Systemübersicht POWERLINK. Basics

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1 Systemübersicht POWERLINK Basics

2 Warum Industrial Ethernet? In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurde in der Automatisierungsbranche eine unübersichtliche Anzahl verschiedener Feldbusse entwickelt, die ausschließlich für die Datenkommunikation der Prozess- und Fertigungssteuerung ausgelegt wurden und sehr unterschiedlichen Einschränkungen unterliegen. Deshalb wuchs das Bedürfnis nach einem einheitlichen, zuverlässigen Kommunikationssystem, das hohe Flexibilität und breite Kompatibilität bietet. Eine weitere Forderung war, dass eine neue Lösung auch offen für zukünftige Weiterentwicklungen sein muss. Zunächst bot sich Ethernet an: Diese Technik war erprobt, patentfrei und weitreichend normiert und besaß das Potenzial, als durchgängige Kommunikationslösung Leit-, Prozess- und Feldebene miteinander zu verbinden. Doch das Standard-Ethernet ist in Verbindung mit einem Internet-Protokoll wie zum Beispiel TCP/ IP nicht dafür geeignet, Daten in harter Echtzeit zu übertragen. Bei der Datenübermittlung kommt es zu unvorhersagbaren Verzögerungen, die durch den CSMA/CD-Mechanismus (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) verursacht werden. Dieser Mechanismus ein zentraler Bestandteil des Ethernetstandards IEEE dient der Vermeidung von Datenkollisionen, die aufgrund der ethernettypischen Übertragungsweise auftreten können. Um auf der Grundlage von Ethernet dennoch echtzeitfähige Feldbusse zu entwickeln, haben die Hersteller unterschiedliche Ansätze gewählt, um diese Verzögerungen zu vermeiden. Diese Lösungen werden unter dem Begriff Industrial Ethernet zusammengefasst. Im Folgenden stellen wir Ihnen POWERLINK vor, das heute zu den weltweit erfolgreichsten Industrial-Ethernet-Systemen zählt. IT-Welt (Büro, Internet) IT-Welt (Büro, Internet) Leitebene Prozessebene Steuerungsebene Kommunikationsstruktur bisher Kommunikationsstruktur jetzt mit Industrial Ethernet Gateways Ethernet Feldbusse 2

3 POWERLINK Basics Inhalt EINFÜHRUNG Anwendungsbereiche 4 Ein Netzwerk für alle Systeme 5 Architekturen, Leistungsklassen, Branchen TECHNIK So funktioniert POWERLINK 6 Der Mechanismus 7 Performance FEATURES Die Vorteile von POWERLINK 8 Topologie 9 Eindeutige Adressierung 9 Hot Plugging 10 Direkter Querverkehr 10 Multiplexing 11 Asynchrone Daten 12 Redundanz 13 Diagnose 14 Safety 15 Security 16 CANopen NUTZERORGANISATION Ethernet POWERLINK Standardization Group 18 Die Nutzerorganisation EPSG 18 Normen 19 Zertifizierung 19 POWERLINK Starterkits UMSETZUNG Integration von POWERLINK in Ihr Gerät 20 Master (Managing Node) 21 Slave (Controlled Node) INVESTITIONSSICHERHEIT 22 Open Source Technology 23 Gigabit POWERLINK: Heute schon an morgen denken 3

4 EINFÜHRUNG ANWENDUNGSBEREICHE Ein Netzwerk für alle Systeme Was bedeutet ein Netzwerk für alle Systeme? POWERLINK ist eine Industrial-Ethernet- Lösung, die konzipiert wurde, um sämtliche Kommunikationsaufgaben der modernen Automatisierung einheitlich und durchgängig zu integrieren. Es eignet sich grundsätzlich für alle denkbaren Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau sowie für Anwendungen der Prozessindustrie. Ein POWERLINK-Netzwerk integriert sämtliche Komponenten der industriellen Automatisierung wie SPS, Sensoren, I/O-Module, Motion Controller, Safety-Controls, Safety-Sensoren/-Aktoren und auch Visualisierungssysteme. Da in einem POWERLINK- Zyklus nicht nur Nutzdaten übertragen werden, sondern in dessen asynchroner Phase (siehe Abschnitt Asynchrone Daten ) ein fest reservierter Zeitabschnitt für die Übertragung beliebiger Anwenderdaten zur Verfügung steht, lassen sich auch nicht zeitkritische Daten wie zum Beispiel Servicedaten übertragen, die der Fernwartung und Konfiguration von Geräten dienen. Genauso lassen sich Geräte ins Netzwerk einbinden, die nicht unmittelbar zur Automatisierungsebene gehören, wie beispielsweise Videokameras zur Sicherheitskontrolle von Betriebsarealen. Mit einem entsprechenden Gateway können über den asynchronen Abschnitt des Zyklus auch die Daten anderer Feldbusse gesendet und auf diese Weise unterschiedliche Netzwerke integriert werden. PLC Safety Fieldbus Vision System POWERLINK Motion I/O Visualization Sensors 4

