- Ethernet Powerlink
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Stéphane Potier Huazhen Song Bhagath Singh Karunakaran Stefan Schönegger Anton Meindl Peter Wratil Luca Lachello Vorwort Die Industrial-Ethernet-Welt ist nicht nur für Außenstehende ziemlich unübersichtlich. Auch Fachleute, die sich in die Thematik einarbeiten, stehen zunächst vor einer schwer durchschaubaren Vielfalt konkurrierender Systeme. Die meisten Hersteller bieten nur wenig Informationsmaterial an, das technische Merkmale und spezifische Funktionsweisen des jeweiligen Standards umfassend und leicht verständlich darstellt. Noch weniger Glück haben Interessierte bei der Suche nach Material, das einen übersichtlichen Vergleich der wichtigsten Systeme bietet und eine objektive Bewertung erlaubt. Nachdem auch wir immer wieder nach einer generellen Übersicht über die wichtigsten Systeme gefragt worden sind und danach, „wo eigentlich die Unterschiede liegen“, haben wir uns entschlossen, diesem Thema eine weitere Ausgabe der Industrial Ethernet Facts zu widmen. Bei der Erstellung haben wir versucht, so objektiv zu sein, wie es einem Marktteilnehmer möglich ist. In dem Vergleich haben wir sowohl technische und wirtschaftliche als auch strategische Kriterien berücksichtigt, da diese für die Fragen der Investitionssicherheit entscheidend sind. Die Argumente, die wir im Folgenden anführen, wurden in diversen Gesprächen und Diskussionen mit Entwicklern und Entscheidern aus dem Industrial-Ethernet-Umfeld genannt und belegt. Wir haben versucht, sie – soweit es für uns machbar war – zu verifizieren. Dieses Dokument darf nur mit Genehmigung des Herausgebers verändert werden. Eine Weitergabe des gesamten Dokuments ist ausdrücklich erwünscht. Die aktuelle Version finden Sie zum Download auf www.ethernet-powerlink.org. Kontakt: EPSG Office, Tel.: +49 33439 539 270 [email protected] 2 Da wir trotz unserer Bemühungen in ein paar Punkten keine exakt überprüfbaren Informationen erhalten konnten, bitten wir Sie um Ihre Mithilfe: Wenn Sie Ergänzungen oder Korrekturvorschläge haben, senden Sie uns eine E-Mail oder rufen Sie uns einfach an. Wir freuen uns über jede Unterstützung bei der Vervollständigung dieser Übersicht und sind für alle Diskussionen aufgeschlossen, die dazu beitragen, die Bewertungen der verschiedenen Industrial-EthernetStandards so lückenlos und objektiv wie möglich zu gestalten. Diese Ausgabe der Industrial Ethernet Facts beinhalten Rückmeldungen aus der Industrial Ethernet community nach dem Erscheinen der ersten beiden Ausgaben im November 2011, bzw. Februar 2013. Luca Lachello, Softwareentwicklungsleiter COMAU Robotics – Italien Peter Wratil, Geschäftsführer Innotec – Deutschland Anton Meindl, Vorsitzender EPSG – Deutschland Stefan Schönegger, Business Unit Manager B&R – Österreich Bhagath Singh Karunakaran, CEO Kalycito – Indien Huazhen Song, Marketingleiter POWERLINK Association – China Stéphane Potier, Marketing Manager B&R – Frankreich Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition EINFÜHRUNG 4 · Die Auswahl der betrachteten Systeme FUNKTIONSWEISEN DER SYSTEME 6 · · · · · · ORGANISATIONEN 12 · Nutzerorganisationen und Lizenzpolitik INVESTITIONSSICHERHEIT 16 · · · · · Kompatibilität / Abwärtskompatibilität EMV-Empfindlichkeit / Übertragungssicherheit · Kontaktstellen Freiheit in der Verkabelung · Hochverfügbarkeit Hotplug-Fähigkeit · Eignung für Gigabit Unterstützung internationaler Normen · Produkte im Markt PERFORMANCE 18 · · · · Theoretisch erreichbare Zykluszeit · Kommunikationsarchitektur Direkter Querverkehr · Große Datenmengen Netzwerkbelastung durch Safety-Kommunikation Tatsächliche Zykluszeit · Jitter · Performancevergleich IMPLEMENTIERUNG 22 · Master-Implementierung · Netzwerk-Komponentenkosten · Slave-Implementierung · Anschaltkosten · Kosten des Betriebes OPC UA 26 · Die OPC Foundation · Echtzeitfähigkeit · OPC UA vs. Industrial Ethernet SAFET Y-FUNKTIONALITÄT 30 · Netzwerkintegriert statt fix verdrahtet · Sicherheits-Feldbusse · Sicherheitsdatentransport über reguläre Bus- oder Netzwerkleitungen FUNKTIONSWEISEN DER SYSTEME 33 · CIP Safety · PROFIsafe · openSAFETY · FSoE · Zertifizierungen · Technologie · Geräte-Implementierung · Integration · Performance · CRC Wege zur Echtzeitfähigkeit PROFINET-Kommunikation POWERLINK-Kommunikation EtherNet/IP-Kommunikation EtherCAT-Kommunikation SERCOS III-Kommunikation 3 Die Auswahl der betrachteten Systeme | In der vorliegenden Industrial Ethernet Facts werden mit PROFINET (RT, IRT), POWERLINK, EtherNet/IP, EtherCAT und SERCOS III fünf von weltweit rund 30 zum Einsatz kommenden Industrial-Ethernet-Systemen miteinander verglichen.1 Die Auswahl folgte technischen, normativen und marktwirtschaftlich-strategischen Aspekten, zum Beispiel, ob das Protokoll von einer Nutzerorganisation weiterentwickelt wird, ob es in der IEC-Norm klassifiziert ist und ob sich die Systeme für harte Echtzeit eignen. Echtzeit Beim Ethernet-Standard IEEE 802.3 führt der Mechanismus zur Auflösung von Datenkollisionen zu unregelmäßigen Verzögerungen im Datenverkehr. Um Echtzeit zu erreichen, sorgen bei IndustrialEthernet-Protokollen spezielle Maßnahmen für die Vermeidung dieser Kollisionen. Harte Echtzeit bedeutet, dass sich die Signallaufzeiten exakt in einem vorgegebenen Zeitrahmen bewegen müssen; andernfalls wird eine Störung gemeldet. Bei weicher Echtzeit werden Abweichungen innerhalb einer begrenzten Zeitspanne toleriert. Während bei Anwendungen mit weicher Echtzeit, wie zum Beispiel bei der Erfassung von Temperaturmessungen, Zykluszeiten im zwei- bis dreistelligen Millisekundenbereich ausreichen, benötigen digitale Regelsysteme oder Motion-Control-Anwendungen häufig Zykluszeiten unter einer Millisekunde. 1 Eine Übersicht findet sich auf der Website www.pdv.reutlingen-university.de/rte/ von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schwager, Leiter des Labors für Prozessdatenverarbeitung an der Hochschule Reutlingen. 4 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Marktverbreitung Ein weiteres Kriterium für die Auswahl der verglichenen IndustrialEthernet-Systeme war die Marktverbreitung: Laut diversen Studien von IMS- und ARC-Research kommen in ungefähr drei Viertel aller weltweit genutzten Industrial-Ethernet-Anwendungen EtherNet/IP, PROFINET oder Modbus TCP zum Einsatz. Danach folgen die Systeme POWERLINK und EtherCAT, die sich besonders für harte Echtzeit eignen. Modbus TCP wird in diesem Vergleich nicht eigens berücksichtigt, da das System laut Nutzervereinigung ODVA in EtherNet/IP integriert wurde. SERCOS III wurde trotz eines geringen Marktanteils in den Vergleich aufgenommen, da dem System im Bereich schneller Antriebssteuerungen eine bedeutende Rolle zukommt. Gebäudetechnik, Leit- und Automationsebene, problemlose Prozesse, Lagersysteme Förderanlagen, einfache Regelungen, Großteil der Automationsanlagen Werkzeugmaschinen, schnelle Prozesse, Roboter Echtzeitklassen und ihre Anwendungsgebiete nach IAONA Hochdynamische synchronisierte Prozesse, „elektronische Getriebe“ 1 s 10 s 100 s 1 ms 10 ms 100 ms 1s 10 s Reaktionszeiten/Jitter 5 Funktionsweisen der Systeme | Wege zur Echtzeitfähigkeit die Daten für sämtliche Netzwerkteilnehmer in einem Telegramm gesendet, das nacheinander die in Ringtopologie angeordneten Knoten durchläuft und die Antwortdaten gleich einsammelt. Dagegen werden beim Einzeltelegrammverfahren, das die übrigen Systeme verwenden, individuelle Telegramme an die Teilnehmer versendet, die daraufhin auch mit einzelnen Telegrammen antworten. Es gibt drei verschiedene Ansätze zum Aufbau einer Echtzeit-Ethernet-Lösung: 1. Aufbauend auf TCP/IP: Die Protokolle basieren auf den normalen Schichten von TCP/IP und in der obersten Kommunikationsschicht eingebetteten Echtzeit-Mechanismen. Solche Lösungen haben üblicherweise einen begrenzten Leistungsbereich. 2. Standard-Ethernet: Die Protokolle basieren auf den normalen Ethernet-Schichten. Solche Lösungen profitieren ohne zusätzliche Investitionen von der Weiterentwicklung von Ethernet. 3. Modifiziertes Ethernet: Die Ethernet-Schichten, der Mechanismus und Infrastruktur von Ethernet wurden abgewandelt. Solche Lösungen stellen die Leistungsfähigkeit über Konformität Entscheidende Unterschiede der Industrial-Ethernet-Systeme liegen in der Organisation der Datenübertragung und der Herstellung des Echtzeitverhaltens. EtherCAT und SERCOS III nutzen zur Datenübertragung ein Summenrahmenverfahren. Dabei werden in jedem Zyklus TCP/IP-basiert PROFINET EtherNet/IP TCP/UDP/IP Ethernet Für Netzwerkzugriff und Datzensynchronisierung nutzen die Systeme drei unterschiedliche Verfahren: – Ein Master kontrolliert das Zeitgeschehen. Bei POWERLINK erteilt der Master den Teilnehmern Sendeerlaubnis, bei EtherCAT und SERCOS III gibt er den Takt für den Versand von Summenrahmentelegrammen vor. – Bei PROFINET IRT steuern synchronisierte Switches die Kommunikation. – Bei EtherNet/IP wird per CIP Sync eine Zeitinformation nach dem Standard IEEE 1588 im Netz verteilt. Standard Ethernet IEEE 802.3 Modifizierter Ethernet-Medienzugriff POWERLINK PROFINET RT EtherCAT SERCOS III PROFINET IRT Ethernet Ethernet-Verkabelung 6 Modifiziertes Ethernet Methoden zur Implementierung von Echtzeit-Ethernet Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition PROFINET-Kommunikation | PROFINET („Process Field Network“) ist in unterschiedliche Leistungsklassen für verschiedene zeitliche Anforderungen untergliedert: PROFINET RT für keine oder weiche Echtzeit und PROFINET IRT für harte Echtzeit. Die Technologie wurde von Siemens und den Mitgliedsfirmen der PROFIBUS-Nutzerorganisation PNO entwickelt. PROFINET I/O ist der Ethernet-basierte Nachfolger von PROFIBUS DP und spezifiziert den gesamten Datenaustausch zwischen I/O-Controllern, die Parametrierung, die Diagnose und den Aufbau eines Netzwerkes. Applikation PROFINET