SERCOS III SEerial Realtime COmmunication Sysem III

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1 Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik HTI Abteilung Elektrotechnik Studienarbeit zu Industriellen Netzwerken SERCOS III SEerial Realtime COmmunication Sysem III Fach : Embedded Control Verfasser : Christian Affolter Klasse : E3b Dozent : Prof. Max Felser Ort, Datum : Burgdorf, Januar 2006

2 1. Zusammenfassung SERCOS-III ist die Dritte Generation von SERCOS interface und verknüpft die Leistungsfähige Antriebsschnittstelle SERCOS interface nach IEC/EN mit dem Ethernet Standart. SERCOS interface ist ein weltweit akzeptierter Standart für alle auf Motion-Control basierten Automatisierungssysteme. Ihre Attraktivität basiert auf den herausragenden technischen Eigenschaften hinsichtlich Echtzeit, Performance und Störunempfindlichkeit sowie dem großen, verfügbaren Produktspektrum vieler Anbieter. SERCOS III.doc 2/11 Ch. Affolter

3 2. Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung Inhaltsverzeichnis Geschichte SERCOS interface SERCOS-III Neuerungen gegenüber Sercos I/II Kompatibilität zu Sercos I/II Markt und Einsatzgebiet Einsatzgebiet Markt Technologie Prinzip Zykluszeiten Hardware Struktur Topologie Kommunikation unter den Komponenten Kommunikations Ebenen Grobe Datenstruktur Sichere Datenübertragung Softwareunterstützung: SERCOS Master Treiber SERCdrv SERCOS Slave Treiber SERCslave Preis Literaturverzeichnis Schlussbemerkung...11 SERCOS III.doc 3/11 Ch. Affolter

4 3. Geschichte 3.1. SERCOS interface SERCOS interface wurde Mitte der achtziger Jahre von einem Industriekonsortium unter Federführung des Zentralverbands der Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) und des Vereins Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW) als digitale Antriebsschnittstelle entwickelt. Die erste Generation von Sercos interface unterstützte eine Übertragungsrate von 2- und 4 Mbit/s und kam vor allem bei anspruchsvollen Werkzeugmaschinenanwendungen zum Einsatz. Sercos interface wurde im Jahre 1995 als IEC-Norm anerkannt. Die Europäische Norm EN folgte im Jahre Heute ist SERCOS interface ist eine weltweit tätige Nutzerorganisation, die für die Vermarktung, die Zertifizierung, die technische Weiterentwicklung und die Standardisierung des Echtzeit- Kommunikationsstandards SERCOS interface verantwortlich ist. Die Organisation mit Sitz in Stuttgart besitzt weltweit über 60 Mitgliedsfirmen, sowie eigene Tochterorganisationen in Nordamerika und Asien. Homepage : SERCOS-III Im Oktober 2000 begann Sercos interface unter Beteiligung diverser Mitgliedsfirmen mit der Entwicklung von Sercos III. Nach der Vorstellung des technischen Konzepts im April 04 folgten die ersten Prototypimplementierungen im darauf folgenden November. Gleichzeitig wurde die Sercos III Spezifikation bei der IEC als Public Available Specification (PAS) eingereicht. Die Spezifikation wurde mit 96% Akzeptanz als Vornorm (IEC/PAS 62410) angenommen. SERCOS III.doc 4/11 Ch. Affolter

5 4. Neuerungen gegenüber Sercos I/II 5. Kompatibilität zu Sercos I/II Bei der Entwicklung von Sercos II wurde auf eine grösstmögliche Abwärtskompatibilität betreffend Topologie, Profil, Telegrammstruktur und Synchronisation geachtet! Im Wesentlichen ist nur eine Hardwareänderung (von der Lichtwellen zur Ethernetphysik) erforderlich. 6. Markt und Einsatzgebiet 6.1. Einsatzgebiet Obwohl Sercos interface ursprünglich als reine Antriebsschnittstelle konzipiert wurde, hat sie sich im Laufe der Jahre zu einer universellen Motion-Control-Schnittstelle weiterentwickelt. Unter Motion Control versteht man allgemein Bewegungsfunktionen, wie beispielsweise elektronische Wellen in Zeitungsdruckmaschinen, Verpackungsmaschinen oder mehrachsigen Werkzeugmaschinen. Was Sercos SERCOS III.doc 5/11 Ch. Affolter