5 POWERLINK Basics Architekturen, Leistungsklassen, Branchen Architekturen POWERLINK eignet sich durch seine Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Bandbreite und der kurzen Zykluszeiten sowie seiner Flexibilität gleichermaßen für zentrale wie für dezentrale Automatisierungskonzepte. Dezentral strukturierte Maschinen und Anlagen bieten erhöhte Flexibilität bei Anpassungen und Erweiterungen, erfordern allerdings ein Kommunikationssystem, das dieser Struktur gerecht wird. POWERLINK eignet sich für diese Anforderungen besonders gut, weil es durch seine Nähe zum Ethernet-Standard zwei entscheidende Features für den Einsatz in dezentralen Strukturen bietet: Querverkehr und freie Wahl der Netzwerktopologie. Querverkehr ermöglicht die direkte Querkommunikation von Komponenten ohne Umweg über den Master. Jedes Gerät kann seine Daten nach dem Rundfunkprinzip direkt in das Netz senden, so dass alle Teilnehmer die Sendungen empfangen können. Die freie Wahl der Topologie ist für den modularen Systemausbau fast unabdingbar. Die Erweiterung einer Maschine, der Ausbau einer Anlage oder das stetige Wachstum des Maschinenparks sind mit starren Topologien kaum beziehungsweise nur unter großem Aufwand möglich. POWERLINK erlaubt nicht zuletzt durch seine hohe Skalierbarkeit den völlig freien Systemausbau ohne Beeinträchtigung der Echtzeitfähigkeit. Leistungsklassen POWERLINK deckt alle Leistungsklassen ab als Softwarelösung ohne Hardwarebeschleunigung für weiche Echtzeit oder als High-End-System mit Co-Prozessor-Unterstützung für Zykluszeiten im Bereich weniger 100 μ-sekunden. Weil das patentfreie POWERLINK ausschließlich auf Standard-Hardware aufsetzt, stehen für Anwendungen mit harter Echtzeit kostenoptimierte Lösungen von unterschiedlichen Herstellern bereit. Branchen Wegen seiner Skalierbarkeit und seiner Fähigkeit, alle Systeme einzubinden, wird POWERLINK im Maschinen- und Anlagenbau, in der Prozessautomatisierung und in der Messtechnik eingesetzt. Automobil Bergbau Chemie Druck und Papier Energie Getränke und Nahrungsmittel Halbleiter Holz Kunststoff Logistik Maritim Metall Pharma Prozesstechnik Textil Transport Verpackung 5

6 TECHNIK SO FUNKTIONIERT POWERLINK Der Mechanismus Anders als andere Industrial-Ethernet-Systeme ist POWERLINK eine rein softwarebasierte Lösung, die sich zu 100% am Ethernet-Standard IEEE orientiert. Durch die Konformität zum Standard und den Verzicht auf proprietäre Hardware wird gewährleistet, dass mit POWERLINK alle Vorteile und die Flexibilität des Ethernet erhalten bleiben, dass dieselben standardisierten Hardwarekomponenten genutzt werden und sich zur Diagnose dieselben Tools verwenden lassen. Um Echtzeit zu erreichen, verwendet POWERLINK eine Mischung aus Polling und Zeitschlitzverfahren, bei der immer nur ein Teilnehmer zurzeit senden darf. Im Prinzip funktioniert die Kommunikation wie bei einer organisierten Gesprächsrunde, bei der ein Moderator die Teilnehmer auffordert, ihr Statement abzugeben. Dabei achtet der Moderator darauf, dass alle der Reihe nach zu Wort kommen. Er fordert jeden Teilnehmer explizit auf und weist ihm eine feste Redezeit zu. Anders als beim Standard-Ethernet können auf diese Weise Teilnehmer nicht mehr gleichzeitig reden, Gespräche müssen nicht mehr geschlichtet werden. Ein POWERLINK-Netzwerk besitzt folgende Kommunikationsstruktur: Ein beliebiger Teilnehmer, z.b. eine SPS, ein Motion Controller oder ein Industrie-PC, bekommt die Funktion des sogenannten Managing Nodes (MN) zugewiesen und dient fortan als Gesprächsmoderator. Alle andere Geräte fungieren als Controlled Nodes (CN). Der MN gibt den Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vor und steuert die zyklische Datenkommunikation. Innerhalb eines Taktzyklus, der alle Teilnehmer bedient, sendet der MN seine Anfragen, die sogenannten Poll Requests, nacheinander an alle CNs. Diese antworten mit Poll Responses unmittelbar auf die Anfragen. Ein POWERLINK-Zyklus besteht aus drei Abschnitten: In der Start Period sendet der MN einen Start of Cycle Frame (SoC) an alle CNs, der die Geräte synchronisiert. Im zweiten Abschnitt, der isochronen Phase, erfolgt der Austausch der Nutzdaten. Mit dem dritten Abschnitt eines Zyklus beginnt die asynchrone Phase. Sie steht für die Übertragung größerer und nicht zeitkritischer Datenpakete, wie zum Beispiel Parametrierungsdaten, zur Verfügung. 6

7 POWERLINK Basics CycleTime SoC CN1 CN2 CN3 CNn SoA MN CN1 CN2 CN3 CNn Async Data CN Isochronous Phase Asynchronous Phase Performance 0,1 μs Systemsynchronisation 100 μs Zykluszeit 100 Mbit/s Bandbreite Hoher Datendurchsatz auch bei kleinen Zykluszeiten 240 Teilnehmer z.b. 480 synchronisierte Achsen / Digitalkanäle 100 m / 2 km Leitungslänge zwischen Teilnehmern 7