Realtime zyklisch PROFINET Realtime azyklisch PROFINET Standard Middleware Engineering, Business Integr ation Standardapplikation (ftp, http, u.a.) DCOM Standard UDP Standard TCP Standard IP Funktionsweise Für die unterschiedlichen Leistungsklassen verwendet PROFINET verschiedene Protokolle und Dienste frei nach dem Producer/ Consumer-Prinzip. Nutzdaten, die hochpriorisiert und direkt über das EtherNet-Protokoll versendet werden, verwenden mittels VLAN priorisierte Ethernet-Frames, während zum Beispiel Diagnose- und Konfigurationsdaten per UDP/IP gesendet werden. FürI/O-Applikationen können auf diese Weise Zykluszeiten um die 10 ms realisiert werden. Für taktsynchrone Zykluszeiten unter einer Millisekunde, wie sie für Motion-Control-Anwendungen benötigt werden, dient PROFINET IRT, das auf Basis speziell gemanagter und per Hardware synchronisierter Switches ein Zeitmultiplex-Verfahren verwendet. Als neue Variante von Profinet kommt zukünftig auch das sogenannte Dynamic-FramePacking-Verfahren (DFP) zum Einsatz. Unter Verwendung des Summenrahmenverfahrens für eine bestimmte Gerätegruppe innerhalb des Netzwerks soll es die Taktzeiten optimieren. Standard-Ethernet Zieladresse Quelladresse 802.1q Frame ID Type = 0x8892 Prozessdaten Daten CRC Statusinfo 7 Geräteprofile POWERLINK-Kommunikation Protokoll Software | Hardware Zykluszeiten PRes CN1 PReq CN3 PRes CN2 PReq CNn PRes CN3 isochrone Phase SoC = Start of Cycle SoA = Start of Async 8 MN SoA PRes CNn Async Data asynchrone Phase PReq = Poll Request PRes = Poll Response MN = Managing Node CN = Controlled Node Drives Medizingeräte Sonstige CANopen Application Layer – Object Dictionary Messaging (SDO and PDO) POWERLINK Transport UDP/IP POWERLINK Treiber CAN Treiber Ethernet Treiber CAN Controller Ethernet Controller Ein POWERLINK-Zyklus besteht aus drei Abschnitten: In der „Start Period“ sendet der MN einen „Start of Cycle Frame“ (SoC) an alle CNs, der die Geräte synchronisiert. Der Jitter liegt dabei bei ca. 20 Nanosekunden. Im zweiten Abschnitt, der „Cyclic Period“, erfolgt der zyklische isochrone Datenaustausch. Durch Multiplexing wird in dieser Phase eine optimale Nutzung der Bandbreite erreicht. Mit dem dritten Abschnitt beginnt die asynchrone Phase. Sie steht der Übertragung größerer und nicht zeitkritischer Datenpakete zur Verfügung. Diese Daten, zum Beispiel Anwenderdaten oder TCP/IPFrames, werden auf die asynchronen Phasen mehrerer Zyklen verteilt. POWERLINK unterscheidet zwischen Echtzeit-Domänen und Nicht-Echtzeit-Domänen. Da die Datenübertragung der asynchronen Phase Standard-IPFrames unterstützt, trennen Router die Daten sicher und transparent von den Echtzeit-Domänen. POWERLINK ist für alle Anwendungen in der Automatisierung einschließlich I/O, Motion, Robotik, PLC-PLCKommunikation oder Visualisierung sehr gut geeignet. Bei POWERLINK wird der isochrone Datenaustausch durch eine Mischung aus Zeitschlitz- und Pollingverfahren erreicht. Für die Koordination bekommt eine SPS oder ein Industrie-PC die Funktion eines sogenannten Managing Nodes (MN) zugewiesen. Dieser gibt den Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vor und steuert die zyklische Datenkommunikation. Alle anderen Geräte fungieren als Controlled Nodes (CN). Innerhalb eines Taktzyklus sendet der MN „Poll Requests“ genannte Anfragen in festgelegter Reihenfolge an alle CNs. Jeder CN antwortet unmittelbar auf die Anfrage mit einer „Poll Response“, die alle anderen Teilnehmer mithören können. PReq CN2 Ventile Viele Gemeinsamkeiten im CANopen und POWERLINK OSI-Modell Funktionsweise PReq CN1 Geber CAN-basierter CANopen Transport POWERLINK wurde ursprünglich von B&R entwickelt und im Jahr 2001 veröffentlicht. Seit 2003 kümmert sich die unabhängige und demokratisch organisierte Nutzerorganisation Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) um die Weiterentwicklung der Technologie. POWERLINK ist ein komplett patentfreies, herstellerunabhängiges und rein softwarebasiertes Kommunikationssystem für harte Echtzeit, das als kosten- und lizenzfreie Open-Source-Version zur Verfügung steht. POWERLINK integriert vollumfänglich die CANopen-Mechanismen und ist vollständig konform zum Ethernet-Standard IEEE 802.3, wodurch sämtliche Features von Standard-Ethernet erhalten bleiben, einschließlich Querverkehr, Hotplug-Fähigkeit und freier Wahl der Netzwerktopologie. SoC I/O CN Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition EtherNet/IP Geräteprofile CIP Motion Ventile EtherNet/IP-Kommunikation | EtherNet/IP ist ein offener industrieller Standard, der von AllenBradley (Rockwell Automation) und der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) entwickelt und im Jahr 2000 veröffentlicht wurde. Bei dem „Ethernet Industrial Protocol“ handelt es sich im Prinzip um das bereits von ControlNet und DeviceNet genutzte Anwendungsprotokoll CIP (Common Industrial Protocol), das auf das Transportprotokoll Ethernet portiert wurde. EtherNet/IP ist besonders auf dem amerikanischen Markt stark vertreten und wird häufig in Verbindung mit Rockwell-Steuerungen eingesetzt. Funktionsweise EtherNet/IP läuft auf Standard-Ethernet-Hardware und nutzt zur Datenübertragung sowohl TCP/IP als auch UDP/IP. Durch die vom CIP-Protokoll unterstützte Producer-Consumer-Funktionalität stehen EtherNet/IP unterschiedliche Kommunikationsmechanismen zur Verfügung, wie zum Beispiel zyklisches Polling, zeit- oder ereignisgesteuerte Auslösung, Multicast oder einfache Punkt-zu-Punkt-Verbin- consumer consumer accept Roboter Sonstige CIP Data Management Services Explicit Messages, I/O Messages Anwendung producer I/O CIP Application Layer Application Library consumer accept prepare filter filter filter send receive receive receive CIP CIP Message Routing, Connection Management Transport Netzwerk Datenverbindung physikalisch Encapsulation TCP UDP IP ControlNet DeviceNet CompoNet Transport Transport Transport EtherNet CSMA/CD ControlNet CAN CompoNet CTDMA CSMA/NBA Time Slot EtherNet Physical Layer ControlNet DeviceNet CompoNet Phys. Layer Phys. Layer Phys. Layer Schichtenmodel EtherNet/IP dungen. Das Anwendungsprotokoll CIP unterscheidet zwischen „impliziten“ E/A-Nachrichten und „expliziten“ Frage/Antwort-Telegrammen für Konfiguration und Datenerfassung. Während explizite Nachrichten in TCP-Frames eingebettet werden, werden Daten für Echtzeitanwendungen wegen des kompakteren Formats und kleineren Overheads per UDP versendet. Switches, die den Mittelpunkt der sternförmigen Netzwerktopologie bilden, verhindern Datenkollisionen der über Punkt-zu-Punkt-Verbindung angeschlossenen Geräte. EtherNet/IP erreicht typischerweise weiche Echtzeit mit Zykluszeiten um die 10 ms. Durch CIP Sync und CIP Motion und die präzise Synchronisation der Teilnehmer durch verteilte Uhren (entsprechend der IEEE-Norm 1588) werden ausreichend kleine Zykluszeiten und Jitter zur Ansteuerung von Servomotoren angestrebt. broadcast communication 9 Framelaufzeit = (Anzahl Byte Header + Daten) x 10 ns 250 ns EtherCAT-Kommunikation 115 ns Master PHY | IOS über LVDS PHY IOS über LVDS PHY EtherCAT („Ethernet for Controller and Automation Technology“) wurde von Beckhoff Elektronik entwickelt. Alle Nutzer der Technologie werden automatisch Mitglied der EtherCAT Technology Group (ETG). Funktionsweise EtherCAT beruht auf dem Summenrahmenverfahren: Der EtherCATMaster sendet einen Ethernet-Frame mit den Daten für alle angebundenen Slaves, der nacheinander alle Teilnehmer durchläuft. Beim letzten Teilnehmer eines Strangs wird der Frame wieder zurückgeleitet. Die Teilnehmer bearbeiten den Frame während des Durchlaufs in einer Richtung. Die für den Teilnehmer bestimmten Daten werden „on the fly“ ausgelesen und die Ausgangsdaten in den Frame eingefügt. Zur Gewährleistung der Bandbreite von 100 Mbit/s ist für die schnelle Bearbeitung im Durchlauf spezielle ASIC- oder FPGA-basierte Hardware erforderlich. Die Netzwerkstruktur von EtherCAT entspricht effektiv immer einem logischen Ring. Auch Abzweige, die sich an speziell konzipierten Teilnehmern anschließen lassen, stellen quasi nur eine Doppelweiche dar, sodass das Summenrahmentelegramm durch den Abzweig geleitet wird. Aufbau des EtherCAT-Frames Sämtliche EtherCAT-Telegramme mit den Anweisungen für die einzelnen Teilnehmer sind im Nutzdatenbereich eines Frames verpackt. Ein EtherCAT-Frame besteht aus je einem Header und mehreren Ether- Ethernet HDR FH EH Data WC CAT-Kommandos. Ein Kommando besteht seinerseits aus einem Header, den Daten mit Anweisungen für den Slave und einem Zähler. Für jeden Slave stehen bis zu 64 kByte konfigurierbarer Adressraum zur Verfügung. Die Adressierung erfolgt über ein Auto-Inkrement-Verfahren, bei dem jeder Slave das 16-Bit-Adressfeld hochzählt. Außerdem können die Slaves über verteilte Stationsadressen angesprochen werden, die der Master in der Startphase zuteilt. Prozesssynchronisation bei EtherCAT In den Slave-Anschaltungen stehen Echtzeituhren zur Verfügung, die vom Master über einen IEEE1588-ähnlichen Mechanismus synchronisiert werden. Es gibt Slaves mit und ohne Echtzeitmechanismus, da dies eine erhöhte Anforderung an die Hardware stellt. Auf Basis der Echtzeituhren können Steuerungssignale hochgenau synchronisiert werden. Physikalisch betrachtet, läuft das EtherCAT-Protokoll neben Ethernet auch auf LVDS (Low Voltage Differential Signaling). Dieser Standard wird von der Firma Beckhoff als interner Klemmenbus verwendet. Der EtherCAT-Master wird typischerweise mit einem PC mit einer Standard-Ethernet-Schnittstelle realisiert. Im Gegensatz zu Protokollen wie POWERLINK oder PROFINET beschreibt EtherCAT ausschließlich die Layer 1 – 3 des OSI-7-Schichten-Modells. Um eine vergleichbare Applikationsfunktionalität zu erreichen, muss hier eine weitere Protokollschicht (CoE, EoE) überlagert werden. CRC EtherCAT-Arbeitsprinzip 10 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Nicht-Echtzeit-Kanal