plug and play Sercos, der Automatisierungsbus

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1 plug and play Sercos, der Automatisierungsbus

2 Sercos III I Einleitung Vorteile und Nutzen I Sercos III Vorteile und Nutzen auf einen Blick Maschinenbauer und Anwender profitieren mit Sercos von einer Vielzahl an Vorteilen und Nutzen: Sercos der Automatisierungsbus: Seit mehr als 20 Jahren eines der führenden Bussysteme für die Industrie. Die millionenfach bewährte Echtzeittechnologie, die universellen Einsatzmöglichkeiten und die hohe Investitionssicherheit machen das Ethernet-System zur ersten Wahl im Maschinen- und Anlagenbau. Ein effizientes und deterministisches Kommunikationsprotokoll auf Basis eines störunempfindlichen, optischen Übertragungssystems schuf die Grundlage dafür, dass Sercos heute in den unterschiedlichsten Branchen und Applikationen mit großem Erfolg eingesetzt wird. Gerade bei anspruchsvollen Anwendungen mit hohen Anforderungen an Dynamik und Präzision hat sich Sercos als De-facto-Standard in allen großen Automatisierungsmärkten etabliert. Sercos spezifiziert jedoch nicht nur ein echtzeitfähiges Kommunikationssystem, sondern legt darüber hinaus umfassende Funktionsgruppen, Klassen und Profile fest, die das Zusammenspiel von Steuerungen, Antrieben und anderen Peripheriegeräten mit einer herstellerübergreifenden Semantik beschreiben. Dies schafft die Grundlage, dass Geräte unterschiedlicher Hersteller problemlos kombiniert werden können. Bis heute kommen über 4 Millionen Echtzeitknoten in über Anwendungen zum Einsatz. Sercos III universelle Kommunikation für verteilte Automatisierungslösungen Die Industrieautomation fordert echtzeitfähige und herstellerunabhängige Kommunikationslösungen. Verschiedenartige Automatisierungsgeräte müssen einfach und durchgängig vernetzbar sein. Sercos III, der offene und IEC-konforme Universalbus für die Ethernet-basierte Echtzeitkommunikation, erfüllt schon heute diese Anforderungen mit einer Vielzahl an Vorteilen. Bewährt Sercos ist ein offener, internationaler Standard (IEC 61784, IEC 61158, IEC ) Lückenlose Rückwärtskompatibilität sichert langfristige Investitionen ab Führende Automatisierungsanbieter unterstützen Sercos mit breiten Produktportfolios Hohe Akzeptanz der Sercos Technologie in vielen Industrien, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen Mehr als vier Millionen Echtzeitknoten in über Anwendungen sind im Einsatz und die Zahlen steigen mit jedem Tag Physik und Protokoll des Ethernet-Standards IEEE werden verwendet Einfach Sercos Geräte lassen sich einfach konfigurieren und in Betrieb nehmen Einfache Verkabelung, weil weder die physische Reihenfolge der Geräte noch die Reihenfolge der Anschlüsse an die beiden Sercos Ports beachtet werden müssen Leichte Wartung, weil die Geräte und die Position innerhalb der Topologie automatisch erkannt werden Schnell Hohe Geschwindigkeit aufgrund des Einsatzes von Fast Ethernet (100 Mbit/s Voll-Duplex) Kurze Laufzeiten: Das Summenrahmenverfahren, die Verarbeitung während des Knoten-Durchlaufs sowie die direkte Querkommunikation verringern Laufzeiten im Netzwerk auf ein Minimum Konfigurierbare Zykluszeit: Der Kommunikationszyklus lässt sich in einem Bereich zwischen 31,25 μs and 65 ms auswählen Synchronisierungsgenauigkeit << 1 µs Effizient Hot-plugging ohne Beeinträchtigung der Echtzeit und der Synchronisation Optimierte Bandbreitennutzung mittels Summenrahmenverfahren und Multiplexing-Verfahren Alle auf Ethernet basierenden Protokolle (einschließlich TCP/IP-Kommunikation) können zeitgleich mit Echtzeitdaten über dasselbe Kabel übertragen werden Verlässlich Redundante Datenübertragung gewährleistet eine hohe Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit Synchronisation mit einer Genauigkeit unter einer Mikrosekunde gewährleistet im gesamten Sercos Netzwerk eine deterministische und synchrone Kommunikation Sercos bietet eine ausfallsichere Kommunikation: Ein Kabelbruch oder Geräteausfall wird innerhalb von 25 μs entdeckt, wodurch ein Datenverlust von höchstens einem Zyklus entsteht Widerstandsfähige Kabel aus Kupfer oder Glasfaser Wirtschaftlich Sercos energy: Energie sparen und dabei volle Produktivität entfalten Maschinensteuerungen können Komponenten in den Ruhezustand versetzen Schnelle und effiziente Datenübertragung ermöglicht kürzere Taktzeiten und eine höhere Ausbringung Flexibel Flexible Netzwerk-Topologien (Ring-, Linien-, Stern-/Baumstruktur) Umfangreiche Auswahl an Geräteprofilen für alle Arten von Automatisierungsgeräten Innovative Kommunikationsfunktionen, zum Beispiel direkte Querkommunikation und Ringredundanz Sicher Sicherheitsfunktionen bis zu SIL3 gemäß IEC lassen sich mit CIP Safety on Sercos umsetzen Sicherheitsgerichtete und Nicht-sicherheitsgerichtete Daten werden über dasselbe Kabel übertragen Durch die Routingfähigkeit von CIP Safety können Geräte über Netzwerkgrenzen hinweg sicher kommunizieren Unabhängig Sercos ist eine herstellerunabhängige Technologie: alle Rechte an der Sercos Technologie liegen bei der Nutzerorganisation Sercos International e.v. Spezifikationen werden von herstellerübergreifenden Arbeitsgruppen gepflegt und weiterentwickelt Alle Spezifikationen sind frei verfügbar Eine Mitgliedschaft ist für die Nutzung der Sercos Technologie nicht notwendig 02 03

