EDSETHIND.K=r. L force Communication. Ä.K=rä. Kommunikationshandbuch. Ethernet. Ethernet in industrieller Anwendung

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1 EDSETHIND.K=r L force Communication Ä.K=rä Kommunikationshandbuch Ethernet Ethernet in industrieller Anwendung

2 i Inhalt 1 Einleitung Basiswissen Determinismus Jitter Zykluszeit Switched Ethernet Zeitschlitz Verfahren Uhrensynchronisation Ports Hubs oder Switches Adressierung Beispiel Netzwerkklassen Reservierte IP Adressen Vergabe der IP Adresse Ausprägungen des "Industrial Ethernet" Ethernet/IP (CIP Sync) Prinzip Netzwerkarchitektur / Topologie EtherCAT Prinzip Netzwerkarchitektur / Topologie PROFINET Prinzip Netzwerkarchitektur / Topologie Ethernet POWERLINK Prinzip Netzwerkarchitektur / Topologie SERCOS III Prinzip Netzwerkarchitektur / Topologie

3 Einleitung 1 0Abb. 0Tab. 0 1 Einleitung Das aus der Bürowelt stammende Netzwerksystem Ethernet findet heute immer stärker auch im industriellen Umfeld Einsatz. Der Trend geht dahin, jedes Feldgerät mit einem Ethernet Anschluss auszustatten. Der klassische Feldbus wird dadurch verdrängt. Büro und Feldebene wachsen immer stärker zusammen. Neben dem Einsatzumfeld haben sich auch die Anforderungen an das Ethernet verändert. Geht es im Büroumfeld vorwiegend darum, größere Datenmengen zwischen PCs zu transferieren, so besteht die Kommunikation zwischen klassischen Feldgeräten eher in sehr kurzen Telegrammen. Dafür erwartet man in der Feldebene sehr kurze Antwortzeiten, die dazu noch hoch deterministisch sein müssen ( 4) Anforderungen, die das "normale" Ethernet nicht erfüllen kann. Diese geänderten Anforderungen führen dazu, dass sich unterschiedliche Protokolle auf der Hardware Basis von Ethernet entwickelt haben, die zum Teil auch voraussetzen, dass eine Trennung zwischen Echtzeit Ethernet Strängen und normalen Ethernet Netzwerken stattfindet. Lenze hat verschiedene Kommunikations Module entwickelt, um die verschiedenen Anforderungen folgender Ethernet Protokolle abdecken zu können: Ethernet Ethernet POWERLINK PROFINET EtherCAT EtherNet/IP Im nächsten Abschnitt werden einige Basismechanismen von Ethernet kurz erläutert. Anschließend werden die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ethernet Protokollen erklärt, sowie Hinweise zur Architektur des Ethernet Netzwerkes gegeben. 3