Echtzeit-Kanal … I/O Profil Motion Profil SERCOS III-Kommunikation | Ethernet Applikation Generisches Geräteprofil SERCOS III ist ein frei verfügbarer Echtzeit-Kommunikationsstandard für digitale Antriebsschnittstellen, der neben der Hardwarearchitektur für die Anschaltungen nicht nur eine Protokollstruktur spezifiziert, sondern auch eine umfangreiche Definition von Profilen einschließt. Bei SERCOS III, der dritten Generation des 1985 im Markt eingeführten SERCOS Interface, dient Standard-Ethernet nach IEEE 802.3 als Transportprotokoll. Das Kommunikationssystem kommt schwerpunktmäßig in Motion-Control-basierten Automationssystemen zum Einsatz. Für die Weiterentwicklung der Technologie und die weltweite Einhaltung des Standards sorgt sercos International e. V. Während für SERCOS III Slaves spezifische Hardware eine Voraussetzung ist, kann der Master auch in Software gelöst werden. Zur Entwicklung der SERCOS III-Hardware auf FPGA-Basis stellt die SERCOSNutzerorganisation einen SERCOS III-IP-Core zur Verfügung. SERCOS III nutzt ein Summenrahmenverfahren und schreibt die Verkabelung der Netzteilnehmer in einer Linie oder in einem geschlossenen Ring vor. Die Daten werden im Durchlauf bearbeitet, wobei für verschiedene Kommunikationsbeziehungen unterschiedliche Telegramme genutzt werden. Durch die voll-duplexfähige Ethernet-Verbindung ergibt sich bei einer Linientopologie ein Einfachring und bei einer Ringtopologie ein Doppelring, der eine redundante Datenübertragung ermöglicht. Direkter Querverkehr wird dadurch ermöglicht, dass jeder Teilnehmer über zwei Kommunikationsschnittstellen verfügt: Die Echtzeittelegramme durchlaufen sowohl bei der Linien- als auch bei der Ringtopologie jeden Teilnehmer auf dem Hin- und dem Rückweg und AT: Drive Telegram MDT: Master Data Telegram IP: IP Channel C AT MDT IP Slave Slave Slave Slave Slave Safety SVC Kanal UDP/TCP Querkommunikation MS Kommunikation IP Synchr. Ethernet SERCON 100M/S (FPGA) + Ethernet Dual PHY RT = Real Time MS = Master Slave Synchr. = Synchronisation Funktionsweise Master RT-Kanäle (primär/sekundär) S III Protokoll oder SVC = Service Channel S III = SERCOS III UDP = User Datagram Protocol netX mit SERCOS III TCP = Transmission Control Protocol FPGA = Field Progr. Gate Array PHY = Physical Layer SERCON ist die Bezeichnung für den spezifischen Master/Slave-Kommunikationscontroller der SERCOS-Technologie. werden damit zweimal pro Zyklus bearbeitet. Auf diese Weise können die Geräte innerhalb eines Kommunikationszyklus ohne Umweg über den Master direkt miteinander kommunizieren. Neben dem Echtzeitkanal, bei dem ein Zeitschlitzverfahren mit reservierten Bandbreiten die Kollisionsfreiheit gewährleistet, lässt sich bei SERCOS III auch ein Nicht-Echtzeit-Kanal einrichten. Die Synchronisierung der Teilnehmer erfolgt auf Hardwareebene und wird direkt aus dem ersten Echtzeittelegramm zu Beginn eines Kommunikationszyklus abgeleitet. Dazu wird das Master-Synchronisations-Telegramm (MST) in das Telegramm eingebettet. Laufzeiten und Laufzeitschwankungen, die ihre Ursache in der Ethernet-Hardware haben, werden durch ein hardwarebasiertes Verfahren kompensiert, das eine Genauigkeit der Synchronisation von unter 100 Nanosekunden erreicht. Mehrere Netzwerksegmente können mit unterschiedlichen Zykluszeiten und dennoch vollständig synchron miteinander betrieben werden. Slave 11 Nutzerorganisationen | Ein wichtiges Kriterium zur Gesamtbewertung der Systeme ist die Unabhängigkeit des Nutzers. Ungeklärte Markenrechte oder Patente, die eigene Entwicklungen einschränken könnten, sind wichtige Faktoren, die bei der Auswahl eines Systems zu berücksichtigen sind. Mit einer genaueren Betrachtung der Hersteller und Nutzerorganisationen lässt sich späteren Unannehmlichkeiten durch juristische Fallstricke vorbeugen. Kriterien Organisation www. PROFINET RT|IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III PNO EPSG ODVA ETG sercos International profibus.com ethernetpowerlink.org odva.org ethercat.org sercos.org treiber von PROFIBUS- oder PROFINET-Netzen unterstützen. www.profibus.com POWERLINK – EPSG Die EPSG Ethernet POWERLINK Standardization Group wurde 2003 als unabhängige Organisation von Unternehmen der Antriebs- und Automatisierungstechnik gegründet. Ziel der Organisation ist die Standardisierung und Weiterentwicklung von POWERLINK. Die EPSG kooperiert mit Standardisierungsorganisationen wie beispielsweise der CAN in Automation (CiA), aber auch mit Internationalen IEC und ISO- Gremien. Die EPSG ist ein eingetragener Verein Schweizer Rechts. www.ethernet-powerlink.org EtherNet/IP – ODVA PROFINET – PI PROFIBUS & PROFINET International (PI) ist die internationale Dachgesellschaft für 25 regionale PROFIBUS & PROFINET Verbände einschließlich der PROFIBUS Nutzerorganisation e. V. (PNO). Sie unterhält eine Geschäftsstelle für die Durchführung von Gemeinschaftsprojekten sowie für die Information von Mitgliedern und Interessenten. Angeschlossen an die Geschäftsstelle ist die Zertifizierungsstelle für geprüfte PROFIBUS- und PROFINET-Produkte. Die Aufgaben des Verbands wurden in der Satzung vom 24. 04. 1996 festgelegt. Die Mitgliedschaft steht allen Firmen, Verbänden und Instituten offen, die die Interessen der PI als Hersteller, Anwender, Systemhaus oder Be- 12 Die ODVA ist die Vereinigung aller DeviceNet- und EtherNet/IP-Anwender. Die Organisation beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung und Verbreitung der Feldbusse, die vorwiegend in den USA und Asien, aber auch in Europa eingesetzt werden. Ein wesentlicher Aspekt der Aktivitäten ist die Entwicklung und Verbreitung des CIP-Protokolls und anderer auf dem CIP-Protokoll basierender Protokolle. Anwender können nicht nur die Technologie benutzen, sondern sich in Special Interest Groups (SIG) auch an der Weiterentwicklung beteiligen. Darüber hinaus ist die ODVA in anderen Standardisierungsgremien und Industriekonsortien aktiv. Die Satzung der ODVA ist relativ komplex. www.odva.org Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition EtherCAT – ETG SERCOS III – sercos International e. V. Die EtherCAT Technology Group ist ein Forum, zu dem sich Anwender, OEMs, Maschinenbauer und Automationshersteller zusammengeschlossen haben. Der Zweck der Gruppe liegt im Support und darin, die Vorteile von EtherCAT als offener Technologie zu verbreiten. An das ETG-Hauptbüro angeschlossen ist ein Zertifizierungslabor. Die Verträge zur Nutzung der Technologie sind direkt mit der Firma Beckhoff abzuschließen. Die EtherCAT Technology Group ist als nicht eingetragener Verein in Nürnberg ansässig. www.ethercat.org sercos International e. V. (SI) ist ein im Vereinsregister in Frankfurt am Main eingetragener Verein. Mitglieder des Vereins sind Hersteller und Anwender von Steuerungen, Antrieben und anderen Automatisierungskomponenten sowie Maschinenhersteller, Forschungsinstitute und Verbände. Tochterorganisationen bestehen in Nordamerika und in Asien. Angeschlossen an die Geschäftsstelle ist ein Zertifizierungslabor an der Universität Stuttgart. www.sercos.org 13 Status, Rechte und Lizenzen Welchen rechtlichen Status haben die jeweiligen Nutzerorganisationen? Wem gehört die Technologie? In welche lizenzrechtlichen Abhängigkeiten begeben sich Entwickler, wenn sie die Technologien nutzen? Auf den folgenden Seiten geben wir einen Überblick. Kriterien PROFINET RT|IRT POWERLINK EtherNet/ IP Organisa­ tionsform Verein Verein Verein Haftung + PNO + + EPSG + + ODVA + EtherCAT SERCOS III nicht ein­ge­tra­ gener Verein Verein o + Mitglieder SERCOS o + EtherCAT Technology Group: Der nicht eingetragene Verein hat keine eigene Rechtspersönlichkeit und nimmt daher eine „Zwitterstellung“ zwischen einem Verein und einer Personengesellschaft ein, sodass die Haftungsfrage offen ist. Kriterien PROFINET RT|IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III Rechteinhaber Mitglieder Mitglieder Mitglieder Beckhoff Mitglieder Markeninhaber PNO EPSG ODVA Beckhoff SERCOS + + + + + + o o + + Die Rechte an der Technologie liegen normalerweise bei den Organisationen. Damit können sie von deren Mitgliedern, die somit Mitinhaber sind, genutzt werden. Liegen die Rechte bei anderen Personen oder Firmen, ist unklar, wie in Zukunft mit diesen Rechten verfahren wird. 14 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Kriterien PROFINET RT|IRT Finanzierung membership fees der Organisao tion POWERLINK membership fees o EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III membership no membership membership fees fees fees o + o Die Mitgliedschaft in der ETG ist kostenlos. Die Mitgliedschaft in allen anderen Organisationen ist kostenpflichtig, die Jahresbeiträge staffeln sich in der Regel nach der Firmengröße. Für POWERLINK und Sercos können Produkte auch ohne Mitgliedschaft in der Nutzerorganisation entwickelt und auf den Markt gebracht werden. Kriterien Spezifikation für Master und Slave PROFINET RT|IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III PNO EPSG ODVA Beckhoff SERCOS + + + o o Für SERCOS III und EtherCAT sind zwar die Kommunikationsmechanismen beschrieben, wie aber ein Slave im Detail arbeitet, ist unbekannt. Dazu muss ein ASIC oder ein FPGA eingesetzt werden. Der VHDL-Code für EtherCAT FPGAs kann bei Beckhoff erworben werden; er liegt aber jeweils nicht im Quellcode vor. PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP freie Sourcen Master - + freie Sourcen Slave - + Kriterien EtherCAT SERCOS III - o + + - o PROFINET: Die PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO) stellt ihren Mitgliedern Quellcode und Dokumentationen für die Implementierung von PROFINET zur Verfügung (PROFINET Runtime Software). Die Lizenzvereinbarung für diese Software gibt den PNO-Mitgliedern unter Punkt 1.5 das Recht, fünf Patente zu nutzen. POWERLINK: POWERLINK-Master und -Slave sind unter der Open Source-Lizenz Berkeley Software Distribution (BSD) frei verfügbar; ebenso die SoftwareStacks für openSAFETY (siehe Sourceforge.net). EtherNet/IP: Stacks werden von verschiedenen Dienstleistern verkauft. Eine Open Source-Variante wurde von einer Universität entwickelt. EtherCAT: Für die Realisierung eines Slaves muss ein ASIC oder ein FPGA eingesetzt werden. Der VHDL-Code für den FPGA muss gekauft werden und liegt nicht als Quellcode vor. Masterseitig stellt die ETG einen Beispielquellcode zur Verfügung. Da der Patentrechteinhaber einer Lizenzierung für Open Source nicht zugestimmt hat, kann der Quellcode nicht Open Source sein.