3 Sercos III I Grundlagen / Basiskonzepte Grundlagen / Basiskonzepte I Sercos III Grundlagen / Basiskonzepte Durchgängige Kommunikation von der Office- bis zur Feldebene mit Ethernet Internet Firmen-Netz Intranet Router Office Fabrik-Netz Sercos III + Ethernet Router Service Anlagen-Netz Leitsystem Router Maschinen-Netz Peripherie Antrieb I/O Peripherie Gateway Sicheres I/O Sicherer Antrieb Antrieb Feldbus Service Warum Ethernet Ethernet Sercos III + Ethernet Ethernet ermöglicht eine einheitliche Netzwerkinfrastruktur zur Kommunikation über alle Ebenen der Automatisierungspyramide hinweg. Die vertikale Integration vom Sensor bis zur Buchhaltungssoftware eröffnet neue Möglichkeiten in der Betriebssteuerung. Gleichzeitig erlauben moderne Ethernet-basierte Netzwerke im Vergleich zu konventionellen Feldbussen mehr Flexibilität im Aufbau und in der Erweiterung der Steuerungstopologien innerhalb der Produktionskette. Ethernet kann ohne spezifische Maßnahmen die Echtzeitanforderungen und Effizienzanforderungen der Automatisierungstechnik nicht erfüllen. Aus diesem Grunde müssen entsprechende Übertragungsverfahren definiert werden, die Ethernet echtzeitfähig und effizient machen. Bei der Vielzahl der im Markt angebotenen Echtzeit- Ethernet-Lösungen ist es nicht ganz einfach, den Überblick zu behalten. Selbst Fachleute tun sich teilweise schwer, die genaue Funktionsweise und die daraus resultierende Charakteristik der verschiedenen Echtzeit- Ethernet-Lösungen umfassend zu bewerten und zu vergleichen. Letzten Endes kann ein objektiver Vergleich von Lösungen nur anhand konkreter Anwendungsszenarien durchgeführt werden. Wichtig ist, die grundsätzlichen Prinzipien und Arbeitsweisen der verschiedenen Echtzeit-Ethernet-Lösungen zu verstehen. Konkret bietet die Ethernet-Technologie eine Reihe von Vorteilen: anerkannte und zukunftssichere Technologie vielfach höherer Datendurchsatz als Feldbusse keine proprietäre Hardware erforderlich Einsatz von Standard-Komponenten wie z. B. doppelt geschirmte CAT5e-Kupferkabel, Stecker und Controller mit hohen Stückzahlen flexible und kompatible Automatisierungssysteme durch internationalen Standard übergreifende IT-Konzepte mit einem durchgängigen Übertragungsmedium und -protokoll von der Officebis zur Feldebene Möglichkeit zur weltweiten Vernetzung für Diagnose und Wartung Die Ethernet-Technologie vereint Peripherie-, Antriebs-, Safety- und Office-Kommunikation auf einem gemeinsamen Medium einfach, kostengünstig und leistungsstark. SafetyNET p CC-Link IE Varan Switch mit Zeit-Server HSCI PowerDNA Eignung von Echtzeit-Ethernet-Protokollen SynUTC Ethercat Vnet/IP Profinet Mechatrolink III Drive-Cliq EPA Sercos Powerlink Modbus RTPS DART-EC TCnet RAPIEnet RTEX EtherNet/IP FL-net RTnet SynqNet JetSync TTEthernet Fast Track Switching AFDX 04 05

4 Sercos III I Grundlagen / Basiskonzepte Grundlagen / Basiskonzepte I Sercos III Standard-Ethernet-Kommunikation Positionierantriebe, Frequenzumrichter, E/A-Peripherie Antriebe mit dezentraler Signalverarbeitung, Highspeed-E/A-Peripherie Zentrale Antriebskonzepte, hochdynamische Messtechnikanwendungen Vergleich von Echtzeitanforderungsklassen Alle genormten Echtzeit-Ethernet-Lösungen sind in der IEC Teil 2 gelistet, wobei die jeweiligen Protokollspezifikationen der Echtzeit-Ethernet-Lösungen in der IEC Normenreihe enthalten sind. Die dort beschriebenen Technologien haben gemeinsam, dass als Übertragungsphysik und -protokoll Ethernet IEEE genutzt wird. Anwendungsgebiete dieser Technologien decken den gesamten Bereich der Fabrik- und Prozessautomatisierung ab. Die höchsten Anforderungen bezüglich Performance und Echtzeit werden dabei an Bussysteme gestellt, die in Motion Control Anwendungen eingesetzt werden. Determinismus Standard-Ethernet ist nicht echtzeitfähig, weil es nicht deterministisch ist. Der fehlende Determinismus ist darin begründet, dass beim traditionellen CSMA/CD- Verfahren die Kollisionen von Nachrichten zwar erkannt, nicht aber vermieden werden. Dies resultiert in erheblichen Zeitschwankungen bei der Nachrichtenübertra- Software Hardware MAC PHY Echtzeit-Protokoll TCP Zykluszeiten Nicht zyklisch 4 10 ms 250 µs 4 ms 31,25 µs 125 µs Synchonisationsbedarf Nicht synchronisiert > 4 ms << 1 µs << 1 µs gung. Zwar werden bei Switched Ethernet durch die Voll-Duplex-Übertragung und durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen Kollisionen verhindert. Allerdings entstehen durch den Einsatz von Switches zusätzliche Latenzzeiten und nicht-deterministische Verzögerungen bei Überlastsituationen. Echtzeit-Ethernet: Standardhardware vs. spezifische Hardware Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um Ethernet echtzeitfähig zu machen, Die einfachste Form der Echtzeitprotokolle ist oberhalb der TCP/IP Schicht angesiedelt und basiert auf einem Polling-Mechanismus bzw. Zeitschlitzverfahren (Grafik unten, links). Effizienter arbeiten Echtzeitprotokolle, bei denen herkömmliche Protokollstacks (Schichten 3+4, Vermittlungs- und Netzwerkschicht) durch ein Echtzeitprotokoll ersetzt werden (Grafik unten, Mitte). Weitere Performance-Steigerungen sind durch die Protokollverarbeitung in Hardware möglich (Grafik unten, rechts). Einige Echtzeit-Ethernet-Protokolle Anwendung Anwendung Anwendung Ethernet EtherNet/IP, Modbus/TCP Powerlink, Profinet RT Sercos III, Profinet IRT, Ethercat Zykluszeit Konzepte verschiedener Echtzeit-Ethernet-Lösungen IP IP IP MAC PHY Ethernet MAC PHY Ethernet Echtzeit- UDP TCP UDP Protokoll TCP UDP Echtzeit- Protokoll Protokolleffizienz verwenden dabei ein eigenes Ethernet-Frame-Format und sind somit nur auf der Bitübertragungsschicht kompatibel zu Ethernet. Aus Performance-Gründen werden üblicherweise alle in der Grafik aufgezeigten Echtzeit- Ethernet-Protokolle in einer spezifischen Hardware implementiert, nicht nur die rechte Variante. Protokolleffizienz In der Automatisierungstechnik werden auf Steuerungsund Sensor-/Aktorebene typischerweise viele Teilnehmer mit jeweils geringen zu übertragenden Datenmengen miteinander verbunden. Werden diese Prozessdaten in jeweils einzelnen Telegrammen übertragen, so entsteht ein ungünstiges Verhältnis von Ethernet-Overhead zum Nutzdatenumfang. Zudem werden falls die Nutzdaten weniger als 46 Bytes betragen Telegramme mit Nullbytes (sog. Padding) aufgefüllt, um die Mindestlänge von 64 Bytes zu erreichen. Dabei wird wertvolle Bandbreite nicht genutzt. Effizienter sind aus diesem Grunde Summenrahmentelegramme, bei denen die Echtzeitdaten mehrerer Teilnehmer in einem gemeinsamen Telegramm zusammengefasst werden. Latenzzeit/ Zykluszeit Für die Echtzeit-Kommunikation ist eine deterministische Übertragungsdauer (Latenz) bei möglichst geringem Jitter (für Motion Control Anwendungen <1 µs) gefordert. Durch den Verzicht auf Netzwerkinfrastrukturkomponenten (Switches, Hubs) und durch die Verarbeitung der Telegramme während des Durchlaufs durch die Netzwerkteilnehmer, werden die Durchlaufzeiten minimiert. Bei einer hohen Protokolleffizienz und einer schnellen Telegrammverarbeitung in den einzelnen Netzwerkknoten können Zykluszeiten von weit unter 1 ms erreicht werden. Synchronisierungsverfahren Die Synchronisierung in verteilten Automatisierungssystemen kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Bei einem Zeitschlitzverfahren kann die Synchronisierung aus dem zyklischen Protokoll abgeleitet werden. Das Synchronisierungsverfahren beruht auf dem Versenden eines Synchronisationssignals, das von allen Netzwerkteilnehmern zyklisch empfangen und ausgewertet wird. Um eine bestmögliche Synchronisation sicherstellen zu können, ist es erforderlich, dass das Signal in einem festen Zeitraster mit möglichst geringen zeitlichen Abweichungen gesendet und empfangen wird. Eine andere Möglichkeit der Steigerung der zeitlichen Präzision und Synchronität von Ethernet basiert auf dem Prinzip der verteilten Uhren (IEC 61588), die über entsprechende Telegramme miteinander synchronisiert werden. Verteilte Uhren sorgen für eine präzise Zeitbasis, die unabhängig von Laufzeiten und -schwankungen auf dem Kommunikationsmedium ist. Da diese Zeitbasis jedoch keinen Determinismus bei der Datenübertragung sicherstellen kann, müssen die Nachrichten immer mit genügend Vorlauf übertragen werden, damit diese zum Synchronisierungszeitpunkt zur Verarbeitung zur Verfügung stehen. Bei einigen Echtzeit-Ethernet-Protokollen werden verteilte Uhren dazu verwendet, um die bei der zyklischen Übertragung auftretenden Jitter zu verringern. Topologie Wegen des höheren Verkabelungsaufwandes wird in der Automatisierungstechnik die bei Ethernet übliche Sterntopologie nach Möglichkeit vermieden. Stattdessen werden die Automatisierungsgeräte bevorzugt direkt, d.h. ohne externe Infrastrukturkomponenten, miteinander verbunden ( Daisy Chaining ). Dies erfolgt durch die Integration von Hubs oder Switches in die Endgeräte. Bei ausgedehnten Maschinen und Anlagen kann es von Vorteil sein, einen Abzweig bzw. eine Stichleitung zu einem oder mehreren Teilnehmern herzustellen, oder aber eine Baum-/Sterntopologie mit externen Infrastrukturkomponenten oder einer geräteintegrierten Logik mit zusätzlichen Ports zu realisieren

