Ethernet in der Automatisierungstechnik. Arthur Baran

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1 Ethernet in der Automatisierungstechnik Arthur Baran

2 Inhalt Industrielle Kommunikation Industrieanforderungen an Ethernet Echtzeit Synchronität Industrielle Ethernetstandards PROFInet Ethernet Powerlink Ethernet in Industriellem Einsatz Fazit 2

3 Inhalt Industrielle Kommunikation Charakterisierung der Kommunikationsebenen Gründe für Einsatz von Ethernet in der Industrie Industrieanforderungen an Ethernet Industrielle Ethernetstandards Ethernet in Industriellem Einsatz Fazit 3

4 Industrielle Kommunikation Aufteilung in funktionale Ebenen Leitebene Steuerungsebene (Zellenebene) Sensor- / Aktorebene Verschiedene Anforderungen in den Ebenen Antwortzeit Datenmenge 4

5 Kommunikationspyramide 5

6 Sensor- / Aktorebene Sensoren Aktoren Kleine Datenmengen 1 Bit - 8 Byte Sehr kurze Antwortzeiten 20µs - 100µs 6

7 Steuerungsebene Steuerungen Steuerungen kommunizieren untereinander Dezentrale Steuerung Datenmengen Byte Antwortzeiten in Millisekundenbereich 7

8 Leitebene Umfasst übergeordnete Systeme Produktionsplanung Produktionssteuerung Visualisierung... keine Echtzeitanforderungen Ethernet mit TCP/IP 8

9 Bussysteme in der Automatisierungstechnik 9

10 Gründe für Einsatz von Ethernet als Feldbus Kostenersparnis Einheitliches System von der Leitebene bis zu Sensorebene geringer Wartungs- / Administrationsaufwand 10

11 Inhalt Industrielle Kommunikation Industrieanforderungen an Ethernet Echtzeit Synchronität Störung- und Fehlerfreie Übertragung Mechanische Robustheit Industrielle Ethernetstandards Ethernet in Industriellem Einsatz Fazit 11

12 Industrieanforderungen an Ethernet Echtzeitfähigkeit Synchronität der Geräte Störung- und Fehlerfreie Übertragung Mechanische Robustheit 12

13 Echtzeit - Grundlagen Weiche Echtzeit Bei weicher Echtzeit wird Überschreitung der Antwortzeiten innerhalb gewisser, aber festgelegter Grenzen toleriert und führt nicht sofort zu einem Systemfehler. Harte Echtzeit Ein hartes Echtzeitsystem muss genau festgelegte Antwortzeiten unter allen Umständen garantieren. Dabei sind Abweichungen von den Vorgaben nicht zulässig. 13

14 Ethernet und Echtzeit Worst-Case 16-fache Kollision von zwei Stationen Sättigung durch Meldungsüberlastung Ethernet nicht echtzeitfähig CSMA/CD Zugriffsverfahren 14

15 Ethernet muss deterministischer werden Vermeidung von Kollisionen Einsatz von Switches Problem: Wartezeit im Puffer des Switches Priorisierung der Datenpakete Master-Slave Betrieb Zeitschlitz-Management Reduzierung der Nachrichtenerzeugungsrate getrennt vom Bürobetrieb betreiben 15

16 Alle Komponenten müssen Echtzeitanforderungen erfüllen 16

17 Synchronität Verteilte Steuerungssysteme (Distributed Controll) simultane Ausführung von Aufgaben z.b. Transport schwerer Objekte zyklische Aussenden eines Triggerimpulses aufgrund hoher Zeitanforderung ungeeignet 17

18 Precision Time Protocol IEEE 1588 Standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems Zeitsynchronisierung von Industriegeräten Synchronisierung von Geräten bis auf weniger als 1 Millisekunde genau 18

19 Precision Time Protocol - Entwicklungsziele Einsatz in kleinen Netzwerken Geringes Ressourcenverbrauch in Bezug auf Rechenleistung und Bandbreite Kein Administrationsaufwand Genauigkeit im Mikrosekunden- bis Submikrosekundenbereich 19

20 Precision Time Protocol - Netzstruktur Jedes Gerät verfügt über Echtzeituhr Master - Slave Prinzip Multicast Adressen Verschiedene Genauigkeitsklassen Wahl des Grandmaster Clock Genaue Zeitsynchronisierung über Router / Switch Grenzen möglich 20

21 Precision Time Protocol - Master Slave Prinzip 21

22 Precision Time Protocol - Boundary Clock 22

23 Precision Time Protocol - Synchronisation Synchronisationsprozess in 2 Teile aufgeteilt Korrektur der Zeitdifferenz zwischen Master und Slave Ermittlung der Leitungsverzögerung/Latenz zwischen Master und Slave 23

24 Precision Time Protocol - Synchronisation Teil 1 24

25 Precision Time Protocol - Synchronisation Teil 2 25

26 Precision Time Protocol - Genauigkeit Hardware / Software Lösung max. bis auf 100ns Reine Software Lösung 10µs - 100µs 26

27 Störungs- und Fehlerfreie Übertragung Anlagen sind starken elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt Störungen auf dem Übertragungsmedium Maßnahmen zur Vermeidung dieser Störungen Hochqualitative Leitungen Gut abgeschirmte Leitungen Abgeschirmte Stecker Verwendung von CRC-Codes 27

28 Mechanische Robustheit Verschärfte Umweltbedingungen in industrieller Umgebung erhöhte Temperaturen andauernde Vibrationen aggressive Substanzen... Stecker und Kabel müssen höhere Mechanische Belastung aushalten Stecker und Kontakte müssen vor Staub, Wasser geschützt werden 28