4 2 Basiswissen Determinismus 2 Basiswissen Anfang der 1970er Jahre wurde im "Xerox Palo Alto Research Center" eine Idee entwickelt, wie mehrere Mitarbeiter einen Drucker gemeinsam nutzen können. Schließlich wurde der erste Ethernet Standard (IEEE802.3) 1983 veröffentlicht und seitdem konsequent weiter entwickelt. Noch heute befinden sich einige der ursprünglichen Mechanismen im Ethernet, die allerdings den Einsatz außerhalb des Büroumfeldes schwierig gestalten, insbesondere die Kollisionsproblematik. Verschiedenste Organisationen haben inzwischen Aktivitäten entwickelt, um das Ethernet auch im industriellen Umfeld sinnvoll einsetzen zu können. Daraus sind eine Reihe von verschiedenen konkurrierenden Spezifikationen entstanden. Die wichtigsten davon sind in den nachfolgenden Kapiteln kurz dargestellt, insbesondere auch das Feldbussystem EtherCAT, das von Lenze forciert wird. Einige grundsätzliche Begriffsdefinitionen und Erläuterungen befinden sich direkt im Anschluss. Darauf folgend werden die verschiedenen Systeme kurz dargestellt, sowie die Vor und Nachteile kurz aufgezeigt. 2.1 Determinismus Determinismus liegt vor, wenn ein System sich streng gesetzmäßig mit der Zeit entwikkelt. Bezogen auf Kommunikationstechnik heißt dies, dass sich der Zeitpunkt, wann ein Wert von einem Teilnehmer zu einem anderen gelangt ist, genau bestimmen lässt. Die Telegrammkollisionen sind das Hauptproblem für echtzeitfähiges Ethernet. Dieses tritt auf, wenn 2 Teilnehmer gleichzeitig senden wollen. Hierbei erkennen die Ethernet Controller eine Kollision und brechen Ihre Übertragung ab. Nach einem Verfahren mit einem Zufallsanteil (CSMA/CD) versuchen sie, das Senden zu wiederholen. Hierdurch ist beim Standard Ethernet kein Determinismus möglich. 2.2 Jitter Zwischen dem Auslösen eines Signals und dem Zeitpunkt, zu dem der Empfänger reagiert, liegt eine Verzögerungszeit. Ist diese Verzögerungszeit nicht konstant, spricht man von einem Jitter. In "Motion Control" Systemen erwartet man hier Werte von unter 1 s. 2.3 Zykluszeit Unter einem (Kommunikations )Zyklus versteht man die Zeit, die benötigt wird, um alle Kommunikationsteilnehmer mit neuen Soll Werten zu versorgen und um von allen Teilnehmern den aktuellen Ist Wert einzulesen. Die kürzeste mögliche Zykluszeit ist also stets von der Anzahl der Teilnehmer am Bus abhängig. 4

5 Basiswissen Switched Ethernet Switched Ethernet Beim ursprünglichen Ethernet waren alle Teilnehmer an ein Kabel aufgeschaltet. Senden mehrere Teilnehmer zur gleichen Zeit Daten, kommt es zu Kollisionen. Bei der Weiterentwicklung des Ethernet wurden Hubs (Sternkoppler) eingeführt. Zwischen Teilnehmer und Hub ensteht so eine Punkt zu Punkt Verbindung. Der Hub verbindet alle Teilnehmer ohne Verzögerungen miteinander, ist also sehr schnell. Jedoch können so weiterhin Kollisionen entstehen. Dies wird durch eine neue Generation von Sternkopplern (Switches) vermieden, indem sie Nachrichten nur gezielt an die Geräte weiterleiten und bei Bedarf zurückhalten. Vorteil: Es sind Keine Kollisionen mehr möglich. Nachteil: Switches verzögern Nachrichten. Die Verzögerungszeit ist abhängig von der Netzlast. Harte Echtzeit ist so nicht erreichbar. 2.5 Zeitschlitz Verfahren Dem nicht deterministischen Ethernet Protokoll wird ein Zeitschlitz Verfahren übergeordnet. Jeder Teilnehmer "kommuniziert" nur, während gerade sein Zeitanteil am gesamten Zyklus aktiv ist. Damit werden die Kollisionen, die den Determinismus stören würden, vermieden. Vorteil: Der Determinismus ist vollständig beherrschbar. Nachteil: Alle Teilnehmer, die sich am gleichen Netzwerksegment befinden, müssen das überlagerte Zeitschlitzverfahren kennen. Ein falscher Teilnehmer genügt, um den Determinismus zu stören. 2.6 Uhrensynchronisation Jedes Gerät am Bus besitzt intern eine Uhr. Über ein spezielles Synchronisationsprotokoll (IEEE1588) wird dafür gesorgt, dass alle Uhren exakt gleich laufen. Damit ist sicher gestellt, dass bestimmte Aktionen von allen Teilnehmern zum gleichen Zeitpunkt ausgeführt werden. Vorteil: Der Determinismus ist über Standard Ethernet möglich. Nachteil: Es wird besondere Hardware benötigt (mit interner Uhr), auch für Switches. Ferner können auch nur zyklische Ereignisse in Echtzeit beherrscht werden. 5