5 Sercos III I Sercos Funktionsweise Sercos Funktionsweise I Sercos III Sercos Funktionsweise Um den Ansprüchen der modernen Industrieautomation gerecht zu werden, bietet Sercos ein Hochleistungsprotokoll. Dieses verbindet die Offenheit des Standard-Ethernet mit den Anforderungen an Echtzeit-Präzision in der Automatisierungstechnik. Echtzeitdaten werden bei Sercos in zyklischen Telegrammen des Ethernet-Protokolltyps 0x88CD nach IEEE versendet. Diese stellen die Kommunikationsmechanismen M/S, DCC sowie SVC, SMP und Safety zur Verfügung. Die ausgetauschten Daten sind über standardisierte Funktionsgruppen, Klassen und Profile adressierbar. Sercos unterscheidet folgende Telegrammarten: -Daten-Telegramm (MDT): Der sendet Vorgabedaten an die Geräte. Acknowledge Telegramm (AT): Die s senden ihre Zustandsdaten an den und an andere Geräte. In einer Initialisierungsphase (Phasenhochlauf mit Kommunikationsphasen CP0 CP4) werden die angeschlossenen Geräte erkannt, adressiert und für die Anwendung konfiguriert. Jedem werden Gerätekanäle im MDT und im AT zugewiesen, aus denen er Daten ausliest bzw. in die er sie hineinschreibt. Abhängig von der Datenmenge werden mehrere MDT und mehrere AT pro Kommunikationszyklus vom gesendet. Die Telegramme transportieren die Daten von Gerät zu Gerät. In jedem der Geräte werden die relevanten Vorgabedaten ausgelesen bzw. die angeforderten Zustandsdaten hineingeschrieben. Da zudem auf zusätzliche Netzwerkinfrastrukturkomponenten (wie z.b. Hubs oder Switches) verzichtet wird, werden die Laufzeiten durch das Netzwerk auf ein Minimum reduziert. Folgende Kommunikationsmechanismen stehen im Echtzeit-Kanal zur Verfügung: M/S (/): Austausch von Funktionsdaten zwischen und s in einer M/S-Verbindung. DCC (Direct Cross Communication): direkte Querkommunikation zwischen Geräten in einer DCC- Verbindung, entweder zwischen Steuerungen oder zwischen beliebigen Peripherie-s (z.b. Antrieb, I/O, Kamera, Gateway). SVC (Service Channel): Austausch von bedarfsorientierten Servicedaten in einem SVC-Kanal als Bestandteil der Echtzeitkommunikation. SMP (Sercos Messaging Protocol): Übertragung von Funktionsdaten mehrerer Teilnehmer in einem Zeitschlitz mit Hilfe eines Multiplex-Verfahrens, konfiguriert in einer M/S- oder DCC-Verbindung. Safety: Austausch von sicherheitsgerichteten Daten in einer M/S- oder einer DCC-Verbindung, z.b. Abschaltoder Zustimmungssignale oder auch sichere Sollwerte. Sync: Zyklischer Synchronisationstrigger für präzise, netzwerkweite Synchronisierung Übertragungsprinzip Die Kommunikation von Sercos basiert auf einem Zeitschlitzverfahren mit einer zyklischen Übertragung von Telegrammen auf Basis eines Prinzips. Die Zykluszeiten betragen 31,25 µs, 62,5 µs, 125 µs, 250 µs, sowie Vielfache von 250 µs bis zum maximalen Wert von 65 ms. Durch diese Bandbreite an Zykluszeiten können neben Automatisierungskonzepten mit zentralisierter Signalverarbeitung auch dezentrale Automatisierungslösungen realisiert werden. Um trotz der Verwendung von Ethernet harte Echtzeitanforderungen erfüllen zu können, wird ein Kommunikationszyklus in zwei Zeitschlitze MDT 0 MDT 1 MDT 2 MDT 3 AT 0 Aufbau des Sercos Kommunikationszyklus AT 1 AT 2 Echtzeitkanal (RTC) Kommunikationszyklus AT 3 (Kanäle) unterteilt. In einem kollisionsfreien Echtzeitkanal werden die von Sercos definierten Echtzeit-Telegramme (Ethertype 0x88CD ) übertragen. Parallel zu diesem Echtzeitkanal kann ein fester Zeitschlitz reserviert werden, in dem beliebige Ethernet-Telegramme (Ethertype <> 0x88CD) und IP-basierte Protokolle, wie z.b. TCP/IP und UDP/IP, übertragen werden können. Dieser Zeitschlitz wird UC-Kanal genannt. Die Zykluszeiten und die Aufteilung der Bandbreite bzw. des Buszyklus in den Echtzeit- und UC-Kanal lassen sich an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Ethernet- Telegramme UCC MDT 0 RTC = Real-Time Channel UCC = Unified Communication Channel MDT = -Daten-Telegramm AT = Acknowledge Telegramm Echtzeitkanal Die Sercos Telegramme im Echtzeit-Kanal werden während des Durchlaufs durch die einzelnen Netzwerkteilnehmer ( on-the-fly ) bearbeitet. Die Telegramme werden dabei nur um wenige Nanosekunden verzögert, da die gesamte Protokollbearbeitung in Hardware erfolgt. Damit ist die Netzwerkperformance unabhängig von der Laufzeit der Protokollstacks, der CPU Performance oder der Software-Implementierung. Anwendungsfall Applikationsebene Kommunikationsebene Hardware-Ebene Encoder-Profil safe Motion Kommunikationsmechanismen im Echtzeit- und UC-Kanal Drive-Profil safe Drive Kundenlösung Safety M/S SVC DCC Sync Unsere langjährige positive Erfahrung mit Sercos hat uns veranlasst, diesen als Systembus für unsere Maschinen und Anlagen einzusetzen. Die Echtzeitperformance für Motion, Safety, Vision und I/O, sowie die leichte Integration von TCP/IP, vereinfachen das Engineering wesentlich. E/A-Profil safe E/A Sercos III Kommunikations-Controller Duplex Fast Ethernet (100 MBit/s) Ethernet-Applikation IP Ethernet (UC-Kanal) S/IP UDP/TCP 08 09

