oder Analyse des Frames auf eine etwaige Verfälschung, wird die Verwendung der 16Bit-Einstellung empfohlen.

Abb. 3: CLT01-38SQ7 mit typischer externer Beschaltung
(Bild: STMicroelectronics)

Das IC ist mit mehreren Schutzfunktionen ausgestattet, um die Betriebssicherheit der Applikation zu steigern. Vorhanden sind ein Überstromschutz mit Begrenzungsfunktion für jeden Kanal, ein Sperrschicht-Übertemperaturschutz für jeden Kanal (wird im SPI-Frame gemeldet), ein Gehäuse-Übertemperaturschutz sowie ein Überspannungsschutz für VCC. Zur Senkung des Bauteileaufwandes auf der Applikationsleiterplatte ist ferner ein Gleichspannungswandler eingebaut, der eine Spannung von wahlweise 3,3 oder 5V bereitstellt.

Das Softwaretool – Allgemeine Beschreibung

Abb. 4: a) Rung-Auswahlseite; b) Rung-Konfigurationsseite
(Bild: STMicroelectronics)

Die Software hält sich an das bekannte Kontaktplankonzept zum Programmieren speicherprogrammierbarer Steuerungen und entspricht den Richtlinien der Norm IEC6131-3. Mithilfe eines Tablets oder iPads kann der Anwender Eingänge (beispielsweise von Sensoren oder einem aktiven digitalen Ausgang) mit Ausgängen in Beziehung setzen (z.B. zum Ansteuern von Alarmfunktionen, LEDs, Ventilen usw.). Der vom Benutzer erstellte Kontaktplan wird daraufhin in eine Konfiguration umgesetzt und an das SPS-System übertragen.

Eine von STMicroelectronics für Android und iOS entwickelte Prototyp-App lässt sich auf Tablets oder iPads installieren. Mit ihr können bis zu sieben Konfigurationen, die im Zusammenhang mit Kontaktplänen als ,Rungs‘ (Leitersprossen) bezeichnet werden, ausgewählt werden.

Abb. 5: Seite zum Einrichten der Verbindung
(Bild: STMicroelectronics)

Für jede Konfiguration lassen sich die Beziehungen zwischen Ein- und Ausgängen definieren. Darüber hinaus lassen sich bis zu acht verschiedene Setups programmieren. Flexibilität wird geboten, wenn beispielsweise in einer vorausgehenden Programmierphase mehr als ein Rung konfiguriert wurde. Hier kann die Konfiguration einfach geändert werden, indem die vorige Auswahl gelöscht und die neue Konfiguration für den betreffende Rung programmiert wird.

Ablauf der Programmierung

Nachfolgend wird beschrieben, wie sich das Modul mithilfe der GUI programmieren lässt. Die GUI bietet dem Anwender drei Seiten für die folgenden Aktionen:

Abb. 6: Reset- und Transmitt-Buttons auf der Programmierseite
(Bild: STMicroelectronics)

• • Einrichten der Konfiguration und Verbinden von Ein- und Ausgängen
• • Konfiguration der Konfigurationsparameter (Port-Nummer und IP-Adresse)
• • Programmieren des jeweiligen Rung und bei Bedarf Abwahl des nicht gewünschten Rung vor dem Programmieren oder Zurücksetzen der aktuellen Modulkonfiguration

Fazit

Der von STMicroelectronics für die Industrie 4.0 entwickelte Demonstrator ist eine modulare Lösung aus Fast-Prototyping-Boards (Nucleo und X-Nucleo). Er veranschaulicht die Fähigkeiten von SPS-Systemen, wobei Konnektivitäts- und Automations-ICs gemeinsam für die M2M-Kommunikation sorgen. Beim Design des SPS-Boards wurde speziell auf das Leiterplattenlayout geachtet, um neben guten thermischen Eigenschaften auch eine hohe Beständigkeit gegen Überspannungen, Ladungsstöße und elektrostatische Entladungen zu erzielen.

Autor: Massimo Oteri, Senior Application Engineer, STMicroelectronics
www.st.com