6 interface für solche Aufgaben besonders Auszeichnet ist die sehr gute Echtzeitfähigkeit sowie die Fähigkeit der Integration von Antrieben unterschiedlicher Hersteller. Denn Sercos Interface legt über 400 standardisierte Parameter fest, welche das Zusammenspiel von Steuerungen und Antrieben mit einer Herstellerübergreifenden Semantik ( Bedeutungslehre ) beschreibt. Neben Antrieben werden auch zunehmend E/A-Stationen an den Bus gekoppelt Markt Produkte mit SERCOS interface finden sich heute weltweit im Angebot von mehr als 50 Steuerungs- und 30 Antriebsherstellern. Daneben gibt es eine Reihe von Anbietern von SERCOS-E/A-Baugruppen sowie Hardund Software-Tools. Bis heute sind mehr als 1.5 Millionen Knoten in über 300'000 Anwendungen integriert 7. Technologie 7.1. Prinzip Sercos III basiert auf den bewährten Echtzeitmechanismen von Sercos interface und nutzt weiterhin das Prinzip der zyklischen Übertragung mit exaktem Zeitraster. Die Hardwarebasierte Synchronisation, mit einem Jitter von nur wenigen Nanosekunden, ist die Voraussetzung für die Realisierung anspruchsvoller Bewegungsaufgaben wie zum Beispiel das Steuern elektronischer Wellen in Zeitungsdruckmaschinen. Parallel zur Echtzeitverarbeitung können mit Sercos III beliebige auf IPbasierende Telegramme wie zum Beispiel TCP/IP in einem Nicht- Echtzeit-Fenster übertragen werden. Die Steuerung kann diese Telegramme transparent mit übergeordneten Geräten im Netzwerk austauschen Zykluszeiten Durch die Übertragungsrate von 100Mbit/s in Kombination mit der hohen Protokolleffizienz resultiert eine Zykluszeit von nur µs für bis zu 8 Antrieben mit 8 Byte zyklischen Daten. Damit ist es Sercos III möglich, das gesamte Automationsspektrum, abzudecken. Werden mehrere Antriebe, beziehungsweise mehr Bytes benötigt sinken die Zykluszeiten wie auf der nächsten Seite Dargestellt. SERCOS III.doc 6/11 Ch. Affolter

7 7.3. Hardware Die erste Implementierung der Sercos III Hardware wurde mit Spartan- 3 FPGA Bausteinen der Firma Xilinx durchgeführt. Aktuell sind im Moment folgende 2 Controller: Der Sercon100S, welcher auf einem Spartan-3 Baustein mit 200K Systemgattern (XC3S200) basiert, sowie der Sercon100M der mit einem Baustein derselben FPGA-Familie mit 400K Systemgattern (XC3S400) ausgerüstet ist. Diese beiden Controller beinhalten alle Hardwarefunktionen, wie zum Beispiel die Zeitsteuerung, die Synchronisation, sowie die Synchronisation von zyklischen und nicht zyklischen Daten auf der Basis zweier integrierter Ethernet MACs. Beide Varianten sind in ein 256-poliges BGA-Gehäuse integriert, so dass ein einheitliches Hardware-Design realisiert werden kann. 8. Struktur 8.1. Topologie SERCOS-III kann sowohl mit einer Ring- sowie mit einer Linienstruktur betrieben werden und arbeitet mit dem Master-Slave-Verfahren. Durch die Ethernet-Physik ergibt sich allerdings nicht ein einfacher Ring, sondern eine Doppelringstruktur (siehe Bild auf der nächsten Seite). Die Doppelringstruktur eröffnet die Möglichkeit, die Datenübertragung redundant auszuführen. Bei einer Kabelunterbrechung an einer beliebigen Stelle des Rings bleibt somit die Kommunikationsfähigkeit vollständig erhalten. Das heißt, die Anlage läuft störungsfrei weiter und die integrierte Diagnose meldet eine defekte Kabelverbindung, welche ohne Beeinträchtigung SERCOS III.doc 7/11 Ch. Affolter