6 Sercos III I Sercos Funktionsweise Sercos Funktionsweise I Sercos III UC-Kanal Die konventionelle Ethernet-Kommunikation wird im sogenannten Unified Communication Channel (UCC) in das Sercos Netzwerk eingetaktet, z. B. für , Webdienste oder sonstige proprietäre und standardisierte Ethernet-basierte Protokolle. Dieser Kanal setzt ungetunnelt direkt auf der Ethernet-Schicht auf und hat eine Reihe von Vorteilen: Test und Konfiguration von s auch ohne Sogar ohne laufende Sercos-Echtzeit-Kommunikation kann ich direkt über Standard-Ethernet-Protokolle mit allen Geräten kommunizieren. Das erleichtert die Inbetriebnahme und erlaubt uns, auch im laufenden Betrieb auf die Geräteparameter zuzugreifen. Topologie Sercos Netzwerke bestehen aus einem für die Koordination und mindestens einem für die Ausführung von Automatisierungsfunktionen. Üblicherweise werden die Geräte einfach und übersichtlich in Linienoder Ring-Topologie angeordnet. Hierzu verfügt jedes Sercos Gerät über zwei Kommunikationsanschlüsse, die über Ethernetkabel wahlweise verdrillte Zweidrahtleitung (Twisted Pair) oder Lichtleiter mit dem vorherigen Sercos verfügt über eine klare und robuste Datenstruktur. Das erhöht die Betriebssicherheit und vereinfacht die Applikationsentwicklung. Der Netzwerkzustand ist jederzeit überall eindeutig und transparent. Ich kann an jedem Netzwerkknoten mit gängigen Ethernet-Diagnose-Tools meine Anlage diagnostizieren. initialisiertes Echtzeit-Netzwerk und -Hardware und dem nachfolgenden Gerät verbunden werden. Bei einer Linientopologie befindet sich der möglich. Durch die voll-duplex-fähige Ethernet-Physik ergibt sich am Anfang einer Linie oder zwischen zwei Linien. Die Anschluss weiterer Automatisierungsgeräte, die kein Sercos, dafür aber ein anderes Ethernetbasiertes Protokollstruktur bei einer Linientopologie ein logischer Ring und bei einer Ringtopologie ein logischer Doppelring (siehe Grafik). Telegramme mit den Daten durchlaufen die s und werden vom letzten Gerät zurückgeleitet ( Loop Back ). Protokoll unterstützen Sercos Telegramme enthalten einen Sercos Header und Alle Teilnehmer werten die Daten in beide Laufrichtun- Direkte Adressierung der Sercos Geräte über MACbzw. IP-Adresse. ein Datenfeld eingelagert in den Ethernet-Frame (siehe Grafik unten). Linienstruktur (Einzelring) Ringstruktur (Doppelring) gen aus, so dass unabhängig von der Linienfolge alle Daten jeden Teilnehmer garantiert innerhalb eines Zyklus Anschluss von Standard-Ethernet-Geräten wie Laptops erreichen ( siehe direkter Querverkehr). Damit können direkt an Sercos Geräte über jeden freien Sercos Port. Volle Rechenleistung für die Anwendung, denn der Der Sercos Header beschreibt, in welcher Phase sich das Netzwerk befindet und die Position der Telegramme M1 M2 M1 M2 Geräte auch über weite Strecken, z. B. Montagelinien, ohne hohen Installationsaufwand in das Netzwerk integ- muss die Ethernet-Pakete nicht tunneln oder MDT und AT im Kommunikationszyklus. Die Datenfelder riert werden. fragmentieren. von MDT und AT bestehen aus drei Bereichen: Hot-Plug-Feld: Dient zum Austausch von Daten Mit einem zusätzlichen Kabel schließt sich das Sercos S/IP Protokoll mit s, die im laufenden Betrieb ins Netzwerk Netzwerk zu einem Ring bei einer Linie zwischen dem Das S/IP-Protokoll ermöglicht einen einheitlichen Daten- eingekoppelt werden. letzten und dem, bei zwei Linien zwischen austausch mit beliebigen Sercos Geräten, ohne dass hierzu ein Sercos oder eine laufende Sercos Kommunikation erforderlich ist. Auch im zyklischen Echtzeitbetrieb kann das S/IP Protokoll verwendet werden. In diesem Falle werden die S/IP Telegramme in dem Servicekanalfeld: Summe der Kommunikationskanäle zum Austausch von azyklischen Daten zwischen und s. Echtzeitdatenfeld: Wird verwendet, um azyklische, zyklische oder taktsynchrone Verbindungen und 1 2 Ohne Hardware-Redundanz n Sercos-Basis-Topologien: Linie und Ring 1 2 Mit Hardware-Redundanz n den beiden letzten s. Der beschickt den Ring gegenläufig über beide Ports, so dass die Daten auch im Ring in zwei Laufrichtungen ausgewertet werden. Die Ring-Topologie bietet neben allen Vorteilen einer Linie zusätzlich eine redundante Verkabelung. UC-Kanal übertragen, ohne das Echtzeitverhalten des Netzwerkes negativ zu beeinflussen. damit Echtzeitkommunikation zwischen beliebigen Teilnehmern im Sercos Netzwerk zu realisieren. Realisierung eines Abzweigs über eine externe Infrastrukturkomponente Realisierung eines Abzweigs über im Gerät integrierte Ports Telegrammlänge: Byte (Protokollverwaltung: 44 Byte) Telegrammzeit: 6,8 123,1 µs Schaltschrank A Schaltschrank A Bytes Ethernet-Paket Ethernet- Header Sercos-III- Header Datenfeld Prüfsumme 3 3 Sercos-III-Datenfeld Echtzeitdatenfeld mit Standard (M/S)- und Querkommunikationsverbindungen (DCC) Hot-Plug-Feld (neue Geräte) M/S-Verbindung Gerät #1 M/S-Verbindung Gerät # N Servicekanalfeld Echtzeitdatenfeld DCC-Verbindung Gerät #1 DCC-Verbindung Gerät # N 1 2 Schaltschrank C Schaltschrank B TopoExtensions TopoExtension TopoExtension 1 2 Schaltschrank C Schaltschrank B TopoExtensions TopoExtension Gerätedaten Standarddaten Safety-Datencontainer Sercos Telegramme mit einer klaren Datenstruktur für hohe Betriebssicherheit und einfache Entwicklung Erweiterte Topologien mit Abzweigen bzw. Stichleitungen 10 11