29 Inhalt Industrielle Kommunikation Industrieanforderungen an Ethernet Industrielle Ethernetstandards PROFInet Ethernet Powerlink Ethernet in Industriellem Einsatz Fazit 29

30 Industrielle Ethernet Standards Von Firmen / Organisationen werden momentan verschiedene Ethernetstandards entwickelt EtherCAT RTnet... Hauptproblem: die Echtzeit PROFInet Ethernet Powerlink 30

31 PROFInet 31

32 PROFInet PNO - Profibus Nutzer Organisation Siemens Kombination von Profibus und Industrial Ethernet Abwärtskompatibel zu Profibus Objektorientiertes Anwendungsprotokoll 32

33 PROFInet - Varianten Basis PROFInet Basisvariante SRT PROFInet Soft Realtime IRT PROFInet Isochronous Realtime verfügbar ab

34 PROFInet - Skalierbarkeit 34

35 PROFInet - Datenaustausch DCOM - Objektorientiertes Anwendungsprotokoll als Basis der Kommunikation initiiert die Kommunikation Echtzeitprotokoll wir darüber ausgehandelt Priorisierung der Nachrichten nach IEEE 802.1Q ab V2.0 soll der Echtzeitprotokoll Bestandteil der Norm werden 35

36 PROFInet - Schichtenmodel 36

37 Ethernet Powerlink 37

38 Ethernet Powerlink EPSG - Ethernet Powerlink Standardization Group Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik Basiert auf Standard Fast Ethernetcontrollern strikt deterministisches Protokoll Ziel: Vernetzung von hochdynamischen Antriebssystemen 38

39 Ethernet Powerlink - Konzeptionsziele Standard Fast Ethernet deterministischer Datenaustausch Übertragung von Zeitkritischen / Zeitunkritischen Daten gleichzeitig Aktualisierung von Daten in weniger als 500µs Synchronisation von Stationen bis unter 1µs mindestens 128 Stationen im Netzwerk Übertragung von TCP/IP Paketen (diese darf nicht die Zeitkritische Kommunikation stören) 39

40 Ethernet Powerlink - Kapselung in Ethernet II Frame SID - Service Identifier Start of Cycle, End of Cycle, PollReq,... DA - Destination Address SA - Source Address 40

41 Ethernet Powerlink - Eigenschaften Zeitscheibenverfahren Master-Slave Prinzip kollisionsfrei Synchronisierung der Teilnehmer mittels IEEE 1588 (Precision Time Protocol) 41

42 Ethernet Powerlink - Netztopologie Verwendung von Hubs (bei Switch zu große Verzögerungszeit) bis zu 10 Hubs hintereinander geschaltet Gemischte Baum- / Linienstruktur 42

43 Ethernet Powerlink - Zyklus 43

44 Ethernet Powerlink - Isochrone Zykluszeit Gleich lange Zyklusintervalle Startzeitpunkte der Zyklen müssen exakt eingehalten werden Dauer der einzelnen Phasen kann variieren 44

45 Ethernet Powerlink - Zykluszeitverletzung Manager überwacht die Einhaltung der Zykluszeit Bei Verletzung dieser, wird die Kommunikation bei nächsten gültigen Startposition fortgesetzt 45

46 Ethernet Powerlink - Kommunikationsklassen 2 Kommunikationsklassen Class 1 - cyclic: Stationen werden in jedem Zyklus abgefragt Class 2 - prescaled: Es wird nur begrenzte Anzahl von Stationen dieser Klasse in jedem Zyklus abgefragt 46

47 Ethernet Powerlink - Kommunikationsklassen (Ablauf) 47

48 Ethernet Powerlink - Vorteile von Klassen Große Anzahl von Stationen Kleine Zykluszeiten 48

49 Ethernet Powerlink - Protokollstack 49

50 Inhalt Industrielle Kommunikation Industrieanforderungen an Ethernet Industrielle Ethernetstandards Ethernet in Industriellem Einsatz Einsatz von Ethernet in den Einzelnen Kommunikationsebenen Fazit 50

51 Ethernet in der Sensor-/Aktorebene Ethernet wird in dieser Ebene nicht eingesetzt nicht schnell genug zu großer Overhead keine gesicherten Erkenntnisse über Zuverlässigkeit 51

52 Ethernet in der Steuerungsebene Einsatz von Ethernet Standards Kommunikation zwischen den Steuerungen Anwendungsspezifische Kommunikation 52

53 Ethernet in der Leitebene Standard Ethernet mit TCP/IP Anbindung über Proxys Programmierung der Steuerungen Prozessvisualisierung Konfiguration der Steuerung Datenaustausch mit der Steuerung 53

54 Ethernet in der Leitebene - Steuerungsprogrammierung 54

55 Ethernet in der Leitebene - Visualisierung Prozessvisualisierung mit Web Interface integriert in der Entwicklungsumgebung über OPC-Schnittstelle 55

56 OPC-Schnittstelle OPC - OLE for Process Control OPC Foundation Sammlung von Industriestandards Ziel ist ein offenes und flexibles Standard Zugriff auf Steuerung mittels OLE z.b. mit VB aus Excel 56

57 Ethernet in der Leitebene - Visualisierung (in der IDE) 57

58 Ethernet in der Leitebene - Konfiguration und Datenaustausch Konfiguration und Datenaustausch mit der Steuerung Telnet FTP / TFTP 58

59 Fazit Durchgängig einheitliche Technik nicht möglich Problembereich: Motion Control Erhebliche Vorteile durch die vorhandenen Ethernet Standards Entwicklung schreitet weiter voran 59

60 Quellen Ethernet-TCP/IP für die Industrieautomation, Frank J. Furrer Automatisieren mit SPS, Theorie und Praxis, Günter Wellenreuth u. Dieter Zastrow

61 Vielen Dank 61

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