Design Feldbus über Ethernet

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1 Design Feldbus über Folie 9-1 Inhalt /IP IDA ModBus/TCP Powerlink PROFINET SERCOS III EtherCAT JetSync MasterBus 300 DeltaV Vnet/IP Studie von ARC 2009: Unterstützte Industrial--Protokolle (Umsatz-Anteil von Switches) Folie 9-2

2 Ausgangssituation Feldbusse FIP Foundation Fieldbus H1 Genius HART EIB ARCNET AS-i Interbus S DIN-Messbus Suconet SERCOS MelsecNet cc-link SDS Profibus FMS Profibus PA Bitbus LON CAN MasterBus300 ControlNet Modbus DeviceNet Modbus + P-Net Profibus DP Folie 9-3 Standard und Automatisierungsprotokolle L5-Protokoll für Automatisierungskommunikation nötig, L3- und L4-Protokoll für Echtzeitanwendung nötig. Application Programming Interface (API) Middleware (5-7) HTTP SNMP??? DNS FTP Transport (4) TCP UDP??? Network (3) ARP Data Link (2) Physical (1) IEEE Etablierte Standards der IT-Welt IP ICMP??? Neue Industrial--Protokolle Folie 9-4

3 Steuerungsdaten über 3 generelle Implementierungsansätze: Applikation Applikation Echtzeiterweiterung Applikation Echtzeiterweiterung TCP IP UDP TCP IP UDP TCP IP UDP Echtzeiterweiterung Echtzeiterweiterung Media Access Control CSMA/CD Media Access Control CSMA/CD Media Access Control CSMA/CD Folie 9-5 Lösungsansätze ODVA (Open DeviceNet Vendor Association ) Technik: In den höheren Protokollschichten wird EtherNet/IP/ControlNet/DeviceNet übernommen Lösungsansatz von: Rockwell Automation, Allen-Bradley, Honeywell, Mitsubishi, ABB, ControlNet International (CI), Industrial Association (IEA), IAONA IDA (Interface for Distributed Automation) Organisation mit modbus.org verschmolzen (11/2003) Technik: kompatibel zu ModBus/TCP Lösungsansatz von: Schneider, Jetter, Phoenix, Kuka, RTI (Real-time Innovations), Lenze, Sick, Modconnect Gruppe, AG-E, IAONA PROFINET Technik: Übernahme des kompletten Profibus Lösungsansatz von: Siemens / PI PROCESS FIELD BUS Folie 9-6

4 Lösungsansätze Bernecker & Rainer (B&R) Technik: Industrie Elektronik Lösungsansatz von: B&R EtherCAT von Beckhoff JetSync von Jetter SERCOS III Delta V von Emerson VNET/IP von Yokogawa Folie 9-7 Übung Ordnen Sie die -Lösungen den Unternehmen/Vereinigungen zu! EtherCAT EtherNet/IP IDA JetSync Modbus/TCP Powerlink PROFINET SERCOS III Beckhoff EPSG IGS Jetter modbus-ida ODVA Phoenix Contact PI Rockwell Schneider Siemens Folie 9-8

5 IAONA ODVA IDA Kooperation IAONA neutrale Organisationsplattform für Industrial : angleichen der IDA- und ODVA-Standards und künftige Entwicklungen, so dass Interoperabilität gewährleistet ist. IAONA, IDA und ODVA unterschrieben ein Memorandum of Understanding ODVA / IDA stellten ihre Spezifikationen (EtherNet/IP/Modbus) der IAONA zur Verfügung Objekt Modelle, Protokolle, Geräte-Profile ODVA / IDA beteiligten sich an den IAONA-Aktivitäten Folie 9-9 ODVA Ansatz Industrial Protocol (EtherNet/IP) / DeviceNet / ControlNet Offener Standard für die Applikationsschicht. Seit April 2001 kann die komplette Spezifikation und Source Code kostenlos von der ODVA Homepage geladen werden (EtherNet/IP Spezifikation ist seit Dez. 99 verfügbar). Am weitesten entwickelt, Produkte verfügbar Das gemeinsame Kommunikationsprotokoll für DeviceNet (EN 50325) und ControlNet (EN 50170) heißt Control and Information Protocol (CIP) Objektmodell /IP bildet die CIP-Dienste auf TCP/IP und UDP/IP ab Protokollmodell Da Objektmodell und Protokollmodell weitgehend identisch sind, lassen sich einfache Router zwischen den Techniken einsetzen Folie 9-10