8 FEATURES DIE VORTEILE VON POWERLINK Topologie Eine der wichtigsten Eigenschaften von Ethernet und damit von POWERLINK besteht in der hundertprozentigen Freiheit bei der Wahl der Netzwerktopologie. Netzwerke können stern-, baum-, linien- oder ringförmige Strukturen haben. Auch beliebige Kombinationen dieser Topologien sind möglich. Eine Konfiguration ist nicht erforderlich. Es gibt außerdem keine Abhängigkeit zwischen logischen Verknüpfungen in der Applikation und dem physikalischen Aufbau. Das Netzwerk kann beliebig verändert werden (auch zur Laufzeit), ohne dass die Applikation beeinflusst wird. 8

9 POWERLINK Basics Eindeutige Adressierung Die eindeutige Adressierung der Netzwerkteilnehmer erfolgt direkt an den Geräten per Einstellung über einen manuell bedienbaren Knotenschalter, wodurch eine transparente Zuordnung der IP-Adressen zu den Geräten gewährleistet wird. Diese Adressierungsmethode erlaubt eine einfache Softwarekonfiguration bei der Einrichtung eines Netzwerks und ist für den zuverlässigen Service unersetzlich. Besonders für den modularen Maschinenbau, bei dem sich Erweiterungen schnell und unkompliziert durchführen lassen müssen, stellt die eindeutige Adressierung eine wesentliche Voraussetzung dar. Hot Plugging Hot Plugging bedeutet das Stecken und Ziehen von Teilnehmern während des Betriebs, ohne dass es zur Beeinträchtigung der Netzwerkfunktionalität kommt, für das Funktionieren der hinzugefügten oder ausgewechselten Teilnehmer ein Neustart erforderlich ist. POWERLINK ist uneingeschränkt hot-plug-fähig. Durch Erweiterungsoder lokale Austauschmaßnahmen kommt es zu keiner Beeinträchtigung der Echtzeit, ein Neustart des Systems ist nicht erforderlich. So können Betreiber beispielsweise Sensoren austauschen oder mechatronische Einheiten zuschalten, ohne das Netzwerk herunterfahren zu müssen eine grundlegende Bedingung für den Einsatz in der Prozessindustrie beziehungsweise für den Betrieb von modular strukturierten Maschinen und Anlagen. 9

10 FEATURES DIE VORTEILE VON POWERLINK Direkter Querverkehr Die Kommunikation bei Ethernet und somit natürlich bei POWERLINK funktioniert nach dem Broadcast-Prinzip (Rundfunkprinzip). Das bedeutet, dass jeder Teilnehmer seine Daten frei ins Netz sendet und prinzipiell jeder andere Teilnehmer sie empfangen kann. Die Teilnehmer erkennen an der Zieladresse der Datenpakete, ob die Daten für sie bestimmt sind. Dieses Sendeprinzip erlaubt den direkten Querverkehr von Controllern untereinander, ohne dass die Kommunikation über den Master bzw. Managing Node laufen muss. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel in synchronisierten Produktionssegmenten die Winkelcodierer sämtlicher Antriebe mit dem Leitwertgeber synchronisieren; bei dezentralen Safety-Architekturen ist der direkte Querverkehr von Safety- Komponenten eine grundlegende Voraussetzung. Die Vorteile liegen in Zeitersparnis, Systemvereinfachung und Entlastung der Steuerungsaufgaben, so dass für viele Bereiche preisgünstigere Steuerungen gewählt werden können. SoC SoC = Start of Cycle SoA = Start of Async CN1 CN1 CN2 SoA B r o a d c a s t M e c h a n i s m PRq = Poll Request PRs = Poll Response CN2 CN3 CN3 MN = Managing Node CN = Controlled Node CNn CNn Async Data MN CN Multiplexing SoC CN1 Isochronous Phase CN1 CN2 CN2 CN3 CN3 CN4 CN4 CN5 CN5 CN6 Cycle i Cycle i+1 Cycle i+2 Cycle i A A A A Every cycle: 1, 2, 3 Multiplexed: data frames in 3 slots CN6 Asynchronous Phase Durch Multiplexing lässt sich die Bandbreite in der isochronen Phase optimal ausnutzen. Da die Applikationen unterschiedliche Anforderungen an die Daten-Abtastintervalle stellen, müssen nicht alle Controlled Nodes in jedem Zyklus abgefragt werden. Während es zum Beispiel bei vielen Anwendungen der Bewegungssteuerung notwendig ist, die Antriebe ständig mit Informationen zu versorgen und ihre aktuellen Daten in jedem Zyklus abzurufen, reicht es bei Temperaturmessungen, die Daten der Sensoren beispielsweise nur in jedem dritten Zyklus abzufragen. Beim Multiplexing teilen sich Controlled Nodes mit niedrigen Prioritäten einen Zeitabschnitt innerhalb der isochronen Übertragungsphase. Das geschieht in der Form, dass ein Gerät nur den ersten, das zweite Gerät den zweiten, das dritte Gerät den dritten Zyklus in Folge nutzt, um seine Daten zu übermitteln. Die Zuteilung und Erkennung der von mehreren Knoten genutzten Zeitabschnitte erfolgt durch den MN. SoA Async Data MN CN 10