* SERCOS III: sercos stellt seinen Softwaremaster unter LGPL-Lizenz kostenlos zur Verfügung. Für den Slave müssen ASICs oder FPGA-Code erworben werden. * Quelle: Open Source Automation Development Lab (www.osadl.org) 15 Investitionssicherheit | Einen Teil der Kriterien für Investitionssicherheit haben wir im Abschnitt „Offenheit“ behandelt. Daneben spielt auch eine Reihe von technischen und strategischen Gesichtspunkten eine wichtige Rolle für die langfristige Investitionssicherheit. Kompatibilität zu bestehenden Applikationsprofilen Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III PROFIBUS CANopen DeviceNet CANopen SERCOS II + + + + + Freiheit in der Verkabelung EtherCAT und SERCOS III bilden logisch gesehen immer einen Ring. Dieser kann am Master oder bei einer Linienverkabelung intern am letzten Teilnehmer geschlossen werden. EtherCAT bietet mit speziellen Weichen die Möglichkeit, Abzweige zu bilden. Da durch diese aber immer der komplette Frame durchgeleitet wird, bleibt also auch hier logisch die Ringorganisation erhalten. PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III Verkabelung Baum + + + o o Verkabelung Stern + + + o o EMV-Empfindlichkeit/Übertragungssicherheit Verkabelung Ring + + + + + Summenrahmenprotokolle sind störungsempfindlicher als Einzelrahmenprotokolle. Bei der Zerstörung eines Frames geht immer ein kompletter Zyklus verloren. Verkabelung Linie + + + + + abwärtskompatibel Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + + + o o EMVEmpfindlichkeit SERCOS III erreicht durch die Nutzung von zwei Telegrammen um 50 % bessere Werte als EtherCAT Kontaktstellen Eine Besonderheit von EtherCAT ist die Möglichkeit, die gesamte Kommunikation auch intern durch den I/O-Klemmenbus zu führen. Dem immer wieder angeführten Performancevorteil steht allerdings ein Sicherheitsrisiko im Störverhalten gegenüber (Kontakte und EMV). Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III Kontaktstellen + + + o + 16 Kriterien Hochverfügbarkeit Master- und Kabelredundanz sind nur in der Spezifikation von POWERLINK vorgesehen und in Projekten umgesetzt. Für PROFINET und EtherNet/IP ist auf Basis von speziellen Switches eine Applikation umsetzbar. Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III Ringredundanz o + o + + Masterund Kabelredundanz o + o o - Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Hotplug-Fähigkeit Unterstützung internationaler Normen POWERLINK, EtherNet/IP und PROFINET sind Hotplug-fähig. Bei SERCOS III und EtherCAT ergeben sich aufgrund der obligatorischen Ringtopologie Einschränkungen. Bei SERCOS III kann bei einer Ringverkabelung ein einzelner Teilnehmer vom Netz genommen werden. In diesem Fall schließen die beiden benachbarten Teilnehmer die TX- und RX-Leitungen. Damit werden die Teilnehmer von der jeweils anderen Masterseite aus erreicht. EtherCAT bietet eine gewisse Hotplug-Fähigkeit: Im EtherCAT Slave-Controller werden offene Ports automatisch geschlossen wenn keine Verbindung erkannt wird. Die verteilten Uhren von EtherCAT sind jedoch auf Synchronisierung angewiesen, was manche Anwendungen beeinträchtigen kann. Die internationale Norm IEC 61158 standardisiert „Typen” genannte Protokolle zur Verwendung in industriellen Steuerungssystemen. Die IEC 61784-2 standardisiert Familien von Kommunikationsprofilen („CPF” genannt). GB-Standards sind nationale chinesische Normen, verfasst und veröffentlicht von der Normungsbehörde Standardization Authority in China (SAC). Sie sind über alle Branchen hinweg landesweit gültig. GB/Z steht für nationale technische Richtlinien. Diese sind primär informativer Natur und in keiner Weise bindend. Die höchste amtlich zugelassene Normungsebene für Kommunikationstechnologien ist GB/T. Als in China empfohlene Industrienorm muss GB/T zahlreiche Anforderungen erfüllen: Entscheidend ist eine weitreichende Verbreitung bei chinesischen Herstellern von Automatisierungsprodukten. Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III Hotplug + + + o o IEC 61158 Bei Technologien mit einem logischen Ring (EtherCAT und SERCOS III) führen die Einschränkungen der Topologie auch zu Einschränkungen für die HotplugMöglichkeiten. Hotplug-Module können nur am Ende einer Linie angedockt werden (SERCOS III), was im Anwendungsfall zu Einschränkungen führen kann. IEC 61784-2 PROFINET POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III Type 10 Type 13 Type 2 Type 12 Type 19 CPF 3 CPF 13 CPF 2 CPF 12 CPF 16 GB/Z 26157-2010 GB/T 31230 GB Nationale GB/Z GB/T chinesische 25105-2010 27960-2011 Norm Eignung für Gigabit Da EtherNet/IP und POWERLINK ausschließlich auf Software basieren, lassen sich die Protokolle auch mit Gigabit-Hardware weiterverwenden. EtherCAT erfordert neue ASICs, auch PROFINET IRT bedarf einer Überarbeitung der Hardware, speziell bei den Switches. FPGA-Lösungen können auf Gigabit portiert werden. Kriterien PROFINET RT | IRT Gigabitready + - POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + + - o Produkte im Markt IRT-Produkte auf Basis von ERTEC-Technologie sind grundsätzlich im Markt verfügbar, allerdings hat die Vorstellung des DFP-Verfahrens und der damit verbundenen neuen ASIC-Generationen (zum Beispiel Tiger Chip von Phoenix) Verunsicherung hinsichtlich der zukünftigen Kompatibilität von aktuellen IRT-Lösungen ausgelöst. Kriterien PROFINET RT | IRT Produkte im Markt + o POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + + + + Nach Auskunft von sercos International ist der IP-Core grundsätzlich für Gigabit geeignet. 17 Performance | Theoretisch erreichbare Zykluszeit Ein viel diskutiertes Thema ist die Performance der Systeme; dabei wird das Augenmerk auf theoretische Zykluszeiten gerichtet, die das Industrial Ethernet-System erreichen kann. Die kürzeste theoretische Zykluszeit berechnet sich folgendermaßen: Anzahl Byte: 7 1 1010…0101..011 6 Ziel 6 2 38 ... 1500 Quelle Präambel Starting Frame Delimiter MAC-Adresse des Ziels MAC-Adresse der Quelle Längenfeld (falls <1501*) / Typ (falls >1535*) Nutzdaten Prüfzeichen (Cycling Redundancy Check) *Angabe dezimal Anzahl Byte Anzahl Bit Dauer bei 100 Mbit/s Minimale Länge 26 + 38 = 64 512 5,1 s Maximale Länge 26 + 1500 = 1526 12208 122 s Quelle: Rahmenaufbau nach IEEE 802.3 (Zu den 5,1 Mikrosekunden kommt noch der Interframe-Gap mit 0,96 Mikrosekunden hinzu) 18 4 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Wenn also ein Master einen Frame ohne Umweg über irgendwelche Teilnehmer direkt an sich selbst versendet, steht der Frame dem Master erst wieder nach 122 μs (bei einem einzelnen Ethernet Maximal-Frame) ganz zur Verfügung. Theoretisch könnten natürlich schon Teile des Frames nach Empfang ausgewertet werden. Aber die CRC-Byte kommen erst am Ende des Frames und zeigen damit die Gültigkeit der Daten an. Unberücksichtigt bleiben bei diesem Beispiel die Verzögerungen in den PHYs, Kabeln und Ethernet-Anschaltungen, Zeiten des Datentransportes innerhalb des Masters etc. Daneben müssen Laufzeiten auf dem Kabel (5 ns/m) und die Verarbeitungszeit im Slave berücksichtigt werden. Die Auswahl einer zentralen oder dezentralen Architektur muss sehr stark auf zukünftige Ausbaustufen und Anforderungen Rücksicht nehmen. Eine dezentrale Verarbeitung von diversen Regelkreisen hat den Vorteil, dass bei zusätzlichen Teilnehmern die Basiszykluszeit nahezu unbeeinflusst bleibt und somit das Grundkonzept nicht maßgeblich verändert werden muss. Auch haben zusätzliche Funktionen wie Condition Monitoring oder integrierte Sicherheitstechnik weniger Einfluss auf das Regelungskonzept als bei zentralen Architekturen, die sehr stark auf geringe Datenmengen angewiesen sind. Für die Zukunftssicherheit einer Lösung sollte man bei Taktzeiten unter 500 μs, sofern möglich, auf eine dezentrale Auswertung der Regelkreise achten, speziell im Antriebsbereich. Kommunikationsarchitektur der Systeme Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III unterstützt zentral + + + + + unterstützt dezentral + + + - o Direkter Querverkehr Direkter Querverkehr bietet speziell bei hohen zeitlichen Anforderungen an das System entscheidende Vorteile: Bei schnellen Antriebssteuerungen lassen sich die Achsen auf unkomplizierte Weise hochgenau synchronisieren, da alle Positionswerte ohne Umweg über einen Master direkt verteilt werden können. Das verringert zum einen das Datenaufkommen und zum anderen stehen die Daten (zum Beispiel der Winkel-Istwert der Achsen) allen beteiligten Teilnehmern im aktuellen Zyklus zur Verfügung. Werden die Daten über den Master geleitet, verzögern sich hingegen zum einen die Daten um einen Zyklus, zum anderen erhöht sich das Datenaufkommen. Kriterien direkter Querverkehr PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + + + - + Bei POWERLINK und SERCOS III kann der direkte Querverkehr auch von Modulen mit ausschließlicher Slave-Funktionalität ausgeführt werden, bei EtherNet/IP ist dafür ein Modul mit Scanner-Funktionalität erforderlich. 