7 Sercos III I Sercos Funktionsweise Sercos Funktionsweise I Sercos III Dadurch kann ein Ringbruch ohne Verlust der Synchronisationseigenschaften und ohne Kommunikationsausfall toleriert werden ( siehe Ring-Redundanz). Einzelne Geräte oder Maschinenmodule können auch über einen Abzweig oder eine Stichleitung an eine Linie oder einen Ring angekoppelt werden. Hierfür wird entweder eine Infrastrukturkomponente mit entsprechenden Abzweigeports in das Netzwerk integriert oder diese Funktionalität wird direkt in einem Sercos Gerät vorgesehen. Sercos unterstützt zudem hierarchische, kaskadierte Netzwerkstrukturen. Dabei werden einzelne Netzwerksegmente miteinander über Sercos verbunden, so dass in Echtzeit gekoppelte, durchsynchronisierte Netzwerkstrukturen realisiert werden können. Die Zykluszeiten in den einzelnen Segmenten können unterschiedlich sein, z. B. 250 μs zur Vernetzung von Antrieben und schnellen I/Os und 2 ms zur Vernetzung von Steuerungen. Die Teilnehmer im gesamten Netzwerkverbund können in Echtzeit miteinander kommunizieren. Zudem ist die Synchronisation aller Teilnehmer im gesamten Netzwerkverbund gewährleistet. Hard- und Soft- seitig kann entweder eine spezifische Hardware (sogenannter Hard-) oder alternativ ein Standard- Ethernet-Controller (sogenannter Soft-) eingesetzt werden. Bei einem Soft- werden die Sercosspezifische Hardwarefunktionen in den hardwarenahen und echtzeitfähigen Teil des treibers verlagert, so dass die masterseitige Anschaltung komplett in Software realisiert werden kann. Diese Form der -Realisierung ist beispielsweise für PC-basierte Steuerungsplattformen interessant. Mit Sercos können wir das Netzwerk sehr flexibel an unsere jeweilige Maschinen- und Anlagenstruktur anpassen. Es werden keine Switches oder Hubs benötigt. Das reduziert die Installationskosten und vereinfacht das Verkabeln erheblich. den. Die Fast Ethernet Physik erlaubt eine Leitungslänge von 100 m zwischen zwei Teilnehmern. Die Ethernet Ports der Geräte sind untereinander austauschbar und können sogar genutzt werden, um Standard Ethernet Geräte (z.b. Notebooks) an ein Sercos-Echtzeit-Netzwerk anzuschließen. Damit kann mit beliebigen Ethernet- und IP-Protokollen auf Sercos Geräte zugegriffen werden, ohne dabei das Echtzeitverhalten des Sercos Netzwerks zu beeinflussen (Online Modus) bzw. ohne dass das Sercos Protokoll aktiviert sein muss (Offline Modus). Feldbus-Integration Automatisierungsgeräte, die (noch) keine Sercos Schnittstelle besitzen, können mit Hilfe entsprechender Gateways in Sercos Netzwerke integriert werden. Kommunikationsgateways sind beispielsweise verfügbar zur Kopplung von Feldbussen (z.b. Profibus, CAN), Geberschnittstellen (z.b. SSI) oder Sensor-/Aktorbussen (AS-i, IO-Link). Darüber hinaus stehen auch Gateways mit Achssteuerungsperipherie zur Integration analoger Achsen zur Verfügung. Die Gateways sind entweder Bestandteil von Sercos Geräten (z.b. modulare E/As) oder werden als eigenständige Geräte an das Sercos Netzwerk angebunden. Sercos Gateway Verdrahtung Feldbus- Die Installation eines Sercos Netzwerks ist sehr einfach und erfordert keine Infrastrukturkomponenten, wie Switches oder Hubs. Alle Teilnehmer werden mit Hilfe von Feldbus 1 Feldbus 2... Patch- oder Crossoverkabeln direkt miteinander verbun

8 Sercos III I Sercos Funktionsprinzipien Sercos Funktionsprinzipien I Sercos III Sercos Funktionsprinzipien Funktionsweise Da bei Sercos die Echtzeit-Telegramme unabhängig von der Topologie immer in zwei Laufrichtungen bearbeitet werden, kann ein direkter Datenaustausch zwischen beliebigen s innerhalb eines Kommunikationszyklus erfolgen (siehe Grafik). Dies hat nicht nur den Vorteil, dass die Daten auch bei höheren Zykluszeiten immer innerhalb eines einzelnen Kommunikationszyklus mit einer minimalen Verzögerungszeit zwischen s übertragen werden können. Darüber hinaus stehen alle Echtzeitdaten einer synchronen Verbindung synchron, d.h. bezogen auf einen gemeinsamen Kommunikationszyklus, an jeder Position des Netzwerkes zur Verfügung. Damit ist eine äußerst einfache, effiziente und flexible Datenverarbeitung in den einzelnen Netzwerkknoten möglich. Auch die Netzwerkdiagnose und -überwachung gestaltet sich hierdurch sehr einfach. Die Möglichkeit des direkten Querverkehrs erlaubt den Aufbau dezentraler Automatisierungslösungen bei minimalen Reaktionszeiten und maximaler Flexibilität. Direkter Querverkehr vorwärts Querkommunikation Sercos ermöglicht dezentrale Intelligenz und uneingeschränkte Echtzeitfähigkeit durch die direkte Kommunikationsmöglichkeit zwischen allen Geräten. Die indirekte Kommunikation zwischen s mit Umweg über den würde synchrone Bewegungen gefährden, z. B. bei Gantry-Achsen, oder die Reaktionszeiten verschlechtern, z.b. bei der schnellen Übertragung eines Triggersignals. Sercos s können per Querkommunikation direkt und mit minimaler kommunikativer Totzeit miteinander kommunizieren für uneingeschränkte Echtzeit-Kommunikation und intelligente Automatisierungsstrukturen. Steuerungen verwenden untereinander dasselbe Prinzip für eine direkte Kommunikation. DCC -to- C2C Controller-to-Controller HMI DCC HMI C2C DCC HMI Tx Rx Direkter Querverkehr bei einer Linientopologie Synchronisierung Sercos definiert für zu synchronisierende Prozesse produkt- und herstellerübergreifend die Istwerterfassung und die Sollwertgültigkeit. Jeder Teilnehmer empfängt Datentelegramme mit einer physikalisch bedingten individuellen Laufzeit-Verzögerung. Im Gegensatz zu anderen Ethernet-Bussystemen leitet Sercos einen gemeinsamen Ausführungszeitpunkt direkt vom Bus ab. Die Geräte gleichen sich dezentral mit dem Bus-Takt ab, indem sie das Eintreffen des MST unter Berücksichtigung der Laufzeiten am Bus in jedem Buszyklus zur Generierung und zum Nachstellen des internen Synchronisationsmechanismus nutzen. Dadurch wird eine exakte Synchronität ohne bandbreitenintensiven Austausch von Zeitdaten wie bei verteilten Uhren erreicht. Rx Tx Rx Tx Rx Tx Rx Tx Rx Tx Direkter Querverkehr rückwärts Die hohe Präzision der Übertragung stellt sicher, dass wir anspruchsvollste Anwendungen umsetzen können. Tx Rx DCC Querverkehr zwischen s und Steuerungen DCC Der Sercos muss lediglich die Linien- bzw. Ringlaufzeit erfassen und zusammen mit einem konfigurationsoptimalen Summenwert an jedes Gerät übertragen. Durch Variieren des Summenwerts kann das stabile Synchronisations-Signal auch zeitlich verschoben werden

