Byte-Spiegelung statt Protokoll-Overhead
netRAPID 90 ist eine kompakte Device-Schnittstelle und wird wie ein Standard-QFP-Bauteil auf das Host-Sstem gelötet. (Quelle: Hilscher)
Kernaspekt der technischen Lösung war die Trennung von Applikations- und Kommunikationslogik. So sollte der STM32-Controller, der bereits alle gerätespezifischen Funktionen, wie Frequenzregelung, Amplitudensteuerung und Leistungsmanagement, abbildet, nicht zusätzlich mit der Profinet-Kommunikation belastet werden. Zwar war ursprünglich angedacht, das netRAPID 90 im sogenannten Companion Mode arbeiten zu lassen – also die Applikation im STM32 zu implementieren und die Kommunikation in das Profinet-Netzwerk komplett über das netRAPID 90 abzuwickeln. Da der STM32 aber bereits durch zeitkritische Abläufe an seiner Performance-Grenze arbeitete, entschied man sich dazu, den netRAPID im Stand-alone-Modus zu implementieren. Dadurch können Applikationsdateien über den zweiten Core des netX 90 via Profinet Protokoll zwischen Provider und Consumer ausgetauscht werden. Auf diese Weise ließ sich die Profinet-Kommunikation praktisch ohne weitere Performance-Einbußen für den STM32 realisieren.
Die Verbindung zum STM32 wurde über eine SPI-Schnittstelle realisiert. Dabei agiert der netRAPID 90 als Master und ruft die prozessrelevanten Daten direkt vom STM32 Control-Chip ab bzw. übermittelte diese an ihn. Dieser zyklische Prozessdatenaustausch erhöht die Timing-Stabilität der Kommunikation und ermöglicht außerdem spätere Änderungen innerhalb der übermittelten Daten.
Die Umsetzung der Datenstruktur im System geschah wie folgt: Die Profinet-Kommunikation wurde so konfiguriert, dass der netRAPID 90 keine Kenntnis von den konkreten Dateninhalten hat. Stattdessen werden 64 Byte an Provider- und 64 Byte an Consumer-Daten als reine Byte-Felder zyklisch zwischen dem Profinet-Netzwerk und dem STM32 ausgetauscht. Somit ist es allein Aufgabe der übergeordneten Steuerung und des STM32, die Inhalte dieser Datenfelder zu interpretieren. Für die Applikation auf dem netRAPID-Modul selbst ist dies irrelevant– sie spiegelte die Daten lediglich in definierten Takten.
Diese Spiegelung reduzierte den Entwicklungsaufwand erheblich: Anpassungen an der Datenstruktur – etwa das Erweitern von Parametern, die Umstellung von 8-bit- auf 16-bit-Werte oder das Hinzufügen neuer Steuerbefehle – konnten selbst zum Projektende hin noch erfolgen, ohne dass die Kommunikationsschicht erneut angepasst werden musste. Genau dieser Entkopplung verdankte das Projekt seine hohe Flexibilität und Umsetzungsgeschwindigkeit. Für den Entwickler bedeutete das: keine komplexe Diagnose, keine aufwendige Interpretation, keine unnötige Parametrierung, sondern ein robuster, flexibler Prozessdatenaustausch. Zusätzlich konnte die Entwicklungszeit mit dem netRAPID 90 von Hilscher als Embedded-Modul-Lösung verkürzt werden, da der Entwicklungsaufwand im Vergleich zu einer integrierten Chip-Lösung geringer war.