6 2 Basiswissen Ports 2.7 Ports Ein Ethernet Teilnehmer kann verschiedene Programme (Server Dienste) gleichzeitig im Netz anbieten. Jeder Dienst "lauscht" auf einem Port. Clients, also andere Ethernet Geräte, können damit einen bestimmten Dienst ansprechen. Die meisten Dienste können mehrere Clients gleichzeitig bedienen. Beispiele Server Dienst Port Multi Client Web (HTTP) 80 ja (SMTP) 25 ja DNS 53 ja Datei Freigabe (SMB) 445 ja Einige Router, Firewalls und andere Infrastrukturkomponenten lassen aus Sicherheitsgründen nicht alle möglichen Ports durch. Es ist daher notwendig zu wissen, welche Ports für die Kommunikation mit einem Ethernet Teilnehmer erforderlich sind. 2.8 Hubs oder Switches Die Verkabelung von Ethernet Systemen ist heute standardmäßig sternförmig. In der Regel werden zwei Teilnehmer nicht direkt miteinander verbunden, sondern über einen Sternverteiler. Es sind dort zwei Typen von Sternverteilern üblich: Hubs und Switches. Waren früher die Hubs in der Bürowelt Standard, so findet man dort heute eher die Switches. Sie bieten den Vorteil, dass man fast beliebig viele Switches in Reihe schalten kann und somit baumförmige Netzwerkstrukturen aufbauen kann. Ein Switch empfängt Telegramme und entscheidet, auf welchem Switch Port er diese wieder weiter sendet. Die Kommunikation zwischen Ethernet Teilnehmer ist dabei stets kollisionsfrei. Sprechen mehrere Teilnehmer einen Switch zur gleichen Zeit an, so muss dieser die Nachrichten zwischenspeichern und anschließend weitergeben. Dadurch entstehen zufällige Verzögerungszeiten, die den Einsatz von Switches für Echtzeitanwendungen kritisch machen. Hubs darf man nur begrenzt in Reihe schalten, da bei mehr als zwei in Reihe geschalteten Hubs die Kollisionserkennung CSMA/CD nicht mehr funktioniert. Klarer Vorteil von Hubs ist aber die kurze Verzögerungszeit im Vergleich zu Switches, denn diese wiederholen Telegramme nur und geben sie an jedem Port wieder aus, ohne diese zu interpretieren. Daher lassen sich Hubs in Netzwerken für Echtzeitanwendungen wesentlich besser einsetzen. Verhindert man dann noch Kollisionen durch ein überlagertes Protokoll wie z. B. Ethernet POWERLINK, so sind Hubs die bessere Alternative für die Feldebene. 6

7 Basiswissen Adressierung Adressierung Jeder Ethernet Teilnehmer hat eine MAC Adresse. Die MAC Adresse ist eine physikalische Adresse, die ein Ethernet Gerät bei der Fertigung erhält und die nicht verändert werden kann. Sie ist weltweit eindeutig und kann nicht ein zweites Mal vorkommen. Sie ist häufig auf Geräten außen aufgedruckt. Diese eindeutige Adresse ermöglicht es, das Gerät ansprechen zu können, unabhängig davon, welche anderen Ethernet Geräte sich am Bus befinden. Es kann kein Adresskonflikt auftreten. Die MAC Adresse wird durch 6 Bytes dargestellt. Damit existieren 2 48, also ca. 280 Billionen verschiedene MAC Adressen, die es erlauben, jedes Ethernet Gerät eindeutig zu identifizieren. Die Darstellung erfolgt in der Regel hexadezimal, wobei die einzelnen Bytes durch Punkte getrennt werden. Aus den ersten drei Bytes lässt sich der Hersteller erkennen, die weiteren Bytes dienen zur Identifikation des Gerätes. Beispiel: 00.0A A (Die Herstellerkennung für Lenze ist 00.0A.86.) Da beim Wechsel eines Gerätes im Austauschfall immer eine Änderung der MAC Adresse bedeutet, gibt es die zusätzlich logische Adressierung über die IP Adresse. Jeder Netzwerkteilnehmer erhält zusätzlich eine IP Adresse. Sie muss innerhalb eines Netzwerkes eindeutig sein. Es handelt sich um eine "logische" Adresse, die man per Software ändern kann. Sie besteht aus 32 Bit. Zur besseren Lesbarkeit wird sie immer in Form von 4 durch einen Punkt getrennten Dezimalzahlen angegeben (Dot Notation). Die IP Adresse besteht aus der Net ID und der Host ID. Die Net ID bezeichnet das Netzwerksegment, während die Host ID den Teilnehmer bezeichnet. Die Aufteilung der 32 Bits auf Net ID und Host ID hängt von der Klasse der IP Adresse ab. Um welche Klasse es sich handelt, kann aus dem ersten Byte ermittelt werden. Nur Teilnehmer, die sich im gleichen Netzwerksegment (= Subnetz) befinden, können direkt miteinander kommunizieren. Befinden sie sich in verschiedenen Netzwerksegmenten, so sind Router erforderlich, die die Telegramme in das jeweilige Zielsegment umleiten. Die maximale Größe eines Netzwerksegments ist durch die Länge der Net ID ab. Weitere Abstufungen sind mit Hilfe der Netzwerkmaske möglich. 7