6 ODVA EtherNet/IP / ControlNet Semiconductor Pneumatik- Ventile AC Antriebe Position Controls CIP Application Layer Application Object Library andere Device Profile FTP SNMP HTTP SMTP CIP CIP Data Management Services Explicit Messages, I/O Messages CIP Message Routing, Connection Management Encapsulation CPF ControlNet Transport DeviceNet Transport TCP UDP CIPsync IP ControlNet CTDMA ControlNet Phys. Layer DeviceNet Phys. Layer DeviceNet Phys. Layer EtherNet CSMA/CD EtherNet Physical Layer Mögliche künftige Lösungen: andere Netze Folie 9-11 ODVA ControlNet / /IP Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI-Modell ControlNet DeviceNet Protocol TCP/IP (IEEE 802.3) Explicit Messaging Services Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI-Modell ControlNet DeviceNet Protocol UDP/IP (IEEE 802.3) Implicit Messaging Services ControlNet DeviceNet CIPsync Explizite Nachrichten werden mit TCP übertragen. Dabei wird die Zuverlässigkeit von TCP genutzt. Gleichzeitig wird akzeptiert, dass die Nachrichten nicht zeitkritisch sind Zeitkritische implizite Nachrichten werden mit UDP übertragen. Dabei wird die schnellere Übertragungsgeschwindigkeit des UDP genutzt. Außerdem wird sichergestellt, dass zeitkritische Daten, die nach verloren gegangenen Daten eingehen, trotzdem noch verarbeitet werden Deterministische Nachrichten werden mit CIPsync übertragen. Dies garantiert die schnelle und pünktliche Zustellung der Daten für isochrone Anwendungen. Folie 9-12

7 ODVA Ansatz System-Überblick Leit EtherNet/IP /IP Trace über CIPAlyser von Control Technology Inc. Steuerung Sensor/Aktor ControlNet - EtherNet/IP DeviceNet Folie 9-13 ODVA Ansatz Einfach in einzubinden Andere Protokolle SNMP, FTP, HTTP werden unterstützt CIP (Control and Information Protocol) ist in industrieller Umgebung bekannt und kommt in DeviceNet- als auch ControlNet-Netzen zum Einsatz. Die jeweiligen Endgeräte sprechen die gleiche Sprache über CIP. Folie 9-14

8 Modbus/TCP-Architektur Das weitest verbreitete -Automatisierungsprotokoll Modbus/TCP bettet serielles Modbus-Protokoll (Modbus Rahmen) in ein TCP-Paket ein Vorteil: sichere Verbindung Nachteil: langsame Kommunikation Transaction Identifier Protocol Identifier Länge Modbus- Paket TCP-Paket Modbus-Paket Adresse Funktions- Code Daten (Prüfsumme) Folie 9-15 Modbus/TCP-Architektur Modbus/TCP arbeitet nach dem Master/Slave Prinzip: Master sendet Anfrage an den Slave und kann hierbei Ausgangsdaten mitschicken Slave antwortet mit Eingangsdaten Das Polling-Verfahren ist überschaubar und nutzt die Verbindungsüberwachung von TCP Nur wenig Dienste sind erforderlich und für viele Applikationen genügt die Performance Einfach zu integrieren Modbus Application Layer Modbus auf TCP andere andere Modbus+/HDLC PHY-Layer Master / Slave RS 232 oder RS 485 TCP IP -II/ PHY Folie 9-16