9 Sercos III I Sercos Funktionsprinzipien Sercos Funktionsprinzipien I Sercos III Damit kann beispielsweise verhindert werden, dass sich bei Hinzufügen zusätzlicher Geräte in ein Sercos Netzwerk im zyklischen Echtzeitbetrieb (sogenanntes Hot-Plugging ) die Synchronisationszeitpunkte verschieben bzw. eine Rekonfiguration des Summenwertes erforderlich wird. Das Synchronisationsverfahren stellt sicher, dass in Sercos Netzwerken unabhängig von der Topologie und unabhängig von der Anzahl der Teilnehmer eine zyklische und gleichzeitige Synchronisation aller angeschlossenen Geräte gewährleistet ist. Das Verfahren selbst ist schnell, robust und einfach anwendbar. Mit dem beschriebenen Verfahren erreicht Sercos eine Synchronisationsgenauigkeit kleiner 20 ns und eine Gleichzeitigkeit kleiner 100 ns. Da auf der Basis des C2C-Profils (C2C=Controller-to-Controller) auch einzelne Sercos Netzwerke zu einem Netzwerkverbund zusammen geschlossen werden können, lassen sich durchsynchronisierte Netzwerkstrukturen realisieren, ohne Einschränkungen hinsichtlich der Synchronisationsperformance. Ring-Redundanz und Hot-Plugging Ein Netzwerk in störsicherer Ring-Topologie bleibt auch bei Kabelbruch oder beim Ein-/Auskoppeln von s (Hot-Plug) ohne Unterbrechung voll verfügbar. Durch das zusätzliche Kabel in einem Ring-Netzwerk bleiben alle Geräte bei einer Kabelunterbrechung weiter mit dem verbunden. Die Sercos Anschaltungen der s an der Unterbrechungsstelle schalten verzögerungsfrei auf zwei separate Linien mit Loop Back um. Die Rekonfigurationszeit beträgt maximal 25 μs, so dass maximal die Daten eines Zykluses verloren gehen. Die Unterbrechungsstelle ist genau lokalisierbar und defekte Kabel können im laufenden Betrieb einfach ausgetauscht werden. Da die Kommunikationsfähigkeit bei einer Kabelunterbrechung komplett erhalten bleibt, können im Servicefall auch neue Teilnehmer oder auch Teilnehmergruppen an ein laufendes Netzwerk angeschlossen und in die Kommunikation eingebunden werden (sogenanntes Hot- Plugging bzw. Hot-Swapping). Die Anlage kann eigenständig und nahtlos in den Betrieb mit der veränderten Anordnung übergehen. Ein Geräteausfall oder Kabelbruch bei Sercos bedeutet nicht den Ausfall der Kommunikation. Stattdessen können wir im laufenden Betrieb defekte Geräte oder Kabel austauschen, was die Maschinenverfügbarkeit signifikant erhöht. Oversampling und Timestamping Das in das Sercos Protokoll integrierte Oversampling- Verfahren ermöglicht die Übermittlung von mehr als einem Soll-Ist-Wert pro Takt. Das erhöht die Filigranität der Prozessteuerung beispielsweise bei extrem zeitkritischen Laseranwendungen, weil mehr Daten schneller erfasst und auch ausgegeben werden können. Auch das Timestamping eröffnet neue Kommunikationsmöglichkeiten jenseits des festen Taktes. Diese Funktion übermittelt eventgesteuert definierte Ereignisse wie bestimmte Messwerte und schaltet unabhängig vom Takt Ausgänge. Das erhöht die Prozessstabilität beispielsweise bei komplexen Verfahrenslösungen, wie sie in der Halbleiterfertigung vorkommen. Performance Aus der Bürotechnik bekannte Ethernet-Protokolle basieren darauf, dass die Nutzdaten als einzelne Pakete zu jedem Gerät gesendet werden eingebettet in einen definierten Rahmen aus Protokollverwaltungsdaten. Bei kleinen Nutzdaten wie einfachen Sollwertvorgaben ist der Verwaltungsdatenanteil am Datenverkehr unverhältnismäßig hoch. Ein einfaches Beispiel für die effiziente Nutzung der Fast-Ethernet-Bandbreite: Würden Zustandsdaten von je 4 Byte für 20 Geräte einzeln versendet, nähmen sie insgesamt Byte = 20*84 Byte ein (Mindestpaketgröße von Ethernet: 64 Byte). Aber nur 80 Byte davon würden produktiv für die Anwendung genutzt ca. 5 % der Bandbreite, selbst bei minimaler Zykluszeit. Zykluszeit in µs zyklische Daten je Gerät in Byte max. Anzahl Geräte (ohne UCC) In Sercos Telegrammen hingegen werden alle Geräte- Nutzdaten bis zu 1494 Byte gebündelt, zuzüglich 44 Byte Verwaltungsdaten. Bei maximaler Paketgröße von Byte steigt der für produktive Daten verfügbare Bandbreitenanteil auf bis zu 97 %. 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Polling einzelner IP-Pakete Nutzdaten Protokollverwaltung Effiziente Bandbreitennutzung bei Sercos Sercos-III- Telegramm Das effiziente Echtzeitprotokoll von Sercos erlaubt die universelle und durchgängige Maschinenvernetzung bei schnellsten Reaktionszeiten und höchster Präzision. max. Anzahl Geräte (mit UCC, 250 Byte = 20 µs) max. Anzahl Geräte (mit UCC, Byte = 125 µs) 31, HMI 62, Ring s Unterbrechungsfreies Umschalten (Loop Back) auf Linien-Topologie bei Hot-Plugging oder Kabelbruch Linie 1 Linie 2 s Zusätzliches Kabel schließt zwei Linien-Topologien zu einer Ring-Topologie Ring-Redundanz und Hot-Plugging Beispielhafte Konfigurationen 16 17