11 POWERLINK Basics Asynchrone Daten Auf die isochrone Phase im POWERLINK-Zyklus, in der die zeitkritischen Nutzdaten übertragen werden, folgt in der verbleibenden Zykluszeit die asynchrone Phase, in der sich größere und nicht zeitkritische Datenpakete in Standard-Ethernet-Frames übertragen lassen. Wenn die Datenmenge die Kapazität eines Zyklusabschnittes übersteigt, werden die Daten auf die asynchronen Phasen mehrerer Zyklen verteilt. Asynchrone Daten können über Router oder Gateways von den Echtzeit-Domänen des POWERLINK-Netzwerks getrennt werden und bieten andersherum die Möglichkeit, zu Konfigurationszwecken von außen auf Geräte innerhalb einer Echtzeit-Domäne zuzugreifen. Die Daten, die im asynchronen Teil übertragen werden, können beliebiger Natur sein: Servicedatenobjekte (SDO) für die Gerätekonfiguration und Diagnose, Anwendungsdaten wie die Aufzeichnungen einer Überwachungskamera oder auch Protokolle wie TCP/IP, um die Geräte über Webbrowser zu konfigurieren oder zu warten. Auf diese Weise lassen sich auch nicht echtzeitfähige Teilnehmer ins Netzwerk einbinden. Genauso funktioniert die Integration von Komponenten und Anlagenteilen in das Netzwerk, die nur über andere Feldbus-Schnittstellen verfügen: Werden die Geräte über ein entsprechendes Gateway an einen POWERLINK-Knoten angeschlossen, sendet der Knoten die fremden Feldbusdaten im asynchronen Teil des POWERLINK-Zyklus mit. Für Hot Plugging ist diese Form der Datenübertragung eine entscheidende Voraussetzung: Neu hinzugefügte oder ausgewechselte Geräte senden zur Identifizierung ihre Gerätedaten in der asynchronen Phase an den Managing Node. SoA Asynchronous Phase Async Data Feldbus-Daten 11

12 FEATURES DIE VORTEILE VON POWERLINK Redundanz Mit POWERLINK lassen sich zwei Arten der Redundanz realisieren: Ringredundanz bzw. Partialringredundanz und Masterredundanz. SPS dass sie über zwei Schnittstellen verfügt, die sie redundant bedienen kann.) Das Erkennen eines Leitungsausfalls und das Umschalten vom ausgefallenen auf den redundanten Datenkanal erfolgt innerhalb eines Zyklus. Diese Art von Redundanz kommt typischerweise bei Applikationen in mechanisch stark beanspruchten Umgebungen zum Einsatz. SPS Ringredundanz Die klassische Ringredundanz stellt für den Maschinenbau eine einfache und sehr kostengünstige Variante dar. Hier werden die Applikationen in Ringform verbunden; Anfang und Ende des Datenkabels sind mit der Steuerung verbunden. (Dazu wird nur ein weiteres Kabel benötigt, um den Ring zu schließen und auf Seite der Steuerung vorausgesetzt, Partialringredundanz Partialringredundanz ist eine Form der Ringredundanz, die sich nur über einen bestimmten Teil des Netzwerks erstreckt. So kann es zum Beispiel sinnvoll sein, rotierende Applikationen durch Ringredundanz zu sichern, indem bei den Schleifringen ein redundanter Kanal reserviert wird. Teilnehmer, die aus Sicht des MN hinter der gesicherten, rotierenden Applikation liegen, können wieder einfach verdrahtet werden. Redundant Managing Node Redundant Managing Node Hub Hub Hub Cable break Hub EPL-LS Controlled Node Switch-over to Backup link Hub Hub EPL-LS Controlled Node First Link Second Link 12

13 POWERLINK Basics Diagnose Masterredundanz Die zweite Redundanzvariante ist die vollständige Master- bzw. Managing-Node-Redundanz. Diese spielt für Hochverfügbarkeitssysteme eine wichtige Rolle und wird in der Prozessindustrie für Energiesysteme eingesetzt. Bei der Masterredundanz stehen zwei oder mehr redundante Managing Nodes am Kopf der Netzwerkhierarchie. Nur einer dient als aktiver Managing Node, der oder die andere/n laufen im Hot-Standby-Betrieb und verhalten sich aus Sicht des aktiven Managing Nodes wie Controlled Nodes. Der einzige Unterschied zwischen einem Standby-MN und einem CN besteht darin, dass der Standby-MN kontinuierlich alle Netzwerk- bzw. CN-Funktionen überwacht, um jederzeit die Funktion des aktiven MNs ohne ein neuerliches Booten übernehmen zu können. Im Ernstfall sorgt ein fliegender Adresswechsel für die Weitergabe der für den MN reservierten Node-ID 240 an den nächsten redundanten MN. Grundsätzlich sind mit diesem Redundanzmodell unterschiedlichste Topologien möglich. Alle grundlegenden Eigenschaften von POWERLINK wie minimale Reaktionszeiten, Echtzeitsynchronisation, große Bandbreite und einfache Diagnosefähigkeiten bleiben erhalten. POWERLINK nutzt für die Datenübertragung das Einzeltelegrammverfahren und bietet damit wesentliche Vorteile in der Systemdiagnose. Die Eindeutigkeit der Knotenadressen und die Verfügbarkeit sämtlicher Daten in jedem Bereich des Netzwerks sichern die eindeutige Diagnose bei POWERLINK-Netzwerken. Jedes beliebige ethernetkompatible Diagnosetool kann verwendet werden. Zudem stellt POWERLINK durch seine Kommunikationsstruktur jederzeit fest reservierte Bandbreite für Diagnosezwecke zur Verfügung und sichert damit auch bei höchster Performance den vollständigen Service. 13