8 2 Basiswissen Adressierung Beispiel Beispiel Die IP Adresse ist Die Netzwerkmaske ist IP Adresse Netzwerkmaske Beschreibung des Beispiels: Alle Teilnehmer, die mit dem Beispielgerät kommunizieren wollen, müssen eine Adresse haben, die ebenfalls mit beginnt. Lediglich im letzten Byte der IP Adresse muss eine Differenz sein. Ansonsten ist ein Router zur Kommunikation erforderlich. Die IP Adresse des Routers ist dann als Standard Gateway anzugeben. Router (Gateways) übermitteln Pakete zwischen verschiedenen Netzen. Ein System kennt sein eigenes Netz. Alle Pakete für Systeme in anderen Netzen sendet es an einen Router. Ein System kennt bestimmte Routen: "zum Netz x geht es über Router y". Pakete zu allen unbekannten Netzen werden an das Standard Gateway (Standard Gateway) gesendet. Auch zurück muss das Routing funktionieren, sonst keine Antwort! Netzwerkklassen Class A Adressen von 1.x.x.x x.x.x Netzwerkmaske Erlaubt 126 Netze mit je bis zu 16 Millionen Hosts. Class B Adressen von x.x x.x Netzwerkmaske Erlaubt Netze mit je bis zu Hosts. Class C Adressen von x x Netzwerkmaske Erlaubt 2 Millionen Netze mit je bis zu 254 Hosts. Subnetting: Längere Netzwerkmaske als gemäß Klasse möglich wäre. 8

9 Basiswissen Adressierung Reservierte IP Adressen Reservierte IP Adressen , "local host" Mit dieser Adresse kann ein Teilnehmer sich stets nur selbst ansprechen. xxx.xxx.xxx.0, Bezeichner für Netzwerksegment Darf nicht als Teilnehmeradresse verwendet werden. xxx.xxx.xxx.255, "broadcast" Spricht alle Teilnehmer eines Netzwerkes an. Bestimmte Adress Bereiche sind reserviert für private Netze und dürfen nicht im Internet verwendet werden: Vergabe der IP Adresse Prinzipiell gilt: Sobald ein Ethernet Gerät an ein bestehendes Netzwerk angeschlossen werden soll, ist Rücksprache mit dem zuständigen Netzwerkadministrator erforderlich. Er ist dafür zuständig, eine IP Adresse zu vergeben. Ferner muss er entscheiden, ob das Gerät direkt mit dem Netzwerk verbunden werden darf, oder ob Abtrennungsmaßnahmen wie Firewalls nötig sind. Man darf nicht einfach irgendeine Adresse benutzen! Sie muss zum vorhandenen Netzwerk passen und darf nicht doppelt vorkommen. Zur Einstellung einer IP Adresse existieren verschiedene Mechanismen. Im industriellen Umfeld werden IP Adressen meist fest vergeben. Im Büro Umfeld werden häufig DHCP Server verwendet, die jedem Gerät beim Start dynamisch eine Adresse zuweisen. Dieses Verfahren ist aber im industriellen Umfeld eher selten anzutreffen. Wenn ein PC über das IP Protokoll mit einem Feldgerät kommunizieren möchte, so muss zunächst ein Abgleich der IP Adressen erfolgen. Zunächst ist zu prüfen, welche IP Adresse das Feldgerät hat bzw. die gewünschte Adresse muss gesetzt werden. Anschließend ist sicherzustellen, dass der PC eine IP Adresse besitzt, die sich im gleichen Subnetz befindet, oder aber dass ein Router im Netzwerk existiert, der die Telegramme von einem Netzwerksegment in ein anderes weiterleitet. Gegebenenfalls sind Einstellung in der Systemsteuerung des PCs notwendig. Setzen Sie sich diesbezüglich mit Ihrem Systemadministrator in Verbindung. 9