9 Powerlink von Bernecker & Rainer (B&R) Lösung heute am Markt erhältlich Hub, Bus, Interface für ACOPOS Servoantriebe - I/O Controller, EX282 Schnittstellenmodule - PCI Schnittstellenkarten Zeitschlitzverfahren Offene, kompatible und transparente TCP/IP Lösung Definition für (Konfiguration, Parametrierung, Diagnose, Administration und Wartung Parallele Lösung für real-time und non-real-time Kommunikation Synchronisation: Ein Powerlink Segment über mechanische, elektronische und datenverarbeitenden Komponenten zwischen verschiedenen geschützten, synchronisierten -Segmenten mit IEEE 1588 Alle Stationen sind am Netz zueinander, bzw. zum Programm in der SPS synchronisierbar Folie 9-17 Powerlink Zeitschlitzverfahren Deterministisch Zykluszeit Anzahl und Laufzeit der Zeit-Slots konfigurierbar Zykluszeit < 200 µs Zur Synchronisierung PLCs, Antriebe, I/O PLC Programme etc. Jitter < 1 µs Folie 9-18

10 Powerlink Zeitschlitzverfahren Tom, du bist dran Peter, hast du einen neuen Wert? Paul, hast du einen neuen Wert? Marie, hast du auch noch etwas? Start-Periode Start des Zyklus Poll Req.1 Poll Req.2 Zyklus-Periode Poll Req.3 Ende des Zyklus Invite Asynchron- Period Idle Poll Resp.1 Poll Resp.2 Poll Resp.3 Send t Alle aufpassen, wir starten nun! Poll Request Poll Response Meine Rotationsgeschwindigkeit beträgt 250 U/min Nein Ok, das war s Ja, hier ist mein Update Meine Temperatur ist 70 0 C Folie 9-19 Powerlink Protokoll-Stack Auf Applikationsebene werden CAN-Profile benutzt Cyclic-Datentransfer via neuem Stack asynchrone Daten via TCP/IP Azykl. Daten Applikation Zyklische Daten Schicht 7 Schicht 6 Schicht 5 TCP IP UDP Powerlink Schicht 4 Schicht 3 Powerlink CSMA/CD Schicht 2 Schicht 1 Folie 9-20

11 Powerlink Protokollstack Powerlink Node Powerlink-Bridge TCP/IP-Host Applikation zykl. Daten azykl. Daten Applikation azykl. Daten TCP UDP TCP UDP IP Bridging IP Powerlink CSMA/CD Powerlink CSMA/CD CSMA/CD CSMA/CD Folie 9-21 Powerlink Synchronisierung von Segmenten (switched) 1588 Ctr Brdg 1588 PLC Mgr 1588 Brdg 1588 PLC Mgr Mgr Ctr Brdg IEEE 1588 Time Synchron. Powerlink Manager Powerlink Controller Powerlink to Bridge IEEE 1588 Messages Ctr Ctr Ctr Ctr Ctr Ctr Asynchronic data (IP) Realtime Data (Powerlink) Open Powerlink Host Folie 9-22

12 Powerlink TCP/IP Connection Folie 9-23 PROFINET Von SIEMENS und Profibus-Nutzergruppe ins Leben gerufen Zur Integration von in Profibus-Netze und in Interbus (neue Absicht von Phoenix ab 2004) Kommunikation bzw. Datenaustausch über DCOM (Distributed Component Object Model) / COM. DCOM vereinheitlichen die Kommunikation zwischen mehreren Komponenten Verteilte Intelligenz, dezentrale Feldgeräte Echtzeit, Motion Control 2 Kanäle (Zeitbereiche) zur Übertragung von Echtzeit- und Nicht- Echtzeit-Daten Priorisierung Isochronität durch Slots gewährleistet Safety Netzmanagement, Web-Management Folie 9-24

13 PROFINET-Entwicklung PROFINET IRT v3 PROFINET v Architektur für Kommunikation und Engineering Verteilte Intelligenz Standard TCP/ IP Integration von PROFIBUS PROFINET RT v Leistungssteigerung mit Soft-Realtime SRT WEB-Integration Netzmanagement Dezentrale Feldgeräte 2005 Hoch performant mit Isochronem Realtime IRT Taktsynchronität Motion Control- Anwendungen Folie 9-25 PROFINET-Entwicklung Stufe 2 (2003) (reine SW-Lösung) Stufe 3 (2005) (mit HW-Unterstützung) Standard- Daten TCP IP Anwendung Realtime- Daten SRT SW Standard- Daten TCP IP Anwendung Realtime- Daten 2 Standard-Controller Industrial HW 2 Spez. HW ISRT (HW) Industrial IRT (HW) Folie 9-26