14 FEATURES DIE VORTEILE VON POWERLINK POWERLINK Safety Das echtzeitfähige, sicherheitsgerichtete Protokoll POWERLINK Safety für die Maschinen- und Fertigungsautomatisierung eignet sich für Kommunikationszyklen im Mikrosekundenbereich und kann in Systemen eingesetzt werden, für die ein Schutz nach SIL 3 vorgeschrieben ist. Das offene Safety-Protokoll gewährleistet hohe Sicherheit durch Erkennung jedes Datenübertragungsfehlers, wodurch ein gesonderter Sicherheitsbus mit eigener Verkabelung entfällt. Die Aufgabe eines Sicherheitsprotokolls besteht nicht in der Verhinderung, sondern im Entdecken und Aussortieren von Datenübertragungsfehlern. Dafür stellt es Mechanismen bereit, mit denen veränderte oder beschädigte Datenpakete umgehend erkannt und ausgefiltert werden. Aus diesem Grund können mit POWERLINK Safety auch unsichere Netzwerke für sicherheitsrelevante Anwendungen genutzt werden. POWER- LINK Safety ist vom Transportprotokoll unabhängig, weshalb es sich nicht nur mit POWERLINK, sondern auch mit anderen Protokollen wie zum Beispiel CAN einsetzen lässt. Da es für die Funktionalität von POWERLINK Safety keine Rolle spielt, durch welches Protokoll seine Safety-Frames transportiert werden, spricht man hier vom Black-Channel-Prinzip. Neben der Verwendung für Safe Motion Control -Applikationen eignet sich POWERLINK Safety besonders für die einfache Anbindung von Not-Aus-Systemen und Sicherheitsvorrichtungen wie z. B. Lichtgittern. frame payload data CRC data CRC subframe 1 subframe 2 safety frame 14

15 POWERLINK Basics Security POWERLINK-Echtzeitdomänen werden mit Gateways, die typischerweise in die Steuerungen integriert sind, strikt von Nicht-Echtzeitdomänen getrennt. Jedes POWERLINK-Netzwerk bildet eine eigene Netzwerkdomäne, die nach außen nur über eine einzige IP-Adresse repräsentiert wird. Die Gateways arbeiten dabei wie eine Firewall. Diese setzt die öffentliche IP-Adresse per Network Address Translation (NAT) intern auf nichteinsehbare IP-Adressen der Knoten um. An den Gateways lassen sich bei Bedarf zusätzlich beliebige weitere Sicherheitsmaßnahmen und Filtervorschriften definieren und umsetzen. Die Beachtung von grundlegenden Security-Aspekten im Design ist eine Grundvoraussetzung für den Einsatz von Safety-Systemen. Non-Real-Time Domain Gateway Gateway Real-Time Domain Real-Time Domain Real-Time Domain 15

16 FEATURES DIE VORTEILE VON POWERLINK CANopen POWERLINK und CANopen Joint Task Force Gemeinsame Verwendung des CANopen-Profils XML Device Description CANopen over Ethernet Investitionssicherheit Gleicher Applikationszugang Einfache Migration Erfahrene Dienstleister Joint Task Force Zu den wichtigsten Entscheidungen der Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) zählt die Definition der Anwendungsschicht als Träger der vollständigen CANopen-Mechanismen. An dieser Entwicklung war die internationale Vereinigung der CAN-Anwender und -Hersteller CAN in Automation (CiA) maßgeblich beteiligt. CANopen das meistverbreitete Anwendungsprotokoll CANopen zählt heute zu den meistverbreiteten Anwendungsprotokollen. Zu seinen größten Vorteilen gehören die standardisierten Gerätebeschreibungsdateien, die den Status eines Geräts, seine Parametrierung, Eigenschaften und seine Kenndaten für das Netzwerk transparent Vorteile gegenüber CAN-Physik 100fache Datenrate Ein Medium für die ganze Maschine Kabellänge bis 100 m 16