10 3 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" Ethernet/IP (CIP Sync) Prinzip 3 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" 3.1 Ethernet/IP (CIP Sync) Ethernet/IP wurde durch die Nutzergruppe "Open DeviceNet Vendor Association" (ODVA) spezifiziert, die durch Rockwell dominiert wird. Das IP steht hierbei für die Industrieprotokoll Erweiterung CIP (Common Industrial Protocol ), die den Applikationslayer bildet. CIP wird auch als Applikationslayer für DeviceNet und ControlNet verwendet und entsprechend gemeinsam durch ODVA und "ControlNet International" definiert. Dieser wurde um Synchronisationsfunktionen für Echtzeitanwendungen erweitert und trägt den Namen "CIP Sync". Hauptaussagen: Nur Standards werden verwendet (IEEE 802.3, IEEE 1588). Spezielle Switches sind erforderlich (mit "Boundary Clocks" für Uhrensynchronisation). Kombinierbar mit Standard Ethernet Komponenten. Sicherheitstechnik über CIP "Safety" ist möglich Prinzip Das Prinzip der Echtzeitfähigkeit beruht darauf, dass jeder Ethernet Teilnehmer eine interne hochgenaue Uhr besitzt. Diese werden ständig über ein wohldefiniertes Protokoll (IEEE 1588) neu abgeglichen, so dass man davon ausgehen kann, dass alle Uhren im System genau gleich laufen. Darüber hinaus müssen die Datenpakete priorisiert werden. Es können allerdings nur zyklische Ereignisse in Echtzeit beherrscht werden. Weitere Informationen zu Ethernet/IP (CIP Sync) finden Sie... im Internet unter Netzwerkarchitektur / Topologie Ethernet/IP erlaubt die im Ethernet Umfeld üblichen Topologien wie Stern und Baum. Als Infrastrukturkomponente müssen spezielle Switches mit "Boundary Clocks" eingesetzt werden. Standard Netzwerkanalyse Tools können verwendet werden. 10

11 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" EtherCAT Prinzip EtherCAT EtherCAT ist eine eingetragene Marke und patentierte Technologie, lizenziert durch die Beckhoff Automation GmbH, Deutschland. Es wurde die Nutzergruppe "EtherCAT Technology Group" (ETG) gegründet, in der man kostenlos, jedoch gegen zur Verfügungstellung seines Firmenlogos, Mitglied werden kann. Diese Nutzergruppe und somit seine "Mitglieder" besitzt keinerlei legale Rechte am System. Hauptaussagen der Firma Beckhoff: Vollständig zu Ethernet kompatibel. Kommunikation vollständig in Hardware; maximale Performance Hocheffizientes Protokoll Nutzung von Standard Ethernet Karten Beliebige Topologie Mischung von Echtzeitdaten mit Standard TCP/IP ist möglich. Ethernet als Backplane Das System besitzt seine Stärke als Rückwandbussystem für Klemmen. Es wird in zwei physikalischen Varianten angeboten: E Bus und Ethernet. E Bus basiert auf Differenzspannungssignalen (LVDS), ist nur für kurze Strecken geeignet (<10 m, z. B. innerhalb einer Klemme) und garantiert keine galvanische Trennung. Der Vorteil dieser Physik ist, dass sie hinsichtlich der Laufzeit schneller als die Ethernet Physik ist. Um echtes Ethernet Nutzen zu können (Standard Stecker, Kopplung an andere Ethernet Geräte etc.) ist die Verwendung der Ethernet Physik notwendig Prinzip Die Daten werden dem Ethernet Telegramm im Durchlauf entnommen und/oder eingefügt ("Interbus Prinzip"). Weitere Informationen zu EtherCAT finden Sie... im Internet unter 11