14 Echtzeit Lösungen - PROFINET v3 (II) Zeitschlitzverfahren (Quelle: Siemens Präsentation) Folie 9-27 EtherCAT von Beckhoff EtherCAT Technology Group ETG legt Technologie offen Setzt auf UDP auf Daten werden in Echtzeit ein-/ausgelesen nur 4 Bits zwischengepuffert Jitter: < 1 µs Zykluszeiten: 30 µs Folie 9-28

15 Echtzeit Lösungen EtherCAT Hardware basiertes Low Level Verfahren (Quelle: Beckhoff Präsentation) Folie 9-29 Echtzeit Lösungen EtherCAT Benötigt speziellen ASIC (Quelle: Beckhoff Präsentation) Folie 9-30

16 SERCOS III Weiterentwicklung des SERCOS-Interface (IEC/EN 61491) auf -Basis Linien- oder Doppelringstruktur ähnlich FDDI Echtzeit-Kanal parallel zu Standard-IP-Kanal Zykluszeit veränderbar zwischen 31 µs und 65 ms Produkte ab Ende 2005 Master Master Slave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 1 Slave 2 Slave 3 Folie 9-31 Echtzeit Lösungen SERCOS III Bewährte SERCOS-Mechanismen in Kombination mit weltweit bekannter -Physik Einsatz hardware-basierte Synchronisation und Ring-Topologie Erhöhen der Datenrate von 16 Mbit/s auf 100 Mbit/s Einfügen neuer Funktionen (Quelle: IGS Präsentation) Folie 9-32

17 JetSync von Jetter Kein IEEE 1588, aber ähnlich Da Zykluszeit (5 ms) vergleichbar hoch wurde Intelligenz in Antrieb verlagert, damit ausreichend Jitter < 10 µs Quelle: Jetter AG Folie 9-33 Fieldbus Foundation: HSE und H1 Feldbus H1 mit High Speed HSE in Kombination Foundation Fieldbus FF-H1 HSE eigensicherer Feldbus Dienste und Objektmodell von Profibus FMS übernommen Einsatz in Prozessleittechnik eigensicherer Betrieb mit 4-8 Geräten, nicht eigensicherer Betrieb mit bis zu 32 Geräten möglich in der Praxis wegen Bandbreite meist mit weniger Geräten Datenrate: 31,25 kbit/s gleiche Dienste und Objektmodell wie bei H1 Folie 9-34

18 Fieldbus Foundation: HSE und H1 Linking-Device zwischen H1 und HSE bindet mehrere H1 an HSE an Bridge-Funktion zwischen den H1 Gateway-Funktion zwischen H1 und HSE Zeit-Synchronisation zwischen HSE (SNTP) und H1 Redundanz durch doppelte Ausführung von HSE und der Linking- Devices Anschluss von Profibus DP und PA per Gateway an HSE Ctrl. H1 H1H1H1 LD H1 H1H1H1 LD HSE Folie 9-35 Wissenskontrolle Ordnen Sie bitte den -Anwendungen die unterstützten Feldbusse (Profile) zu! EtherCAT EtherNet/IP Modbus/TCP Powerlink PROFInet SERCOS III Folie 9-36

19 Installierte Industrial--Varianten (Automation) Variante Tsd. Geräte Anteil TCP/IP % EtherNet/IP % PROFINET % ModbusTCP % Powerlink % EtherCAT % HSE % FL-Net % SERCOS III % CC-Link IE % andere % Quelle: IMS Research, August Variante 2009 (Anteil installierter Geräte) TCP/IP EtherNet/IP PROFInet Modbus TCP Powerlink EtherCAT HSE FL-Net SERCOS III CC-Link IE Folie andere 9-37 Anhang Folie 9-38

20 Vergleich CIPsync ODVA Rockwell 300 µs < 0,5 µs? Plan EtherCAT ETG Beckhoff 10 µs x ns (?) plan JetSync Jetter 5 ms (?) < 10 µs? Powerlink EPSG B&R, Lenze, x () 200 µs < 1 µs PROFINET PNO Siemens 250 µs < 1 µs plan SERCOS III IGS Bosch Rexroth 31 µs < 1 µs(?)? plan Folie 9-39 Liste von URLs Folie 9-40