17 POWERLINK Basics machen. Geräte, die von unterschiedlichen Herstellern kommen, aber über dieselbe Beschreibungsdatei verfügen, lassen sich einfach und konfigurationsfrei gegeneinander austauschen. POWERLINK = CANopen over Ethernet POWERLINK verwendet dieselben Gerätebeschreibungsdateien wie CANopen, dieselben Objektverzeichnisse und dieselben Kommunikationsmechanismen, wie Prozessdatenobjekte (PDO), Servicedatenobjekte (SDO) und Netzwerkmanagement (NMT). Genau wie bei CANopen ist auch der direkte Querverkehr eine zentrale Eigenschaft von POWERLINK. Alle CANopen-Applikationen und -Geräteprofile lassen sich mit POWERLINK direkt nutzen, aus Sicht der Anwendung gibt es keinen Unterschied zwischen den Protokollen. Deswegen lässt sich POWERLINK auch als CANopen over Ethernet bezeichnen. Aufgrund der engen Kooperation von CiA und EPSG bieten viele der marktbekannten CANopen-Dienstleister heute auch Lösungen und Produkte für POWERLINK an. Ein großes Spektrum von kompetenten Dienstleistungen ist gewährleistet. High Performance mit CANopen Die Komplexität der Applikationen nimmt zu und führt zu steigender Teilnehmerzahl, größeren Datenmengen und höheren Anforderungen an die Performance. Für Betreiber, die trotz erhöhter Anforderungen weiterhin die Vorteile von CANopen nutzen wollen, ist die einfache Migration zu POWERLINK die ideale Alternative. Zudem bietet POWERLINK ein durchgehendes Medium für die gesamte Anwendung. Device Profiles I/O Encoders Valves Drives Medical Others Protocol Software CANopen Application Layer Object Dictionary Messaging (SDO and PDO) CAN based CANopen Transport CAN Driver POWERLINK Transport UDP/IP POWERLINK Driver Ethernet Driver Hardware CAN Controller Ethernet Controller 17

18 NUTZERORGANISATION ETHERNET POWERLINK STANDARDIZATION GROUP Die Nutzerorganisation EPSG Offener Verein Die Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) ist ein unabhängiger, demokratisch organisierter, eingetragener Verein mit Sitz in Winterthur/Schweiz. Die EPSG wurde im Jahr 2003 von führenden Unternehmen der Antriebs- und Automatisierungstechnik mit dem Ziel gegründet, gemeinschaftlich die POWERLINK-Technologie zu standardisieren und weiterzuentwickeln. Mit dem Beitritt zu dieser Organisation haben auch neue Mitglieder sofort ein Mitspracherecht und sind gleichsam Mitinhaber der Echtzeit-Ethernet-Technologie. Offenes Protokoll Das Protokoll wurde 2001 von B&R vorgestellt und 2003 als Spezifikation offengelegt. Als Zeichen der Offenheit ist es frei von jeglichen Patenten erschien die kostenfreie Open-Source- Version openpowerlink unter BSD-Lizenz. Offene Weiterentwicklung Innerhalb der EPSG arbeiten unterschiedliche Arbeitskreise unter anderem auf den Gebieten Sicherheit, Technologieentwicklung, Zertifizierungen, Anwenderfragen sowie Marketing und Vertrieb. wählt Aufsichtsrat Offene Basis Die Entwicklung der POWERLINK-Technologie erfolgt auf Basis offener Standards wie IEEE (Standard Ethernet) und IEC (echtzeitfähige, ethernetbasierte Feldbusse). Mitgliederversammlung überwacht die Einhaltung der Vereinsziele wählt Vorstand bestimmt Geschäftsführer Geschäftsführung bestimmt Arbeitskreise Office Vertrieb IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEEE ISO

19 POWERLINK Basics Zertifizierung POWERLINK-Geräte werden durch die EPSG zertifiziert. Neben der Zertifizierung bietet die EPSG regelmäßig Plugfeste, wie zum Beispiel im Development & Support-Zentrum in Berlin, an. POWERLINK Starterkits Verschiedene Hersteller und Dienstleister in der EPSG bieten vollständig betriebsbereite Evaluationsboards (Starterkits) an, die Herstellern den Test ihrer Hardware unter POWERLINK stark vereinfachen. Die gut dokumentierten Funktionen und Schnittstellen erlauben es den Anwendern bzw. Testern, sich ausschließlich auf die Einbindung in die Netzwerkumgebung zu konzentrieren. Alle wesentlichen Funktionen der Datenkommunikation sind auf dem Board integriert, zeitaufwendige Programmierung oder die Portierung von Protokoll-Stacks sind nicht mehr notwendig. Die volle Leistungsfähigkeit des Zielgeräts bleibt erhalten. Erprobte Technologie Wenn mit Hilfe des Testboards die Gerätefunktionalität im POWERLINK- Netzwerk erfolgreich evaluiert wurde, besteht der nächste Schritt in der Konfiguration des Geräts und seiner Schnittstelle nach den gewünschten Anforderungen. Um eine kurze Time-to-Market zu erreichen, ist es am einfachsten, auf ein Referenz-Design zurückzugreifen. Dazu kann das Schaltschema eines Evaluationsboards einfach auf die Zielgeräte übertragen und integriert werden. Soft- und Hardwareanbieter in der EPSG bieten zu diesem Zweck unterschiedliche Lizenzmodelle an. So kann der Hersteller wählen, ob er ein bestimmtes Referenzmodell 1:1 übernehmen oder nur Teile davon verwenden will. In jedem Fall stellen Referenz-Designs einen idealen Ausgangspunkt für die schnelle und erfolgreiche POWERLINK-Implementierung dar. Breiter Tool-Support Verschiedene EPSG-Mitglieder bieten Designs und Test-Tools für die schnelle Entwicklung von POWERLINK-Anwendungen an. Programme für die Verwaltung von Gerätedatenbanken, für die Erstellung von Objektverzeichnissen, Initialisierungscodes und Electronic Data Sheets im XML-Format optimieren die Entwicklungsprozesse und minimieren die Fehleranfälligkeit. Tools für die akkurate Analyse des Netzwerks und seines Echtzeitverhaltens vervollständigen das Angebot. 19