8 der Maschinenverfügbarkeit ersetzt werden kann. Neben der Ringstruktur wird auch die Linienstruktur zugelassen. Sie hat selbstverständlich nicht den Vorteil der Redundanz, spart allerdings eine Kabelverbindung ein. Das kann bei ausgedehnten Anlagen von Nutzen sein. SERCOS-III nutzt also nicht die Sterntopologie des Standard-Ethernet. Hubs oder Switches finden also keine Verwendung! 8.2. Kommunikation unter den Komponenten Neben der Master/Slave - Kommunikation ist auch ein Datenaustausch zwischen Slave-, respektive Mastergeräten untereinander möglich. (siehe Bild) SERCOS III.doc 8/11 Ch. Affolter

9 8.3. Kommunikations Ebenen 8.4. Grobe Datenstruktur 9. Sichere Datenübertragung Eine sichere Datenübertragung wird mithilfe umfassender Diagnoseinformationen gewährleistet. SERCOS III.doc 9/11 Ch. Affolter

10 10. Softwareunterstützung: Sercos interface selbs bietet keine wirklich Anwenderfreundliche Software. Die Firma AUTOMATA GmbH & Co. bietet jedoch eine Software an, mit welcher sowohl der Master wie auch die Slaves konfiguriert werden können. Mögliche Funktionen siehe unten SERCOS Master Treiber SERCdrv Frei konfigurierbare Anzahl von SERCOS Antrieben Verwaltung von beliebig vielen SERCOS Ringen, mit Hardware Synchronisation Support von allen zyklischen Telegrammtypen(Standard Typen 0-6 und applikationsspezifisch Type 7) Automatische Kalkulation der SERCOS Cycle Tme Parameter Zugang zu allen Betriebsdaten via SERCOS Service Kanal Übertragung von Listen beliebiger Länge Wechsel der Kommunikations-Phasen, applikationsgesteuert ANSI-C source Code ohne Betriebssystem/ oder Hardware- Abhängigkeiten Implementierungsbeispiele für viele Betriebssysteme und Hardware- Plattformen (z.b.. VxWORKS, Linux, ETS,...) Implementierungstraining und Support durch AUTOMATA SERCOS Slave Treiber SERCslave In Übereinstimmung mit dem IEC Standard SERCslave ist portierbar auf die meisten Hardware- und Software- Plattformen Die Software ist komplett in C geschrieben und beinhaltet keine Abhängigkeiten zu Betriebssystemen. Somit ist die Implementierung auf ihre Hardware kein Problem. Ein flexibles Interface zur Slave-Hardware erlaubt den Einsatz des Treibers für Antriebe, verteile E/A Knoten, hydraulischen Servoventilen und und... Unterstützung des SERCON816 ASIC's für SERCOS II und des SERCON100S FPGA's für SERCOS III Anpasssung auf spätere Protokoll-Chips kein Problem SERCOS III.doc 10/11 Ch. Affolter

11 11. Preis Ein wesentliches Ziel bei der SERCOS-III-Hardware war die Reduktion der Anschaltungskosten. Folgende Punkte halfen die Kosten gegenüber Sercos II zu reduzieren. Kein Spezial-ASIC, sondern Einsatz von Standardbauelementen wie FPGA oder Kommunikationscontroller. Ethernet-Koppler anstelle von Lichtwellenleiterkopplern und damit verbunden auch günstigere Steckerkosten. Damit wurde SERCOS-III auch für den Einsatz in kostensensitiven Produkten interessanter Literaturverzeichnis Die Informationen für diesen Bericht beschaffte ich im Internet. Folgende Seiten unterstützten mich dabei. // Homepage von Sercos interface // Deutsche Elektronik Seite // offene Enzyklopädie // Anbieter von Komponenten für Bus- Systeme 13. Schlussbemerkung Dieser Bericht wurde nicht von einem Bus-System Spezialisten erstellt. Das heisst mir fehlen die Vergleichsmöglichkeiten mit anderen Bus- Systemen. Ich weiss also nicht wie sehr ich mich, von der Werbung von Sercos interface auf ihrer Homepage, beeinflussen lies! Denke jedoch, dass Sercos III ein wirklich gutes System ist - vor allem was die Echtzeitfähigkeit anbelangt. SERCOS III.doc 11/11 Ch. Affolter