21 Kontaktadressen PI PROFIBUS & PROFINET International Modbus Organization Inc. PO-Box 628 Hopkinton, MA Web: EPSG Web: Interbus Club Deutschland e.v. Postfach 1108 D Blomberg Tel.: +49 (0) 5235 / Fax: +49 (0) 5235 / germany@interbusclub.com Web: Folie 9-41 Glossar Folie 9-42

22 Glossar Folie 9-43 MasterBus 300 Systembus, entwickelt durch ABB Übertragungsgeschwindigkeit 10 Mbit/s MasterBus 300 ist redundant aufgebaut Einige Systeme zeigen Kommunikationsengpässe bei über 10 % Netzlast in der Praxis Hilfe: Broadcasts begrenzen, Last überwachen Folie 9-44

23 DeltaV Prozessleitsystem entwickelt von Emerson (vormals Fisher- Rosemount) Ziel: einfache Handhabung Einfache Systemstruktur durch -TCP/IP-Netz Redundantes Bus-System Einfache Installation, auch in existierenden Netzen Offenes System durch zahlreiche standardisierte Kommunikationsschnittstellen Folie 9-45 Vnet/IP Prozessleitsystem entwickelt von Yokogawa Legt Gigabit fest wegen geringer Delays Redundante Linienstrukturen Folie 9-46

24 ControlNet Control-Netz für Automation-Anwendungen mit hohem Durchsatz (im Vergleich mit DeviceNet) Transfers mit 5 Mbit/s I/O-Daten, SPS Locking-Signale, Peer-to-Peer-Messages, Online-Programmierung Deterministisches Netz mit stabilen reproduzierbaren Übertragungsintervallen ideal für Anwendungen, die eine Vorhersagbarkeit (Kalkulierbarkeit) und Reproduzierbarkeit des Datentransfers brauchen Folie 9-47 Steuerungsdaten über Encapsulation: Informationsinhalt (z.b. Steuerungsdaten) verpackt in einem -Paket Vorteil: schnell Nachteil: keine Kommunikation auf dem Kommunikationsweg - nur nachdem das Paket ausgepackt wurde Header Steuerdaten z.b. Steuerdaten Präambel SFD Zieladresse MAC Quelladresse MAC Typ/ Länge DATEN FCS MAC-Ebene Folie 9-48

25 Steuerungsdaten über Translation Informationsinhalt (z.b. Steuerungsdaten) übersetzt und mit versendet Vorteil: Kommunikation zwischen allen Teilnehmern möglich Nachteil: langsam Echtzeiteigenschaften hinzufügen TCP/IP-Protokollstack wird kompatibel oder nicht kompatibel zum herkömmlichen TCP/IP-Protokollstack (oder auch höhere Schichten) ergänzt bzw. geändert Folie 9-49 IDA Ansatz Ziel: einheitliche, offene Schnittstelle (Applikations-Schicht) für die Automatisierung echtzeitfähig hochgenaue Antriebssynchronisierung über Konfiguration über WEB Maschienensicherheit und Plug-and-Play Die komplette Spezifikation und Source Code soll kostenlos von der IDA Homepage geladen werden IDA nutzt dabei mit der NDDS-Middleware ein Softwareprodukt, das ähnlich wie /IP die Protokolldienste TCP/IP für Parameter- und UDP/IP nach dem Publisher/Subscriber-Prinzip für Prozessdatenkommunikation nutzt. Integration von Modbus durch das Einpacken in Folie 9-50

26 IDA Ansatz IDA Echtzeit WG definiert ein Echtzeitkommunikationsmodell RTPS-Protocol (Real-Time Publish/Subscribe) NDDS-SW- Produkt von RTI als Middleware Regeln für: Netzmanagement, -design, network, - realtime service security Folie 9-51 IDA Integration von Modbus/TCP Applications Modbus TCP API IDA Object Model P/S NDDS 3.0 C/S Messaging BootP + DHCP Web HTTP Server File Trans FTP Server Mail SMTP Client Opt. Stack UDP TCP IP Folie 9-52