12 3 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" EtherCAT Netzwerkarchitektur / Topologie Netzwerkarchitektur / Topologie Die Topologie eines EtherCAT Systems ist prinzipiell frei. Standardmäßig geht man von einer Linienstruktur aus. Tatsächlich verbirgt sich implizit dahinter immer ein Ring. Abzweige sind über I/O Koppler möglich. Ein Stern lässt sich nur realisieren, wenn die SPS bereits genügend Ethernet Anschlüsse (Netzwerkkarten in einem PC) besitzt. Die Verwendung von Standard Switches zum Aufbau eines Sterns ist nicht möglich. Baumstrukturen sind unter Verwendung von I/O Klemmen mit Stichleitung möglich, jedoch lassen sich so nicht beliebige Baumstrukturen realisieren. Switches sind nur zwischen Master und dem ersten EtherCAT Knoten erlaubt. Standard Ethernet Komponenten können entweder an genau diesem Switch angekoppelt werden, oder aber an speziellen Switchingport Klemmen. Die Kommunikation zwischen den Standardkomponenten und EtherCAT Geräten erfolgt niemals direkt, sondern stets über den sog. "Virtual Switch" in der SPS, also einen Umweg, der Laufzeit kostet und einen Flaschenhals darstellt. Zur Netzwerkanalyse werden spezielle Analysegeräte benötigt, da der Datenstrom abhängig vom Messpunkt ist. 12

13 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" PROFINET Prinzip PROFINET PROFINET wird von der Nutzerorganisation PROFIBUS & PROFINET International (PI) definiert. PROFINET stellt die logische Ablösung des PROFIBUS dar. Man unterscheidet zwischen dem PROFINET Komponentenmodell (CBA, V1), dessen Hauptziel es ist, eine Verschaltung zwischen Automatisierungskomponenten vorzunehmen, und dem PROFINET I/O, das der Weiterentwicklung des PROFIBUS entspricht. Die Kommunikation beim Komponentenmodell basiert auf Standard TCP/IP, ist nicht echtzeitfähig und daher hier nicht relevant. Beim PROFINET I/O ist ebenfalls eine Unterscheidung vorzunehmen. Es existiert eine Variante, die zwar echtzeitfähig ist, jedoch mit Leistungsdaten, die für Motion Control Anwendungen nicht geeignet sind. Sie wird als SRT (Soft Real Time, V2) bezeichnet und kann prinzipiell auf jedem Controller implementiert werden, der Ethernet unterstützt. Die erreichbare Performanz entspricht in etwa der des PROFIBUS. Daneben existiert die IRT Variante (Isochronous Real Time, V3), die als einzige für "Motion Control" Anwendungen geeignet ist. Um sie zu realisieren, sind spezielle ASICs von Siemens erforderlich. Hauptaussagen: Koexistente Nutzung von Echtzeit und TCP basierter IT Kommunikation auf einer Leitung Einheitliches Protokoll sowohl zwischen den Komponenten, als auch zwischen Steuerung und Feldgerät Skalierbare Kommunikation Prinzip Soft Real Time (SRT): Switched Ethernet zur Kollisionsvermeidung Optimierung des TCP/IP Protokollstacks Reduzierte Telegrammlänge und verkürzte Durchlaufzeiten Priorisierung der Datenpakete gemäß IEEE 802.1Q (Prio 6) Isochronous Real Time (IRT): Zeitschlitzverfahren: der Kommunikationszyklus wird in einen deterministischen Teil (Echtzeit) und einen offenen Teil (Standard Ethernet) aufgespaltet Realisierung auf Hardware Basis (spezielles ASIC) Zyklussynchronisation und Zeitschlitzreservierung in Hardware realisiert Weitere Informationen zu PROFINET finden Sie... im Internet unter 13