10 Sercos III I Funktionsspezifische Profile Funktionsspezifische Profile I Sercos III Funktionsspezifische Profile Zyklische Echtzeitdaten in einer Verbindung 2 Byte 4 Byte 4 Byte Sercos Echtzeitkommunikation mit standardisierten Parametern am Beispiel des Antriebsprofils S S S S S Warnung Binär Dezimal mit Vorzeichen Lage-Istwert P-Verstärkung im Drehzahlregler Dezimal ohne Vorzeichen Parameter für Gerät gewählte Parameter für konkrete Applikation Gerätemodell und Profile Das Gerätemodell von Sercos unterstützt neben reinrassigen Automatisierungsgeräten auch Hybridgeräte, die unterschiedliche Applikationen in einem Gerät vereinigen. Aus diesem Grunde werden bei Sercos keine Geräteprofile, sondern Funktionsspezifische Profile definiert. Die folgenden Profile wurden bereits spezifiziert: Generisches Geräteprofil: Einheitliche und durchgängige Funktionen zur Diagnose. Steuerung von Verwaltungsfunktionen in allen Gerätetypen. Antriebs-Profil: Einheitliche und durchgängige Funktionen für die Ansteuerung von hydraulischen, pneumatischen und elektrischen Antrieben. E/A-Profil: Einheitliche und durchgängige Funktionen für die Ansteuerung von modularen und nichtmodularen E/A-Stationen. Encoder-Profil: Einheitliche und durchgängige Funktionen für die Ansteuerung von Encodern. Energy-Profil: Einheitliche und durchgängige Funktionen für die Reduzierung des Energieverbrauchs durch Abschaltung, Teilmaschinen- und Teillastbetrieb Die Parameter der verschiedenen Profile werden entweder in die Echtzeittelegramme für eine zyklische Übertragung einkonfiguriert oder aber es wird über den Service-Kanal oder das S/IP-Protokoll auf diese Parameter zugegriffen. Gerätebeschreibung Sercos bietet mit seinem Gerätemodell die Möglichkeit, alle Arten von Automatisierungsgeräten auf der Feldund Steuerungsebene in den verschiedenen Phasen des Lebenszyklus funktional und logisch darzustellen. Für Sercos wurde die Gerätebeschreibungssprache SDDML entwickelt, um Geräte und die durch sie bereitgestellten Funktionen für die Offline-Konfiguration und für eine einfache Anzeige in einem generischen Engineeringwerkzeug beschreiben zu können. Eine Konfigurationsschnittstelle (SCI) legt die Netzwerkkonfiguration fest und definiert, welche s vorhanden sein müssen und welche optional vorhanden sein können. Die Identifizierung der Geräte erfolgt über Kriterien, die in der Datei beschrieben werden. Außerdem beschreibt die Konfigurationsdatei über ein generisches Verfahren die Parametrierung der einzelnen Geräte. Darüber hinaus kann auch die Parametrierung des s vorgenommen werden. FDT/DTM für Sercos Sercos bedient sich der offenen und herstellerübergreifenden FDT Technologie, um die Kommunikation zwischen Feldgeräten und Software-Engineering- Werkzeugen zu vereinheitlichen. Ein Gerätehersteller kann hierzu ein Sercos Gerät mit einer auf das Gerät zugeschnittenen DTM (Device Type Manager) ausliefern. In diese Falle wird die DTM direkt in die entsprechende Rahmenapplikation eingebunden. Doch auch eine SDDML konforme Gerätebeschreibungsdatei kann über eine generische (auf allgemeinen Regeln basierende) Konvertierung in eine entsprechende Sercos-Geräte- DTM überführt werden. Die Gerätebeschreibung kann dabei bereits als Datei vorliegen oder auch direkt aus dem im Gerät hinterlegten und über das Bussystem (online) zugänglichen Parametersatz generiert werden. Wir haben sehr gute Erfahrungen mit dem ausgezeichneten Grad der Standardisierung des Antriebsprofils gemacht, wodurch es für uns möglich war, ohne Schwierigkeiten Geräte verschiedenster Hersteller an unsere Steuerung anzubinden und die Maschine in kürzester Zeit in Betrieb zu nehmen. Vereinfachte Prozesse vom Engineering bis zur Wartung Die Konfiguration, Inbetriebnahme, Diagnose und Wartung von Sercos Netzwerken ist denkbar einfach. Der Anwender konzentriert sich auf die Applikation Sercos organisiert das Netzwerk und unterstützt den Anwender bei der Inbetriebnahme und Diagnose. Alle Geräte werden mit industrietauglichen Standard-CAT5e-Kabeln oder Lichtleitern verbunden. Nach einer Initialisierungsphase ist das Netzwerk synchronisiert und einsatzfähig. Neu eingekoppelte Geräte (Hot-Plugging) werden im laufenden Betrieb automatisch in die Kommunikation und den Echtzeitdatenaustausch eingebunden

11 Sercos III I Funktionsspezifische Profile Funktionsspezifische Profile I Sercos III Kein für Konfiguration/ Diagnose erforderlich Patch- oder Crossover-Kabel Ports in beliebiger Anordnung verbindbar Einfache Verkabelung von Geräten in einem Sercos Netzwerk Standard- IP-Netzwerk Sercos-III-Echtzeit-Netzwerk Ihre Vorteile Inbetriebnahme ohne Voreinstellungen dank automatischer Geräteerkennung und Adresszuweisung. Bei Bedarf ist eine individuelle Adressvorwahl oder Adressvorgabe per Wahlschalter möglich. Automatische Erkennung und Kompensation von Adress-Doppelbelegungen. Einfache und robuste Verkabelung bei Inbetriebnahme und Wartung, denn beide Sercos-III-Ports eines Geräts funktionieren identisch und müssen beim Verkabeln nicht unterschieden werden. Einfache Ersatzteilhaltung, sowohl Patch- als auch Crossover-Kabel können verwendet werden. Inbetriebnahme ohne -Hardware durch einfaches Einbinden von Service-PCs in das Sercos-III- Netzwerk möglich. Volle Diagnosemöglichkeiten wie z. B. automatische Erkennung von Topologie und Anschlussreihenfolge der Teilnehmer, Lokalisierung und Redundanz gegenüber Kabelbrüchen. Reparaturen und Änderungen in der Anlage ohne Beeinträchtigung des restlichen Netzwerks durch Hot-Plug. Möglichkeit der vertikalen Integration durch Einbindbarkeit von Ethernet-basierten Protokollen

12 Sercos III I Safety Safety I Sercos III Safety CIP Safety Profiles Schnell und sicher kommunizieren mit CIP Safety on Sercos Adaption to CIP Safety Sercos Messaging Protocol (SMP) Sercos-III-Transportsystem es durch Verwendung eines Standard-CIP-Netzwerks als übergelagertes Netz die nahtlose Kommunikation von Sicherheitsgeräten in einem Subnetz mit Sicherheitsgeräten eines anderen Subnetzes. CIP Safety on Sercos ist das Protokoll zur Übertragung sicherheitsgerichteter Signale über Sercos definiert in Kooperation mit der ODVA und zertifiziert nach IEC bis SIL3. Eine zusätzliche Verkabelung für einen Sicherheitsbus entfällt, denn diese Signale werden einfach neben den anderen Echtzeitdaten des Sercos Netzwerks mit übertragen. Die Integration von Antriebs-, Peripherie- und Sicherheitsbus sowie Standard-Ethernet in einem einzigen Netzwerk vereinfacht die Handhabung und reduziert Hardware- und Installationskosten. Integrierte Sicherheitssteuerungen und homogene Sicherheitslösungen lassen sich so einfach umsetzen. Die sicherheitsrelevanten Daten werden in Form eines Safety-Datencontainers übertragen. Dieser wird wie die Standard-Daten in den entsprechenden Echtzeit-Gerätekanal eingelagert im MDT ebenso wie im AT. Um unterschiedlich oft abgetastete Sicherheitsdaten ohne Bandbreitenverlust und trotz kurzer Buszyklen effizient übertragen zu können, wird das Multiplex Protokoll SMP (Sercos Messaging Protocol) genutzt. CIP Safety ist ein Netzwerk-Protokoll für funktionale Sicherheit. Es ist vom TÜV Rheinland für den Einsatz in Anwendungen bis Sicherheitsintegritätslevel 3 (SIL3) zertifiziert und erfüllt die IEC-Norm für funktionale Sicherheit ( Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbar elektronischer Systeme ). Ein einheitliches Safety-Protokoll für Sercos, EtherNet/IP und Device- Net erlaubt die durchgängige Vernetzung unserer Maschinen und Anlagen auch für die Übertragung von sicherheitsrelevanten Prozessdaten. Ethernet-Paket Ethernet- Header Sercos-III- Header Datenfeld Prüfsumme Mit CIP Safety on Sercos werden Daten sicher auf demselben Medium und mit derselben Anschaltung kann die Daten auch routen, ohne sie interpretieren zu müssen. Auch sichere Sercos Geräte können ohne Sercos-III-Datenfeld Hot-Plug-Feld (neue Geräte) Servicekanalfeld Echtzeitdatenfeld übertragen wie die übrige Kommunikation. Die Funktio- zusätzliche Sicherheitssteuerung miteinander gekoppelt nalität des transportprotokoll- und medienunabhängigen CIP Sicherheitsprotokolls liegt in den Endgeräten, so werden und auf Basis des direkten Querverkehrs bei kürzesten Reaktionszeiten sicher kommunizieren. Dies Echtzeitdatenfeld mit Standard (M/S)- und Querkommunikationsverbindungen (DCC) M/S-Verbindung Gerät #1 M/S-Verbindung Gerät # N DCC-Verbindung Gerät #1 DCC-Verbindung Gerät # N dass ein simultaner Betrieb von Standard- und Sicherheitsgeräten im selben Netzwerk ermöglicht wird. bietet dem Anwender die Möglichkeit einer flexiblen Gestaltung der Sicherheitsnetzwerk-Architektur zum Gerätedaten mit Safety-Datencontainer Standarddaten Standarddaten Safety-Datencontainer Standarddaten Safety-Datencontainer Standarddaten Sichere Kommunikation ist auf allen und zwischen allen Einsatz von sicherheits-programmierbaren Controllern Netzwerk-Ebenen möglich. Der muss dabei nicht zwangsläufig eine Sicherheitssteuerung sein, sondern oder der direkten Übertragung von Sicherheitsdaten zwischen Sensoren und Aktoren. Außerdem ermöglicht Safety-Datencontainer Safety-Header Daten Daten Prüfsumme Safety- Header redundante Daten Daten Prüfsumme Sercos-Safety-Datencontainer zur Übertragung aller sicherheitsrelevanten Daten 22 23