20 UMSETZUNG INTEGRATION VON POWERLINK IN IHR GERÄT Technische Umsetzung von Master und Slaves Wie gelangt POWERLINK in mein Gerät? lautet eine der häufigsten Fragen von Herstellern. Grundsätzlich lässt sich POWERLINK in jedes Standard Embedded Ethernet Design integrieren, völlig unabhängig davon, welche Prozessorarchitektur gewählt wurde. Dabei kann POWERLINK entweder als reine Softwarelösung oder mit Hardwareunterstützung zum Einsatz kommen. Bei einer reinen Softwarelösung wird POWERLINK direkt auf dem Applikationsprozessor integriert und zur Busanbindung ein Standard-Ethernetcontroller verwendet. Wird für sehr anspruchsvolle Anforderungen beschleunigende Hardware benötigt, bieten verschiedene Hersteller vielfältige Möglichkeiten, mit der sich maßgeschneiderte Lösungen realisieren lassen und die keine proprietäre Technologie wie zum Beispiel ASICs voraussetzen. Die untenstehende Grafik gibt eine Übersicht über die bestehenden Lösungen. POWERLINK-Master POWERLINK lässt sich ohne Hardwareunterstützung auf beliebigen Betriebssystemen, wie zum Beispiel auf Windows, Linux oder VxWorks, mit einem Standard Onboard Ethernet Controller nutzen. Die erzielbaren Leistungsdaten von Jitter und Zykluszeit hängen von der Performance der CPU und der optimalen Abstimmung des Betriebssystems auf die CPU ab. Typische Werte, die dabei erreicht werden können, sind Zykluszeiten von 500 μs und ein Jitter von 30 μs. Alternativ wird POWERLINK vorimplementiert auf einer PCI-Einsteckkarte in das System integriert. Dann übernimmt ein Co-Prozessor die Abwicklung des Protokollstacks und spart Ressourcen beim Hauptprozessor. Auf diese Weise können Zykluszeiten von 100 μs bei einer Genauigkeit von 0,1 μs erreicht werden. Master (MN) Standard PC-Hardware Windows Linux POWERLINK Co-Prozessor-Lösung andere PCI Einsteckkarte Embedded Design FPGA Design Slave (CN) POWERLINK-only Slave auf Applikationsprozessor FPGA-Technologie POWERLINK Multi Protokoll Slave POWERLINK-only 32bit CPU auf Applikationsprozessor System on Chip PCI Board FPGA-Technologie Kommunikationsprozessor 20

21 POWERLINK Basics POWERLINK-Slave Genauso bietet sich für die Slaves die Alternative, entweder den POWERLINK-Stack auf dem Applikationsprozessor zu implementieren oder auf dafür ausgelegte Kommunikationshardware zurückzugreifen. Für die POWERLINK-Implementierung beim Slave reicht das Spektrum von betriebsbereiten Evaluationsboards oder Singleboards in Piggyback-Ausführung für die Entwicklung von Prototypen oder Serien mit niedriger Stückzahl bis hin zu optimierten Chip-Lösungen auf FPGA-Basis, die das Protokoll sowie die Anwendungssoftware komplett enthalten. Die verschiedenen Angebote unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Flexibilität sowie des gewünschten Kostenmodells: Multi-Protokoll- Lösungen kommen dem Bedürfnis von Komponenten-Herstellern entgegen, eine einheitliche Hardwareplattform zu verwenden, die offen für unterschiedliche Industrial-Ethernet-Lösungen ist und die eine Entscheidung für einen Feldbus erst bei der Auslieferung der Produkte verlangt. In der Regel sind sie teurer als dedizierte POWERLINK-Only- Lösungen. Bei Multi-Protokoll-ASICs ist das gesamte Systemdesign in einem Chip untergebracht. Vorteile liegen in der definierten Schnittstelle zwischen Kommunikationsprozessor und Applikationsprozessor, zu den Nachteilen zählen die feste Vorgabe der Programmierschnittstelle und ggf. höhere, bzw. stückzahlabhängige Hardwarekosten. Auch Multi-Protokoll-FPGA-Lösungen bieten Flexibilität beim Einsatz verschiedener Protokolle. Im Gegensatz zu ASIC-Lösungen lässt sich die API beeinflussen. Zu beachten ist hier allerdings, dass sich die Hardwarekosten nach dem Ressourcenbedarf des jeweilig anspruchsvollsten Protokolls richten. Eine preisgünstigere Alternative bieten POWERLINK-Only-FPGA-Lösungen, die hinsichtlich des Interfaces flexibel sind. Die kostengünstigste Variante der Slaveanbindung sind einfache 32Bit CPUs mit internem RAM und internem Flash. Dabei werden sogar Preise von anderen ASIC-basierten Protokollen klar unterboten und dennoch die Flexibilität und Offenheit eines Standard- Mikroprozessors garantiert. Allen gemeinsam ist, dass die Applikationsund Kommunikationssoftware flexibel miteinander verbunden sind, beispielsweise über Dual Port RAM oder ein serielles Interface. 21