14 3 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" PROFINET Netzwerkarchitektur / Topologie Netzwerkarchitektur / Topologie Die Topologie eines PROFINET Netzwerks ist prinzipiell frei. Als Sternkoppler können Switches verwendet werden. Bei PROFINET SRT (V2) muss dieser Switch die Priorisierung der Datenpakete gemäß IEEE802.1Q unterstützen. Bei PROFINET IRT (V3) sind nur spezielle Switches möglich, die den PROFINET ASIC von Siemens enthalten. Hier sind bislang nur 4 Port Switches möglich. Mit Hilfe von integrierten Switches in Feldgeräten sind auch Linienstrukturen möglich. Zur Netzwerkanalyse bei PROFINET IRT (V3) werden spezielle Analysegeräte benötigt, da der Datenstrom abhängig vom Messpunkt ist. 14

15 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" Ethernet POWERLINK Prinzip Ethernet POWERLINK Ethernet POWERLINK ist ein Echtzeit Ethernet System. Die ursprüngliche Idee für Ethernet POWERLINK stammte von der Firma B&R (Version 1.0). Die Offenheit und Weiterentwicklung des Systems wird durch die "Ethernet POWERLINK Standardisation Group" (EPSG) gewährleistet. Diese Aktivitäten führten zu einem anerkannten Industriestandard (Version 2.0), der die technischen Eigenschaften des Ethernet auf optimale Weise mit den Anforderungen nach Echtzeit und Integrationsfähigkeit verbindet Prinzip Ethernet POWERLINK vermeidet Kollisionen durch ein überlagertes Softwareverfahren, dem "Slot Communication Network Management". Es handelt sich hierbei um ein Zeitschlitz Verfahren, bei dem der Master (Managing Node) jedem Slave (Controlled Node) das Recht aktiv zu senden explizit erteilt. Empfangen können immer alle Teilnehmer. Vergleich zu CAN: Bei CAN gibt es auch einen Master, der den Start eines neuen Zyklusses startet. Die Teilnehmerzuteilung wird durch CAN Funktionen automatisch geregelt. In jedem Zyklus kann auch ein nicht echtzeitfähiges Telegramm (a) übertragen werden. Hier können beliebige Ethernet Telegramme gesendet werden (z. B. allgemeine TCP/IP Telegramme). Auch für diese Telegramme teilt der Master (Managing Node) genau einem Slave (Controlled Node) das Senderecht zu. i i n a i Zyklus 1... n Zyklischer Datentransfer (HRT) für Teilnehmer 1... n a Azyklischer Datentransfer (z. B. TCP/IP) t E94YCEP014 Weitere Informationen zu Ethernet POWERLINK finden Sie... im Internet unter powerlink.org in der Broschüre "Real Time Industrial Ethernet is Reality". 15

16 3 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" Ethernet POWERLINK Netzwerkarchitektur / Topologie Netzwerkarchitektur / Topologie Die Vorteile einer durchgängigen Kommunikation, die durch die Verwendung einheitlicher Kabeltypen und Standards ermöglicht werden, sind offensichtlich. Dadurch fällt aber auch die bisher vorhandene systembedingte Trennung zwischen Büro und Feldebene auf. Eine völlige Aufhebung von Strukturierungen ist jedoch auch bei Ethernet Netzwerken aus den folgenden Gründen nicht sinnvoll: Sicherheit und Zugriffsschutz Bildung von Netzwerksegmenten systembedingte Notwendigkeit der Segmentierung Die Segmentierung eines Netzwerkes ist in jedem Fall sinnvoll. Nicht jeder Teilnehmer muss ständig mit jedem anderen kommunizieren. Fasst man diejenigen Teilnehmer zu einem Netzwerksegment zusammen, die ständig kommunizieren, so kann man auf diese Art und Weise andere Netzwerkstränge von dieser Buslast abtrennen. Typischerweise trennt man in einem großen Firmennetz auch bei Verwendung des gleichen Bussystems in beiden Ebenen strikt zwischen Büro und Feldebene. Es gibt zwar mögliche Verbindungen zwischen diesen Netzwerken (Router), jedoch erlauben diese den Durchgriff nur nach Prüfung von dedizierten Regeln. Die Router sorgen daher für Zugriffsschutz, da nicht jeder Büro PC beliebig auf ein Feldgerät zugreifen darf. Außerdem ist durch diese Trennung auch gewährleistet, dass Störungen in einem Netzwerksegment nicht zu Störungen in anderen Segmenten führen. Speziell bei der Kopplung von Echtzeit Ethernet zu Nicht Echtzeit Ethernet fallen dem Router weitere Aufgaben zu. Die Ethernet POWERLINK Teilnehmer dürfen nicht mit normalen Ethernet Teilnehmern an einem Netzwerksegment betrieben werden. Da die Standardteilnehmer das Echtzeitprotokoll nicht kennen, käme es sonst zu Kollisionen, die das Echtzeitverhalten des Busses stören würden. 16