13 Sercos III I Gemeinsame Netzwerkinfrastruktur Gemeinsame Netzwerkinfrastruktur I Sercos III Gemeinsame Netzwerkinfrastruktur Sercos III EtherNet/IP, TCP/IP, Sercos III Wenn die Anwendung einen Sercos Ring für eine redundante Datenübertragung von Echtzeitdaten benötigt und somit kein freier Sercos Port zur Verfügung steht, muss ein IP-Switch in den Ring oder in ein Gerät integriert werden. Er hat die Aufgabe, die EtherNet/IP-Pakete in den Sercos Ring ein- und auszukoppeln. Die EtherNet/ IP-Geräte können in verschiedenen Topologie-Typen angeordnet werden: Stern- und Linien-Topologie, sowie DLR (Device Level Ring). Die gemeinsame Infrastruktur komplementiert das Sercos Lösungsportfolio, indem neben dem umfassenden Sercos Produktspektrum zusätzlich EtherNet/IP-Geräte beliebiger Hersteller eingesetzt werden können. Mit diesem Konzept wird die Anzahl an Kommunikations- Schnittstellen und damit der Hardware-Aufwand in Maschinen- und Anlagen erheblich reduziert. Die durchgängige Vernetzung erhöht die Wirtschaftlichkeit im Engineering und im Betrieb der Anlagen. Sercos Real-Time Channel Ethertype= 0x88CD Sercos EtherNet/IP TCP/IP Buszyklus (i) Koexistenz von Ethernet-Protokollen auf Basis des Zeitmultiplex-Verfahrens von Sercos III Unified Communication Channel Ethertype 0x88CD Buszyklus (i+1) Die Diversifizierung in der Automatisierungstechnik hat die Maschinenintegration zu einer komplexen und kostenintensiven Aufgabe gemacht. Zwar verwenden immer mehr Hersteller Industrial-Ethernet-Lösungen. Doch auch wenn die technischen Vorteile auf der Hand liegen, machen sie funktionierende Systeme auf Basis der traditionellen Feldbusse nicht automatisch obsolet. Darüber hinaus gibt es eine ganze Reihe konkurrierender Kommunikationsprotokolle, die zwar allesamt auf Ethernet basieren, aber zumeist nicht in einer Netzwerk-Infrastruktur koexistieren können, ohne die Performance und Echtzeitcharakteristik negativ zu beeinflussen. Für Sercos gibt es eine Lösung, die den Betrieb von EtherNet/IP-, TCP/IP- und Sercos- Geräten über ein einziges Ethernet-Kabel erlaubt. Dazu ist weder eine Zusatzhardware erforderlich, noch müssen die Protokolle getunnelt werden. Die hohe Effizienz der Sercos Telegramme sorgt dafür, dass nur ein Teil der vorhandenen Bandbreite für den Echtdatenaustausch genutzt wird. Beispielsweise benötigt Sercos bei einer Anwendung mit 64 Antrieben lediglich rund 400 Mikrosekunden eines 2-Millisekunden Zyklus. Damit stehen 1,6 Millisekunden für die Übertragung von TCP/IP und EtherNet/IP Telegrammen zur Verfügung. Da der UC-Kanal direkt auf der Ethernet-Schicht aufsetzt, können TCP/IP- und EtherNet/IP, sowie andere Ethernet- Teilnehmer ohne Zusatzhardware an das Netzwerk angebunden werden. Ein Tunneln der Protokolle ist nicht erforderlich. Auch bevor eine Sercos-III-Kommunikation durch den initiiert wurde, können die Netzwerkteilnehmer bereits Daten über TCP/IP, EtherNet/IP und das von Sercos spezifizierte S/IP Protokoll Daten austauschen. Motion Logic Control / PLC Dual Stack Die Nutzung einer einheitlichen Netzwerkinfrastruktur für Sercosund EtherNet/IP-Geräte ist ein innovativer Ansatz, um die Anzahl an Kommunikations-Schnittstellen und damit den Hardware-Aufwand in Maschinen- und Anlagen erheblich zu reduzieren. Die durchgängige Vernetzung erhöht die Wirtschaftlichkeit im Engineering und im Betrieb der Anlagen. Zur Umsetzung einer gemischten Sercos- und EtherNet/ Ethernet-Port, leitet es nur die nicht-sercos Telegramme IP-Netzwerkinfrastruktur sind ein Sercos und ein weiter, die für andere Geräte bestimmt sind. In umge- EtherNet/IP-Scanner erforderlich. Diese Funktionalitäten können auch in einem einzigen Gerät, einem sogenannten Dual Stack, kombiniert werden. Ist keine kehrter Richtung leitet das Gerät eingehende Telegramme über den ersten Ethernet-Port an den Dual Stack weiter und nutzt dabei den UC-Kanal. Standard- M M Standard I/O Standard I/O M Barcode-Scanner Redundanz erforderlich, werden die Geräte in einer Linien-Topologie geschaltet. Erkennt das letzte Sercos Gerät ein Sercos fremdes Gerät an seinem zweiten Ethernet-Telegramme, die in der für den Echtzeitkanal reservierten Zeit eingehen, werden vorgehalten und anschließend weitergeleitet. Servoantriebe Sercos-III-Geräte Ethernet/IP Geräte Frequenzumrichter Kombination von Sercos und EtherNet/IP Geräten am Beispiel einer Linientopologie 24 25

14 Sercos III I Sercos Mitglieder Sercos Mitglieder I Sercos III Mitgliedsfirmen von Sercos International 26 27

15 Sercos International e. V. Küblerstr Süßen, Deutschland : : info@sercos.de Sercos North America 405 Loblolly Bay Drive Santa Rosa Beach, FL 32459, U.S.A. Gebührenfrei: Sercos ( ) : : info@sercos.com Sercos Asia China: Building No.1 #414, No.1 Jiao Chang Kou Street, De Sheng Men Wai, Xicheng District, Peking, , China : : sercos@cameta.org.cn Japan: Lilas Nogizaka Bldg. #901, Minami Aoyama , Minato-ku Tokio, , Japan : : info-japan@sercos.com Sercos International e. V. 11/2013 Subject to revisions