22 INVESTITIONSSICHERHEIT Open Source Technology openpowerlink openpowerlink ist eine vollständige Protokolllösung für Master und Slave. Die Implementierung ist einfach auf jegliches Zielsystem portierbar (ANSI-C Implementierung). Eine ausführliche Anleitung für die Inbetriebnahme befindet sich auf Lizenzfrei Die EPSG verlangt für die Technologie keine Lizenzgebühren. POWER- LINK ist eine offene Technologie; die Möglichkeit, unter verschiedenen POWERLINK-Dienstleistern wählen zu können, garantiert dem Kunden ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis für jede Applikation. Gleich, ob die Time-to-market oder der Preis im Mittelpunkt steht: Die offene, durchgängig spezifizierte Software-Lösung gibt dem Anwender größere Freiheit und mehr Möglichkeiten der technischen Optimierung als andere vergleichbare Echtzeit-Ethernet-Systeme. XML der neue Standard für die Gerätebeschreibung Standardisierte Gerätebeschreibungsdateien minimieren den Konfigurationsaufwand für Netzwerke mit Geräten unterschiedlicher Hersteller. Sie erlauben dem Netzwerk-Master den einheitlichen Zugriff auf alle relevanten Geräteinformationen wie Status, Parametrierung, Eigenschaften und Kenndaten unabhängig vom Gerätetyp und Hersteller. Neue Geräte sind im Netzwerk sofort verfügbar. POWERLINK nutzt für die Gerätebeschreibungsdateien den neuen Standard XML. Für Hersteller liegt der bedeutende Vorteil einer XML-basierten Beschreibungssprache darin, dass sie für ihre Geräte eine einheitliche, standardisierte Beschreibung für unterschiedliche Feldbusse oder Echtzeit-Ethernet-Systeme verwenden können. Zusätzlich bietet XML bei der Gerätebeschreibung eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die sich mit anderen Sprachen bisher nicht umsetzen ließen. Dazu zählen unter anderem Mehrsprachigkeit, die Option für textuelle Beschreibungen und Charakterisierung der Parameter und Messwerte durch physikalische Einheiten und Skalierungsfunktionen. 22

23 POWERLINK Basics Gigabit POWERLINK: Heute schon an morgen denken Ein Blick in die Welt der Automatisierung zeigt, dass Bandbreite bei heutigen Echtzeit-Ethernet-Systemen kein Engpass ist. 100 Mbit/s reichen vollkommen aus. Auch für anspruchsvollste Anwendungen wie Safe-Motion-Control bei Maschinen mit hundert Achsen stellt POWERLINK ausreichende Kapazitäten bereit. Eine Betrachtung der bisherigen Entwicklung in der Automatisierung macht aber eines deutlich: Die zu verarbeitenden Datenmengen nehmen kontinuierlich zu, die Anzahl der Antriebe pro Maschine steigt sprunghaft und die Leistungsfähigkeit von Sensoren und Aktoren wächst. Mit diesem Trend steigt aber auch die Komplexität und damit der Datenverkehr kontinuierlich an. Diese stetige Entwicklung brachte die nicht ethernetbasierenden Feldbusse an ihre Grenzen und führte letztendlich zu Ethernet als Feldbus Ersatz. Zukünftig generiert die Integration von wichtigen Technologien immer mehr Datenvolumen: z. B. Safety. Umfangreiche Funktionalität bringt flexiblere Lösungen bei gleichzeitig stark steigendem Datenaufkommen. Deswegen wird Gigabit-Ethernet mittelfristig zum Standard werden, der Fast-Ethernet ablösen wird. POWERLINK ist für die Zukunft bestens gerüstet, die Entwicklung von Gigabit POWERLINK hat bereits begonnen. Den POWERLINK-Erfindern ging es darum, ein echtzeitfähiges System auf der Basis von Standard Ethernet zu kreieren, das die ständige Weiterentwicklung dieses Mediums für die Automatisierungstechnik nutzt: Deshalb gehören die absolute Nähe zum Standard und die ausschließliche Softwarebasis zu den Grundlagen von POWERLINK. Zudem nutzt das Echtzeit-Protokoll die CANopen-Anwendungsschnittstelle, die vom darunterliegenden Transportprotokoll völlig unabhängig ist. Das bedeutet, dass beim Umstieg auf Gigabit-Technik die Anwenderschnittstelle unverändert bleibt und somit die vollständige Kompatibilität zur Applikation garantiert der wesentliche Faktor für Investitionssicherheit. Der aktuelle Einzug der Gigabit-Technik in die Consumer-Welt bedeutet für Hersteller eine Verschiebung bei den Hardwarekosten: Gigabit-Technik wird kostengünstig, Fast-Ethernet-Hardware mittelfristig zurückgehen und somit teurer. POWERLINK ist aufgrund seiner Standardkonformität ideal für Gigabit-Ethernet geeignet. Die Migration zu Gigabit POWERLINK ermöglicht eine neue Performancedimension bei Industrial Ethernet mit Steigerungen bis Faktor MBit 100 MBit 1 GBit

24 POWERLINK-OFFICE der EPSG Kurfürstenstraße Berlin Germany Fon: Fax: EPSG 2008 MM-D