19 Große Datenmengen Tatsächliche Zykluszeit Bei Applikationen, die mit großen Mengen an Prozessdaten umgehen müssen, haben die Durchlaufzeiten bei den Teilnehmern einen großen Einfluss auf die Gesamtzykluszeit. Dagegen lassen sich durch Datenpriorisierung die Zykluszeiten verringern. Dazu werden in Systemen, die diese Mechanismen unterstützen, hochpriorisierte Daten in jedem Zyklus und niedriger priorisierte in jedem n-ten Zyklus abgefragt. Beim Summenrahmenverfahren müssen die Daten zweimal den Controller durchlaufen. Werden also viele Teilnehmer durchlaufen, addieren sich die Durchlaufzeiten erheblich. Damit relativieren sich die von den jeweiligen Organisationen angegebenen Leistungsdaten. Daneben sind bei der Applikationsperformance auch Umsetzungen in den jeweiligen Steuerungen wie zum Beispiel Taskklassen zu berücksichtigen. Kriterien Priorisierung PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + + + o + POWERLINK, EtherNet/IP und Profinet haben variable Zykluszeiten fest in der Spezifikation verankert. Bei SERCOS III ist dieses Feature erst kürzlich dazugekommen. Bei EtherCAT kann dies grundsätzlich auch in der Applikation gelöst werden. Netzwerkbelastung durch Safety-Kommunikation Safety über Ethernet beruht auf einem zyklischen Austausch geschützter Daten zwischen Safety-Knoten (Not-aus-Taster, sicherheitsgerichtete Antriebssteuerungen). Bei den dabei angewendeten Schutzverfahren werden Daten dupliziert und in sichere „Container“ gepackt. Das erhöht das Datenaufkommen im Netzwerk. Bei Lösungen, die das Summenrahmenverfahren verwenden, wird Rahmenanzahl steigen, während bei der Einzelrahmen-Methode das Datenvolumen in den ohnehin zum Versand anstehenden Rahmen ansteigen wird. Insgesamt wird die theoretisch überlegene Performance des Summenrahmenverfahrens neutralisiert. Kriterien PROFINET RT | IRT Performance o + POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + o + + Jitter Ein minimaler Jitter (Taktungenauigkeit) und genaue Kenntnis der Signallaufzeiten sind entscheidend für die Qualität der Regelung in einem Netzwerk. Das setzt eine möglichst genaue Synchronisierung der Netzteilnehmer voraus, die bei den Ethernet-Standards mit verschiedenen Mechanismen erreicht wird: EtherCAT nutzt das mittels eines proprietären Algorithmus im ESC (EtherCAT Slave Controller) realisierte Prinzip der verteilten Uhren, bei POWERLINK sorgt ein einfaches Signal (SoC) für die Synchronisierung. Kriterien PROFINET RT | IRT Jitter o + POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + o + + Bei EtherCAT, POWERLINK und SERCOS III ist ein nahezu jitterfreies System (< 100 ns) immer gewährleistet. Bei EtherNet/IP lässt sich der Jitter mit spezieller IEEE-1588-Erweiterung in allen Komponenten maßgeblich reduzieren. Bei Profinet in IRT-Applikationen kann der Jitter ebenfalls reduziert werden. 20 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Performancevergleich kleinen Datenmengen optimiert. Bei Anlagen mit größeren Datenmengen steigt die Zykluszeit von EtherCAT überproportional stark an. Bei dezentralen Architekturen (zum Beispiel Motion dezentral) überwiegt bei EtherCAT der Nachteil durch den fehlenden direkten Querverkehr (in beiden Richtungen), was die theoretisch erreichbare Performance erheblich reduziert. Die Integration von EtherCAT direkt im I/O führt ebenfalls zu reduzierten Abtastraten (I/O-System), da sich die Durchlaufzeit durch das I/O direkt auf die erreichbare Zykluszeit auswirkt. Bei POWERLINK und SERCOS III ist dies nicht der Fall. Die Berechnungen für EtherCAT wurden anhand der Publikation von Prytz 20081 durchgeführt. Die Durchlaufzeiten durch den EtherCAT ASIC wurden mit Messungen nochmals verifiziert. Für POWERLINK wurden die Applikationen mit Produkten aufgebaut und mit praktischen Messungen zweifelsfrei bestätigt. Ein praktischer Performancevergleich unter den Systemen gestaltet sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenheiten schwierig: EtherNet/IP und PROFINET RT scheiden aus, da sich die Systeme nur für weiche Echtzeit eignen. Bei PROFINET IRT erschweren die obligatorischen Switches und dadurch die abweichenden Applikationsarchitekturen direkt vergleichbare Ergebnisse. Es wurden die Werte auf Basis von veröffentlichten Berechnungsschemata ermittelt. Als Testszenarien dienten 1. eine kleine Maschine, bestehend aus einem Master und 33 I/O-Modulen (64 Analog- und 136 Digitalkanäle); 2. ein I/O-System mit einem Master, zwölf Ethernet Slaves mit je 33 Modulen (insgesamt wurden in dieser Applikation 2000 Digital- und 500 Analogkanäle berücksichtigt); 3. ein Motion Control-Netzwerk mit 24 Achsen und eine I/OStation mit 110 digitalen sowie 30 analogen I/Os. SERCOS III wurde in den Berechnungen nicht berücksichtigt, es ist allerdings davon auszugehen, dass SERCOS III ähnliche Performancewerte wie POWERLINK erreicht und damit in vielen Applikationen schneller als EtherCAT ist. POWERLINK ist in den meisten praktischen Applikationen schneller als EtherCAT. EtherCAT ist ausschließlich für Anwendungen mit sehr besser 542.88 Motion dezentral: EtherCAT 269.98 Motion dezentral: POWERLINK 363.48 I/O-System: EtherCAT 325.25 I/O-System: POWERLINK Motion zentralisiert: EtherCAT 271.44 Motion zentralisiert: POWERLINK 269.98 1 Prytz G., EFTA-Konferenz 2008, A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT. Referenziert auf der Homepage der EtherCAT Technology Group, www.ethercat.org, 14. 9. 2011. 53.4 I/O-System klein: EtherCAT 81.21 I/O-System klein: POWERLINK 0 100 200 300 Zykluszeit [µs] 400 500 21 Implementierung | Zu den Kosten der jeweiligen Implementierung zählen Entwicklungsaufwand, Lizenzkosten und Hardwarekosten. Daneben ist auch hier die Verfügbarkeit des Codes (Programm oder VHDL bei HardwareImplementierung) zu beachten. Master-Implementierung Master Designs PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III – + – o + kein Open-Source-Master ­ver­fügbar openPOWERLINK (Open Source) kein Open-Source-Master ­ver­fügbar patentgeschützt 1 Common SERCOS III Master API (Open Source) Zugang Master Implemen­tie­rungs­kosten o – + o + o hoher Preis für Softwarestack erfordert spezielle Hardware mit Koprozessor läuft auf Standardhardware hoher Preis für Softwarestack läuft auf Standard Hardware typischerweise mit Koprozessorunterstützung 1 Kein Open-Souce-Master, nur unverbindlicher Beispiel-Code Bei allen Protokollen kann der Master in Software auf einem Standard Ethernet-Chip implementiert werden. 22 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Netzwerk-Komponentenkosten Externe Geräte = externe Switches oder Hubs Interne Multiports = Ports, die direkt in die Geräte integriert sind, hauptsächlich für Bus- und Ringtopologien Kosten für Netzwerkkomponenten externe Geräte interne Multiports PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III o o + o + o Standard Switch Spezieller Switch IRT-Support erforderlich Standard-Hubs oder -Switches Managed Switch mit kom­plexen Funktionalitäten ­er­forderlich (IGMP-Snooping, Port-Mirroring etc.) o o + o + + integrierter Switch Siemens ASIC erforderlich Standard-Hub integrierter Switch sehr komplex Beckhoff ASIC required 2 oder Beckhoff FPGA IP-Core FPGA-basierte Technologie Die Verwendung von externen spezielle Infrastrukturgeräten ist zukünftig Netzwerk­komponenten ­erforderlich vorgesehen, wird aber bisher 1 nicht verwendet 1 Stern- oder Baumtopologien machen bei EtherCAT den Einsatz spezieller Netzwerk-Komponenten erforderlich. 2 Beckhoff ET1100. 23 Slave-Implementierung Die Implementierungen der jeweiligen Busprotokolle in einen Slave können für EtherCAT, SERCOS III und PROFINET IRT nur durch Hardwarelösungen (ASICs oder FPGAs) erfolgen. Bei POWERLINK, EtherNet/IP und PROFINET RT lassen sich auch Softwarelösungen auf Mikrocontrollerbasis realisieren. Aufwendungen für die Softwarelösungen fallen durch Lizenzkosten für den Stack und gegebenenfalls auch durch die Anschaffung leistungsfähigerer und somit teurerer Controller an. Bei Hardwarelösungen muss eine Auswahl zwischen FPGA- und ASIC-basierten Kommunikationsschnittstellen getroffen werden. FPGAs können grundsätzlich auch für Softwarelösungen verwendet werden. Ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) ist ein integrierter Schaltkreis, den Hardwareentwickler selbst konfigurieren können. Er besteht aus programmierbaren logischen Komponenten, sogenannten „Logic Blocks“ (Logikzellen), und einer Hierarchie für die rekonfigurierbare Verschaltung der Komponenten. Alle logischen Funktionen, die ASICs ausführen können, lassen sich auch mit FPGAs umsetzen. Die Funktionalität kann nach der Auslieferung angepasst werden. Im Vergleich zu den ASICs sind die einmaligen Entwicklungskosten bei FPGAs gering. FPGA-Technologie ist für Industrial-Ethernet-Lösungen sehr interessant, hauptsächlich wegen der geringen Kosten, der hohen Leistungsfähigkeit, der Multi-Protokoll-Fähigkeit und der Fähigkeit, Layer- 24 2-Funktionalitäten (Hubs, Switches) über vorgefertigte Komponenten zu integrieren. Zu beachten ist, dass die Komplexität eines Protokolls das Codevolumen und dementsprechend die erforderliche Zahl von Logikzellen beeinflusst. Auch die L-2-Funktionalität kann die Anzahl wesentlich beeinflussen. Switches benötigen mehr Zellen als Hubs, und komplexe Managed Switches benötigen extrem viele Logikzellen. POWERLINK ist die unkomplizierteste Real-Time-Ethernet-Lösung. Da POWERLINK außerdem zum Netzwerkaufbau ausschließlich Hubs verwendet, benötigt es nur wenige Logikzellen und eignet sich für kleine FPGAs. Dagegen sind EtherCAT und SERCOS III aufwendiger und benötigen daher sehr viel mehr Logikzellen. Anschaltkosten in verschiedenen Real-TimeEthernet-Umgebungen Die nachstehend dargestellten Anschaltkosten bestehen aus den laufenden Kosten für die Hardware. Allfällige Lizenzkosten für Software-Stacks etc. wurden nicht berücksichtigt. Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Minimale Hardwarekosten 25 $ 20 $ Betriebskosten 15 $ 10 $ 5$ 22.2 $ 9.2 $ 15.2 $ 11.0 $ PROFINET POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT RT | IRT 15.2 $ SERCOS III Die Werte dieses Diagramms berücksichtigen Feedback von Herstellern, die bereits unterschiedliche Industrial-Ethernet-Lösungen umgesetzt haben. Diverse Werte wurden auch bereits von Herstellern in Automatisierungsmagazinen veröffentlicht. Bei allen Protokollen sind die Kosten für den PHY (2 × 1,1 USD) gleichwertig berücksichtigt. Der Stecker ist in der Übersicht nicht inkludiert. Die Richtwerte für die Gesamtkosten beziehen sich auf ein jährliches Volumen von 1000 Stück. PROFINET: Hier wurde eine Lösung mit einem ERTEC200-ASIC angenommen. Zukünftig können Geräte auch den von Phoenix Contact entwickelten TPS1Chip verwenden. Damit sollten die Kosten in den Bereich der EtherCAT-Kosten kommen. Das POWERLINK-Preisniveau wird nicht erreicht. POWERLINK: Es wurde eine FPGA-basierte Lösung angenommen. Kosten für RAM und Flash sind bereits berücksichtigt.. EtherNet/IP: Die Zahl für EtherNet/IP bezieht sich auf eine typische FPGALösung. EtherCAT: Als Basis wurde die günstigste EtherCAT-ASIC-Lösung mit 2 Ethernet-Ports verwendet (ET1100). EtherCAT-Lösungen für FPGAs verursachen wesentlich höhere Kosten, wobei der Unterschied bei synchronen Lösungen mit Echtzeituhren besonders eklatant ist. SERCOS III: Für SERCOS III wurde eine typische FPGA-Lösung angenommen. Betriebskosten bestehen hauptsächlich aus den Aufwendungen für die Wartung und die Netzwerkadministration. Einige Technologien wie EtherNet/IP mit CIP Sync und PROFINET IRT sind hochkomplex und können deshalb erhebliche Netzwerkadministrationskosten verursachen. Außerdem erfordert die Nutzung von Managed Switches Netzwerkkenntnisse. Zur Wartung und Inbetriebnahme muss oft ein Netzwerkingenieur vor Ort sein. Bei Echtzeit-Kommunikation ist die verwendete Technologie zur Synchronisation ein wichtiges Kriterium. Bei POWERLINK und SERCOS III wird die Synchronisation durch einen vom Master verwalteten Mechanismus realisiert, der sehr präzise und für Fehler nicht anfällig ist. PROFINET IRT und EtherNet/IP mit CIP Sync sind abhängig vom Synchronisationsmechanismus entsprechend IEEE 1588. Das erhöht die Komplexität der Netzwerkadministration erheblich, insbesondere wenn Geräte, die durch Hardware- oder Softwareursachen eine fehlerhafte Synchronisation auslösen, isoliert werden müssen. Funktionen wie Hotplugging – die Möglichkeit, Geräte im laufenden Betrieb auszutauschen – können ebenfalls die Wartungskosten deutlich senken: Das Ersatzgerät wird ohne Beeinträchtigung der EchtzeitFunktion des Systems aktualisiert und konfiguriert. Kosten PROFINET RT | IRT Anschaffungskosten o Betriebskosten o POWERLINK EtherNet/ IP EtherCAT SERCOS III + o + o + o + + 25 OPC UA und Industrial Ethernet | Was ist OPC UA? OPC Unified Architecture (OPC UA) ist ein herstellerunabhängiges Kommunikationsprotokoll für Automatisierungsanwendungen in der Industrie. Es basiert auf dem Client-Server-Prinzip und ermöglicht die durchgängige Kommunikation vom ERP-System bis zu einzelnen Sensoren und Aktoren. Das Protokoll ist plattformunabhängig und verfügt über eingebaute Sicherheitsmechanismen. Da OPC UA flexibel und vollständig unabhängig ist, wird es als ideales Kommunikationsprotokoll für die Umsetzung von Industrie 4.0 angesehen. Die Entstehung von OPC Das ursprüngliche OPC – heute auch als OPC Classic bezeichnet – wurde in den 90er Jahren entwickelt, um Daten in der industriellen Fertigung herstellerunabhängig auszutauschen. OPC (OLE for Process Control) basiert auf den Microsoft-Technologien OLE beziehungsweise COM/DCOM. Die Weiterentwicklung zu OPC UA Um die Abhängigkeit von Windows-basierten Systemen zu beseitigen und zahlreiche weitere Neuerungen zu implementieren, wurde 2006 der Nachfolgestandard OPC UA spezifiziert. Basis für OPC UA bildet ein eigener Kommunikations-Stack. OPC UA ist zu 100% hersteller- und plattformunabhängig und kann zum Beispiel auch über das Internet übertragen werden. Alle Funktionen von OPC Classic sind in OPC UA enthalten. Zudem wurde das Informationsmodell vereinheitlicht. Um Prozessdaten, Alarme, historische Daten und Programmaufrufe abzubilden, reicht ein Server aus. Security vollständig integriert Das Protokoll verfügt über mehrere integrierte Sicherheitsmechanismen. User Level Security, Application Level Security und Transport Level Security können je nach Bedarf einzeln oder kombiniert eingesetzt werden. Dabei setzt OPC UA auf sichere X.509-Zertifizkate. Damit erfüllt das Protokoll strenge IT-Sicherheitsrichtlinien. Die OPC Foundation Die OPC Foundation ist ein unabhängiges Gremium, das den Standard OPC UA spezifiziert und weiterentwickelt. Die OPC Foundation hat mehr als 450 Mitglieder, darunter alle großen Automatisierungshersteller. Vendor Information Model Industry Standards Information Models (Companion Specifications: FDI, PLCopen, POWERLINK, …) 26 AC HA Information Access (Data Model and Services) Transport – Protocol Mappings Discovery Prog Robustness Security DA Information Models OPC UA Base Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition ȕŘÞ¯Þs_NjOÌÞǼsOǼȖNjs Was bringt OPC UA dem Anwender? OPC UA ermöglicht den Transport von Rohdaten und vorverarbeiteten Informationen von der Sensor- und Feldebene bis hinauf zum Leitsystem und in die Produktionsplanungssysteme. Schnittstellen, Gateways und die einhergehenden Informationsverluste gehören der Vergangenheit an. OPC UA ermöglicht es, Produktionsdaten, Alarme, Events und historische Daten in einen OPC-UA-Server zu integrieren. Damit kann zum Beispiel ein Messgerät für Temperatur als ein Objekt dargestellt werden, das Temperaturwert, Alarmparameter sowie entsprechende Alarmgrenzen beinhaltet. Diese Informationen stehen jedem OPC-UA-Client zur Verfügung. Daten werden zu wertvollen Informationen Um Daten über Hersteller- und Plattformgrenzen hinweg nutzbar zu machen, werden sie von OPC UA in Informationen übersetzt, die den nötigen Kontext beinhalten, mit dem jedes OPC-UA-fähige Gerät die Daten interpretieren und nutzen kann. Dieser Prozess wird als Datenmodellierung bezeichnet. In den OPC-UA-Spezifikationen sind allgemein gültige Informationsmodelle enthalten. Auf Basis dieser Modelle können bei Bedarf weitere Modelle ergänzt werden. Die wichtigsten Modelle sind: Prozessdaten (DA) Sensoren, Regler und Positionsgeber erzeugen Prozessdaten. Mit dem OPC-UA-Informationsmodell Data Access (DA) werden diese Daten allen Clients im Netzwerk so zur Verfügung gestellt, dass sie direkt weiterverarbeitet werden können. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich bei dem Client um eine Steuerung, ein SCADA- oder ein ERP-System handelt. Alarmdaten (AC) Das Informationsmodell Alarms and Conditions definiert, wie Alarme und Zustände gehandhabt werden. Ein Alarm oder eine Zustandsänderung lösen ein sogenanntes Event aus. Clients können sich für solche Events anmelden und auswählen, welche der verfügbaren Begleitwerte sie als Teil des Eventreports erhalten wollen (z.B. den Meldungstext oder das Quittierverhalten). Historische Daten (HA) Das Informationsmodell Historical Access (HA) ermöglicht dem Client Zugriff auf historische Variablenwerte und Events. Er kann diese Daten lesen, schreiben oder ändern. Die Daten können sich in einer Datenbank, in einem Archiv oder in einem anderen Speicher befinden. Programme und Funktionen (Prog) Mit dem Informationsmodell Programs (Prog) werden Programme oder Funktionen aufgerufen. Damit können zum Beispiel Batch-Prozesse gehandhabt werden. Rezepte werden über OPC UA an die Anlage gesendet und Kontrollwerte in die Applikation eingelesen. 27 Echtzeitfähigkeit für OPC UA Bei komplexen Prozessen mit Echtzeitanforderungen ist OPC UA bisher an seine Grenzen gestoßen. Daher arbeitet die OPC Foundation unter anderem an 2 Erweiterungen, die OPC UA zum echtzeitfähigen Kommunikationsstandard machen sollen: Zum einen wird OPC UA um ein Publish/ Subscribe-Modell erweitert. Zum anderen soll es zukünftig auch auf dem Time-Sensitive-Networks-Standard (IEEE 802.1) aufsetzen. Publish/Subscribe-Modell OPC UA arbeitet bisher mit einem Client/Server-Mechanismus. Ein Client fragt eine Information an (Request) und erhält eine Antwort von einem Server (Response). Dieses System stößt unter anderem an seine Grenzen, wenn bestimmte Informationen zu einem exakt definierten Zeitpunkt bei verschiedenen Clients ankommen müssen. Das Publish/SubscribeModell hingegen ermöglicht eine One-to-many- sowie eine Many-to-many-Kommunikation. Ein Server sendet seine Daten in das Netzwerk (Publish) und jeder Client kann diese Daten empfangen (Subscribe). Zudem kann ein exaktes Zeitfenster angegeben werden, in dem Daten übertragen werden. 28 Echtzeitfähigkeit für Standard-Ethernet Das Publish/Subscribe-Modell alleine ist nicht ausreichend, um eine Echtzeitfähigkeit von OPC UA zu erreichen. Daher setzt die OPC Foundation auf Time Sensitive Networking (TSN). Darunter wird die Erweiterung des Ethernet-Standards IEEE 802 um diverse Echtzeitfunktionalitäten verstanden. Automobilbranche treibt TSN Da die Automobilbranche auf TSN setzt, werden die nötigen HalbleiterBaugruppen sehr schnell und vergleichsweise kostengünstig verfügbar sein. Ziel der Automobilbranche ist es, auch Steuerungsaufgaben und Anwendungen, die die funktionale Sicherheit betreffen, über Ethernet abzuwickeln. Dafür sind Zykluszeiten im Echtzeitbereich und ein deterministisches Netzwerkverhalten Grundvoraussetzung. OPC UA als Standard für Produktionsanlagen OPC UA spielt bereits heute eine zentrale Rolle in allen IT-nahen Bereichen der modernen Fertigung. Mit TSN und dem Publish/SubscribeMechanismus werden die Einsatzmöglichkeiten von OPC UA deutlich ausgebaut. Eine durchgängige sichere Ethernet-Kommunikation vom ERP-System bis zum Sensor lässt sich ohne großen Aufwand umsetzen. Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition OPC UA vs. Industrial Ethernet OPC UA basiert auf modernen serviceorientierten Architekturen (SoA) und ist die ideale Ergänzung bestehender Feldbuslösungen. Darüber hinaus ist OPC UA der Schlüssel für eine 100% durchgängige und einheitliche Kommunikationslösung für komplette Produktionsanlagen – unabhängig von den jeweiligen Feldbussen oder Industrial-EthernetSystemen. Entsprechende Companion-Spezifikationen wurden bereits für POWERLINK, Profinet, EtherCAT und Sercos angekündigt. Damit wurde OPC UA als globaler Defacto-Standard für die höheren ProtokollLayer verabschiedet. OPC UA (Service-oriented Architecture) POWERLINK PROFINET EtherCAT IEEE802 Ethernet SERCOS III OPC UA und POWERLINK Gemeinsam arbeiten die OPC Foundation und die EPSG derzeit an der vollständig schnittstellenfreien Kommunikation innerhalb und zwischen Produktionssystemen. Dazu wird eine gemeinsame Companion Specification erstellt. Alle Maschinendaten werden vom OPC-UA-Server in der Maschinensteuerung gemappt, also standardisiert bereitgestellt. Zukünftig kann OPC UA auch vollständig in das POWERLINK-Protokoll integriert werden. POWERLINK nutzt dabei die Möglichkeit in seiner asynchronen Phase, also unabhängig von den Echtzeitdaten, beliebige Ethernet-Daten zu transportieren. Damit entfallen sämtliche Schnittstellen, ein Gateway zwischen IT-Welt und POWERLINK ist nicht nötig. So kann ein SCADA-System via OPC UA zum Beispiel direkt auf einen Sensor zugreifen, Parameter ändern und Diagnoseinformationen abrufen. Alle OPC UA Services sind uneingeschränkt verfügbar. OPC UA wurde als Defacto-Standard ausgewählt. 29 Safety-Funktionalität | Die Sicherheitsanforderungen im Produktionsumfeld zu erfüllen, wurde im Laufe der vergangenen zehn Jahre zu einer stark wachsenden Herausforderung. Die Einführung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG durch die Europäische Union führte dazu, dass Maschinen- und Anlagenhersteller ihre Aufmerksamkeit verstärkt auf diese Thematik legten. Sie müssen umfassende Lösungen entwickeln, die den Schutz der Arbeitenden vor Verletzungen und der Maschinen vor Beschädigungen und zugleich die Produktivität maximieren. 30 Die neuen Normen führten dazu, dass neue Maschinen strenge Zertifizierungsverfahren absolvieren müssen und zu erhöhten Leistungsanforderungen an die verwendeten Sicherheitskomponenten. Unterstützt durch eine Vielfalt innovativer Safety-Produkte ermöglichten sie auch eine Änderung des Zugangs zur Konzeption von Sicherheitslösungen. Nicht länger ist ein Not-Aus, der sofort alle Teile einer Maschine zum Stillstand bringt, die einzige sichere Reaktion auf ein Eindringen in die Gefahrenzone. Intelligente sichere Antriebsfunktionen (Smart Safe Reactions), etwa fortgesetzter Betrieb mit sicher reduzierter Geschwindigkeit, bieten in vielen Fällen ausreichenden Schutz und erhöhen die Produktivität durch Reduktion der Wiederanlaufzeit. In vielen Fällen – besonders im Einrichtebetrieb – ermöglichen sie eine sichere Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Auf den ersten Blick können die hartverdrahteten Lösungen kostengünstiger wirken. Durch die geringeren Preise der einzelnen Hardwarekomponenten kann das auch in manchen Fällen zutreffend sein, nicht jedoch bei Betrachtung der Sicherheitslösung in ihrer Gesamtheit. Für Systeme, deren Komplexität über einen einzelnen Not-AusTaster hinausgeht, werden netzwerkintegrierte Sicherheitssysteme bevorzugt. Diese kommen mit weniger Komponenten und Verkabelungsaufwand aus und bieten im Gegensatz zu hartverdrahteten Lösungen durch Konfiguration und Parametrierung eine höhere Flexibilität in der Entwicklung von sicheren Applikationen. Die zudem vereinfachte Fehlerdiagnose führt in Kombination mit zentraler Datenhaltung zu schnellerer Rückkehr in den Produktivbetrieb. Erreicht wird die maximale Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen mittels integrierter Sicherheitstechnik durch: – mit dem Netzwerk direkt verbundene Sicherheitssensoren – direktes Auslesen der Geräteinformationen – vereinfachte Wartung dank automatischer KomponentenParametrierung über das Netzwerk – sichereres Umschalten zwischen Betriebszuständen durch Parametersetzen im Betrieb – verringerte Reaktionszeit durch Eliminieren der Relais-Verzögerung – von Netzwerk und sicherheitsgerichteter Software unterstütztem modularen Aufbau – erhöhte Verfügbarkeit als Ergebnis umfassender Diagnose – Reduktion von Komponentenanzahl und Verkabelungsaufwand – größere Vielfalt von Safety-Funktionen (Sicherer Betriebshalt, sicher begrenzte Geschwindigkeit, …) Funktionsweise Sicherheitsapplikationen werden auf Basis zertifizierter Software unter Verwendung von Funktionsblöcken wie Zählern, Zeitgliedern oder Geschwindigkeits-Überwachungsbausteinen programmiert. Ausgeführt auf dedizierten Sicherheitssteuerungen ersetzen sie die hartverdrahtete, traditionelle Sicherheitsschaltung. Die Umsetzung der Sicherheitsanwendung in Software reduziert die Anzahl von Sicherheitskomponenten und I/O-Modulen. Gemeinsam mit dem Ersatz der diskreten Verkabelung durch Übertragung der Sicherheitsdaten über die bestehenden Netzwerkverbindungen minimiert das wesentlich Kosten und Komplexität von Sicherheitseinrichtungen. Durch Verwendung existierender Netzwerkverbindungen benötigen wechselnde Maschinenausführungen und Optionen keine eigenen sicherheitstechnischen Verbindungen. Das erhöht zusätzlich Flexibilität und Freiheit der Entwicklung sicherheitsgerichteter Anwendungen. Auch ist für die Übertragung von Diagnosesignalen keine zusätzliche Hardware erforderlich. Insgesamt beschleunigt die Verwendung integrierter Sicherheitslösungen die Entwicklung und führt zu einer wesentlich verkürzten Time-to-Market. 31 Das Black-Channel-Prinzip | Sicherheits-Feldbusse Sicherheitsgerichtete Feldbusse vereinfachen die Verteilung von Komponenten in einer Maschine oder Anlage. In den meisten Fällen genügen zwei Kabel, eines für die Stromversorgung und eines für die Datenkommunikation. Sensoren können direkt mit dem Sicherheitsnetzwerk verbunden werden. Sie benötigen keine zusätzlichen Kabel für die Rücklieferung von Diagnosedaten. Das führt zu einer Reduktion der benötigten Hardware-Komponenten. Unter Verwendung des Black-Channel-Prinzips werden sicherheitsrelevante Daten und Diagnose-Informationen über das bestehende Netzwerk ausgetauscht, was kürzere Reaktionszeiten ermöglicht. Auch können sicherheitsgerichtete Feldbusse die sichere Übertragung von Konfiguration und Parametern über das Netzwerk ermöglichen. Einige Protokolle gestatten darüber hinaus, das Nachladen der Parameter in den Sensor im Fall von Änderungen am Betriebsmodus und vermeiden dadurch die Notwendigkeit, nach einem Komponententausch direkt am Gerät Parameter einzustellen. All dies führt zu maximierter Produktivität und reduzierten Stillstandszeiten. Safety Applikation Standard Applikation Safety-Layer Kommunikationsprotocol Sicherheitsdatentransport über reguläre Bus- oder Netzwerkleitungen Das Black-Channel-Prinzip erlaubt die Übertragung sicherer und nicht sicherer Prozessdaten über dieselbe Netzwerk- oder Busleitung. Unabhängig vom auf dieser Leitung verwendeten regulären Datentransportmechanismus können Safety-Komponenten Daten mittels eines isolierten sicheren Protokolls übertragen. Da es sich bei sicheren Feldbussen um reine Applikationsprotokolle ohne eigene physikalische Eigenschaften handelt, sind die verfügbare Bandbreiten und Zykluszeiten vom verwendeten Datentransportprotokoll abhängig. Die Fehlermöglichkeiten, die während einer Datenübertragung auftreten können und die entsprechenden Gegenmaßnahmen sind in der Norm IEC 61784-3 angeführt. Ihre Vermeidung muss als Kernbestandteil des Sicherheits-Datenübertragungsprotokolls implementiert werden. Die erforderliche Qualität der Übertragungsfehlererkennung ist abhängig vom Sicherheitslevel, das zu erreichen ist. Safety Applikation Standard Applikation Safety-Layer Safety Layer Kommunikationsprotocol “Black Channel” Industrial Ethernet, Feldbus, Backplanes... Black-Channel-Mechanismus 32 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Funktionsweisen der Systeme | CIP Safety Das Protokoll „CIP Safety“ wurde für die sichere Datenübertragung über EtherNet/IP oder DeviceNet spezifiziert. Unter Verwendung des bereits existierenden Dienstes CIP (Common Industrial Protocol), nutzt das Protokoll CIP Safety den Producer/Consumer-Mechanismus für den Datenaustausch zwischen sicheren Knoten. In diesem Zusammenhang werden Consumer als „Originator“ und Producer als „Target“ bezeichnet. Die sichere Zeitsynchronisation zwischen Producern und Consumern erfolgt per Chronologieüberwachung. Sofern zwischen allen Knoten im Netzwerk Synchronität herrscht, kann die Entstehungszeit sicherer Meldungen mittels Zeitstempel bestimmt werden. Diese Methoden garantieren die Aktualität verarbeiteter Daten. Für die Übertragung sicherer Daten werden „Safety Validator Objects“ verwendet. Diese organisieren und garantieren die Integrität von Meldungen in CIP Safety Netzwerken. Diese Objekte bilden auch die Brücke zwischen der Safety-Kommunikation und dem verwendeten Feldbus oder Netzwerk. Zur Datenübertragung bietet das Protokoll Einzelübertragung oder Multicast-Verbindungen. Ihre Verwendung Pneumatic Valves AC Drives Semi Devices hängt von der Fähigkeit des verwendeten Kanals zur Unterstützung einer dieser Verbindungen ab. Für die Berechnung der CRC (Cyclic Redundancy Check) verwendet das Protokoll CIP Safety fünf verschiedene Formate von 8 bis 32 Bit CRC. Das hängt davon ab, ob die Datengröße ein oder zwei Byte oder zwischen drei und 254 Byte beträgt und von dem durch Prüfsummenberechnung abgedeckten Datenbereich. Zur eindeutigen Identifikation der sicheren Knoten dient ein „Unique Node Identifier“ (UNID). Dabei handelt es sich um eine Kombination aus einer Netzwerk-ID und der Knotenadresse, die der MAC-Adresse entspricht. Er kann manuell mittels DIP-Schalter oder per Software-Konfiguration