Jörg Klenke, PMO (Project Management Officer) und Mitglied der Geschäftsleitung bei Burger Engineering, erklärt: „Bei Produktentwicklungsprojekten bieten wir schon lange ein Rundum-Sorglospaket an, das in letzter Zeit verstärkt von unseren Kunden angefragt wird. Das hat verschiedene Gründe, sicherlich auch internen Ressourcenmangel. Denn die Zeiten, in denen man sich für die Produktentwicklung viele Monate Zeit nehmen konnte, sind vorbei. Durch den Einsatz von vollständig getesteten Embedded-Modulen mit vorinstallierter Firmware können wir den Entwicklungszyklus aber drastisch verkürzen.“
Bei Brückmann ist man mit dem Ergebnis sehr zufrieden, wie Sebastian Wenzel, zuständig für technischen Vertrieb, ausführt: „Die Zusammenarbeit mit Burger Engineering hat es uns ermöglicht, für unseren Kunden in sehr kurzer Zeit eine Profinet-fähige Lösung zu realisieren – trotz der Herausforderungen einer Kleinserienentwicklung und nachträglicher Änderungen. Besonders wertvoll war für uns die Kombination aus technischer Expertise und einer äußerst pragmatischen Herangehensweise. Das Ergebnis hat unsere Erwartungen voll erfüllt, und wir können uns gut vorstellen, bei künftigen Projekten wieder auf das Team zurückzugreifen.“
Kleinserienprojekt als Einstieg ins IIoT
Im Ergebnis wurde eine vollständige Profinet-Anbindung eines industriellen Netzteils in weniger als einem halben Jahr realisiert und mit minimalem Aufwand zertifiziert. Die Lösung lässt sich in Zukunft problemlos anpassen oder auf weitere Geräteklassen übertragen. So wurde aus einem Kleinserienprojekt ein idealtypischer Einstieg ins Industrial IoT. Und das neue Ultraschall-Schweißgerät wurde 2025 auf einer einschlägigen Fachmesse erfolgreich präsentiert.
In neun Monaten und zwei Projektphasen zum Endprodukt
Das Projekt gliederte sich in zwei Phasen: eine erste Umsetzungsphase im Jahr 2023 und eine zweite Zertifizierungs- und Optimierungsphase im Jahr 2024. Die Zusammenarbeit erfolgte dabei arbeitsteilig zwischen dem Systementwickler Brückmann, dem Kommunikationsexperten Burger Engineering und dem Hardwareanbieter Hilscher.
Phase 1: Umsetzung (Februar bis Juni 2023)
Gestartet wurde mit einem gemeinsamen Workshop mit Brückmann als Auftraggeber und Burger Engineering als Entwicklungspartner. In diesem wurde der technische Rahmen für das Projekt abgesteckt und entschieden, ob ein Companion-Mode oder eine Stand-alone-Lösung mit SPI-Anbindung geeigneter wäre. Nach Analyse der Controller-Belastung entschied man sich für die Stand-alone-Variante mit SPI-Spiegelung. Die Applikation wurde vollständig auf dem Application Core des Hilscher netRAPID 90 realisiert. Der Entwicklungspartner übernahm die komplette Umsetzung der Applikation und arbeitete in der Frühphase mit Evaluation-Boards, um unabhängig von der Zielhardware zu testen. Parallel lieferte Hilscher den Profinet-Protokoll-Stack passend zur netRAPID-90-Hardware.
Phase 2: Optimierung und Zertifizierung (Juni bis September 2024)
Der zweite Projektabschnitt umfasste die Umsetzung der Lösung auf Basis von Vortests für die Profinet-Zertifizierung. Dabei passte der Entwicklungspartner die Datenstruktur auf Kundenwunsch hin noch einmal an und erweiterte Parameterbereiche. Die Flexibilität der 64-Byte-Spiegelung zahlte sich hier erneut aus. Die Zertifizierung erfolgte durch die Prüfstelle ComDeC, nur wenige Kilometer vom Entwicklungsstandort entfernt. Dies ermöglichte schnelle Rückläufe: So konnte ein notwendiges Software-Update ohne neue Anmeldung direkt vor Ort aufgespielt werden.
Auch in dieser Phase zeigte sich die Effizienz des eingesetzten Kommunikationsmoduls: Die Auswahl der Konformitätsklasse A und Netload-Klasse 1 zu Projektbeginn reduzierte nicht nur den Entwicklungs-, sondern auch den Zertifizierungsaufwand auf das Notwendige. Features, wie Profinet-Alarme, Diagnosefunktionen oder aufwendige Parametrierung, wurden bewusst nicht umgesetzt – sie waren für den Anwendungsfall nicht erforderlich und hätten nur mehr Zeit und Kosten bedeutet.
Rollenverteilung im Projekt
- Brückmann: Gesamtverantwortung für das Netzteil-Design, Projektkoordination, Abstimmung mit dem Endkunden,
- Burger Engineering: Entwicklung der Applikation bzw. der Profinet-Kommunikation (Stack) sowie Integration der Kommunikation über netRAPID 90, Begleitung der Zertifizierung,
- Hilscher: Bereitstellung des netRAPID 90 sowie zugehörigen Stacks, Support bei Stack-Fragen und Lizenzabwicklung, technischer Austausch während der Implementierung.