17 Ausprägungen des "Industrial Ethernet" SERCOS III Prinzip SERCOS III SERCOS III hat sich zum Ziel gesetzt, die bewährten Mechanismen von SERCOS mit den Vorteilen der Ethernet Physik zu verbinden. Dabei wurden die bestehenden Mechanismen, Profile und Telegrammstrukturen weitgehend unverändert auf die Ethernet Physik übertragen. Zusätzlich sollten folgende Ziele erreicht werden: Reduktion der Kosten für die Hardware Anschaltung Integrationsmöglichkeit von TCP/IP Protokollen Querkommunikation Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten Fehlertoleranz gegenüber Kabelbruch Prinzip SERCOS III sieht einen IP Kanal vor, über den Standard Ethernet Telegramme übertragen werden können. Dieser ersetzt nicht den bei SERCOS bekannten Service Kanal, der weiterhin in den zyklischen Daten mit übertragen wird. Der IP Kanal kann abgeschaltet werden und wird in typischen Berechnungsbeispielen meist nicht berücksichtigt. Ähnlich wie beim Interbus wird in jedem Kommunikationszyklus ein Summenrahmen übertragen, aus dem jeder Slave seine Daten entnimmt oder seine Daten hineinschreibt. Aus diesem Grund ist zur Realisierung eine spezielle Hardware (ASIC oder FPGA) erforderlich. Weitere Informationen zu SERCOS III finden Sie... im Internet unter Netzwerkarchitektur / Topologie Das ursprüngliche SERCOS ist stets als LWL Ring aufgebaut. Die Ringstruktur wurde auch auf die Ethernet Physik übertragen. Da jede Ethernet Verbindung sowohl einen Hin wie auch einen Rückkanal bietet, ergibt sich ein Doppelring. Damit ergibt sich die Möglichkeit, redundante Systeme aufzubauen. Bei Ausfall eines Slaves ist der logische Ring zwar unterbrochen, die Kommunikation ist aber weiterhin möglich. Die Linienstruktur ermöglicht keine Redundanz, spart aber eine Verbindung ein. Dies kann bei ausgedehnten Systemen eine wesentliche Einsparung sein. Sternstrukturen sind bei SERCOS nicht möglich. Sternkoppler wie Hubs oder Switches können nicht eingesetzt werden. SERCOS III Netzwerke sind stets separierte Netzwerke. Die Ankopplung an übergeordnete Systeme kann nur über den "Motion Controller" oder die SPS erfolgen. Dieser Übergang ist bislang nicht definiert. Zur Netzwerkanalyse werden spezielle Analysegeräte benötigt, da der Datenstrom abhängig vom Messpunkt ist. 17

18 11/2012 Lenze Automation GmbH Grünstraße 36 D Meerbusch Germany Service Lenze Service GmbH Breslauer Straße 3 D Extertal Germany +49 (0)21 32 / / (24 h helpline) +49 (0)21 32 / (0)51 54 / Lenze@Lenze.de Service@Lenze.de EDSETHIND.K=r DE 3.1 TD