eingestellt werden. Während des Hochfahrens prüft der Originator die Anwesenheit der konfigurierten UNIDs im Netzwerk. Weitere Parameter wie Zeit­überschreitungs-Verzögerungen, Ping-Intervalle oder die maximale Knotenanzahl werden mithilfe eines Safety Configuration Tools (SNCT) konfiguriert. Other Profiles Safety I/O Block Other Safety Profiles Object Library Safety-Specific Object Library Data Management Services Explicit Messages, I/O Messages Safety Layer Common CIPSafety Industrial Protocol (CIP) Connection Management, Routing TCP UDP DeviceNet Transport ControlNet Transport Ethernet CSMA/CD CAN CSMA/NBA ControlNet CTDMA Ethernet Physical Layer DeviceNet Physical Layer ControlNet Physical Layer EtherNet/IP DeviceNet Contr olNet Internet Protocol (IP) Network Adaptions of CIP 33 PROFIsafe PROFIsafe verwendet für die Übertragung von Sicherheitstelegrammen den „Master-Slave”-Mechanismus. Der üblicherweise als „FHost“ bezeichnete Master tauscht mit all seinen „F-Devices“ genannten Slaves zyklisch sicherheitsrelevante Daten aus. Jedes F-Device hat einen F-Driver, der die Koordination sicherer Meldungen namens „Safety PDUs“ (Protocol Data Unit) zwischen F-Host und F-Device koordiniert. Die CRC-Berechnung der PDUs ist abhängig von der zu übertragenden Meldungslänge. Dabei werden „Slim PDU“ bis 12 Byte und „Long PDU“ bis 123 Byte unterschieden. CRC 24 wird für Slim PDU verwendet, während für Long PDUs CRC 32 zum Einsatz kommt. Damit Meldungsempfänger das Eintreffen der Telegramme in der korrekten Reihenfolge überprüfen können, verwendet PROFIsafe fortlaufende Nummern für die Safety-Telegramme. Zusätzlich stellt die Überwachung der nach dem Empfang jedes Telegramms zurückgesetzten Toleranzzeit (F-Watchdog Time) sicher, dass stets die aktuell gültigen Telegramme gelesen werden. Die sogenannten F-Parameters (PROFIsafe Parameters) bieten einen Identifikator mit eindeutiger Unterscheidung zwischen F-Host und F-Device. Obwohl die Adressen (Unique Codename) der F-Devices automatisch an diese versendet werden, müssen die Zieladressen direkt am Gerät per DIP-Schalter eingestellt werden. Die F-Devices erhalten ihre Konfiguration per Übertragung der F-Parameter über die „GSD“ (General Station Description) und der I-Parameter (individual F-Device Parameter). Diese Parameter werden im iPar-Server verwaltet, von wo sie über standardisierte Schnittstellen an ein PROFIsafe-Gerät übertragen werden. Üblicherweise ist der iPar-Server in ein Entwicklungswerkzeug namens „CPD-Tool“ (Collaborative Product Design) integriert. Um ein F-Device vollständig zu konfigurieren, muss für ein Produkt eine GSD-Datei erzeugt und eine Schnittstelle zu dem CPDTool gewährleistet werden. User Program (Logic Operations) F-Device Technology (e.g. Laser Scanner) iParameter Services Services F-Host Diver Instance F-Device Driver F-Parameter State Machine State Machine PROFIsafe Message CRC Input Data 34 Control Byte Output Data Status Byte CRC Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition openSAFETY openSAFETY wurde mit dem Ziel der Übertragung sicherheitsrelevanter Daten über beliebige Feldbusse oder Netzwerke geschaffen. Es kann mit allen Feldbussen verwendet werden, ob Ethernet-basiert oder nicht. Für die Übertragung von Safety-Daten wird das Producer/ConsumerModell verwendet. Ein Vorteil dieses Systems ist, dass alle Consumer in einem openSAFETY-Netzwerk die Nachrichten des Producers empfangen und in Folge verarbeiten können. Jeder openSAFETY-Knoten hat eine eindeutige UDID (openSAFETY Unique Device Identification). Während des Hochlaufes prüft der Safety Configuration Manager den Gerätetyp und die UDID und entdeckt so automatisch, dass die korrekte Netzwerkkonfiguration vorliegt. Dann werden nach Bestätigung durch den Benutzer die erforderlichen Parameter an die sicheren Knoten (Safety Nodes, SN) übertragen. Die automatische Konfiguration verkürzt die Wartungszeit und erhöht somit die Verfügbarkeit der Maschine. Das openSAFETY Object Dictionary (SOD) verwaltet die Parameter und die Konfiguration jedes einzelnen Knotens. Diese werden unter Verwendung von Safety Service Data Objects (SSDO) an die Safety-Knoten übertragen. Nach Abschluss der Konfiguration der Knoten und der Boot-Phase beginnt die zyklische Datenübertragung zwischen Producer und Consumer. Zur Übertragung sicherheitskritischer Prozessdaten werden Safety Process Data Objects (SPDO) verwendet. Der openSAFETYFrame besteht aus zwei Subframes. Er kann maximal 240 Byte Sicherheitsdaten transportieren, wobei für Nutzdaten von 1 bis 8 Byte CRC 8 verwendet wird und CRC 16 für Nutzdaten von 9 bis 254 Byte. Mit openSAFETY lassen sich sehr große Netzwerke aufbauen. Für jede openSAFETY-Domain (SD) können bis zu 1.023 sichere Knoten verbunden werden. Da sie vom SCM angesprochen werden, sind keine zusätzlichen Hardware-Schalter erforderlich. Die maximale Gesamtkonfiguration eines openSAFETY-Netzwerks hat 1.023 openSAFETYDomains mit insgesamt mehr als einer Million sicherer Knoten. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Domains erfolgt über das openSAFETY Domain Gateway (SDG). Safety Related Application Modbus/TCP SERCOS III ... USB RS485 EtherNet/IP IO-Link PROFINET LVDS POWERLINK CAN Industrial Ethernet TCP/IP openSAFETY 35 FSoE Fail Safe over EtherCAT (FSoE) ist ein Protokoll zur Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten über EtherCAT unter Verwendung eines FSoE Masters und FSoE Slaves. In jedem FSoE-Zyklus sendet der Master seine Safety-PDU (Protocol Data Unit) an den Slave und startet zugleich einen Watchdog Timer. Der Slave verifiziert und berechnet die Daten vor der Rückübermittlung an den Master. In diesem Fall startet auch der Slave eine Laufzeitüberwachung per Watchdog Timer. Der Master empfängt und verarbeitet die Daten wie beim Slave beschrieben und hält den Watchdog Timer an. Erst nach vollständiger Ausführung dieses Zyklus generiert der Master eine neue Safety-PDU. Aufgrund dieses Mechanismus ist die sichere Kommunikation stets von der verwendeten Hardware und Topologie abhängig. während der Hochlaufsequenz generieren sowohl der Master als auch die Slaves eine „Sequence Number”, die für jede Nachricht von 0 bis 65535 reicht. Damit wird sichergestellt, dass nur aktuell gültige Meldungen verarbeitet werden. Die Adressierung der einzelnen Geräte erfordert die Vergabe eindeutiger Nummern durch Hardware-Einstellung mittels DIP-Schalter. Jeder FSoE-Master enthält einen „FSoE Master Handler“, der mit den Slaves über einen „FSoE Slave Handler“ kommuniziert. Optional erlaubt ein zusätzlicher „FSoE Slave Handler“ zur Implementierung im Master die Kommunikation zwischen verschiedenen Mastern innerhalb eines Netzwerks. Zur Absicherung der zu übertragenden PDUs wird für je 2 Byte Safety-Daten einmal CRC 16 verwendet. Für die Übertragung von 10 Byte Daten wird also fünfmal CRC 16 angewendet. Die Adressbeziehung zwischen Master und Slave wird „FSoE-Connection“ genannt und durch eine eindeutige Verbindungs-ID gekennzeichnet. Die 16-Bit Connection-ID wird vom Master an die einzelnen Slaves übertragen. Für die Ausstattung jedes Slaves mit einer eindeutigen ID müssen die Anwender sorgen. Für die korrekte Identifikation Das Setzen der Parameter selbst ist nicht spezifiziert. Der Parametriervorgang muss in der vom Anwender programmierten Applikationssoftware erledigt werden. Die FSoE-Spezifikation beschreibt die erforderlichen Parameter nicht. Dafür Sorge tragen, dass die einzelnen FSoESlaves ihre korrekten Parameter erhalten, müssen die Anwender. Safety-over-EtherCAT Software Architecture Safety Application Application Safety Objects Safety Data Safety Management Application Layer (AL) EtherCAT Data Link Layer (DL) EtherCAT Physical Layer 36 Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Integrierte Safety-Systeme im Vergleich | Zertifizierungen Technologie Kriterien CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE BlackChannel basiert + + + + IEC 61784-3 + + + TÜV Rheinland IFA TÜV Süd IFA TÜV Süd TÜV Rheinland Zertifizierungsinstitution CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE Unterstützung von NutzdatenDuplizierung + – + – + Unterstützung für MulticastMeldungen + – + – TÜV Süd Sicherheitsgeräte-Konfiguration + o + o Sichere Bewegungssteuerung (Safe Motion Control) + + + + Generell erfüllen die verschiedenen integrierten Sicherheitstechnologien alle gleichermaßen die Sicherheitsanforderungen. Sie basieren alle auf dem „Black Channel”-Prinzip, sind in der IEC 61784-3 angeführt und bis SIL 3 zertifiziert. Versteckt hinter den reinen Sicherheitsaspekten gibt es jedoch relevante Kriterien, die bestimmen, ob eine Technologie von Komponentenherstellern oder Endkunden angenommen wird. Entscheidende Unterscheidungsmerkmale sind die Einfachheit der Integration der Technologien in die Anwendung für die jeweilige Problemlösung. Kriterien CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE SIL3 zertifiziert (IEC 61508) + + + + Für SIL4 geeignet o o + o Die Technologie von openSAFETY ist bis SIL3 zertifiziert. Obwohl bislang noch nicht dafür zertifiziert, ist das Kernprinzip dieser Technologie einschließlich der Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion im Anforderungsfall (Probability of Failure on Demand, PFD) für SIL4 geeignet. Kriterien Technologie-Überlegungen haben große Bedeutung bei der Entwicklung von Safety-Geräten. In Abhängigkeit von der Komplexität der Safety-Frames kann deren Zusammenstellung unerwünschte zusätzliche Implementierungsarbeit erforderlich machen. Unterstützung von Multicast-Meldungen hilft, kurze Reaktionszeiten zu erreichen. Diese können wiederum Auswirkungen auf den Gesamtentwurf einer Maschine oder Anlage haben, beispielsweise durch Reduktion der Stellfläche von Maschinen. Nach Wartung oder Gerätetausch sollten Safety-Slaves vom Master automatisch konfiguriert werden. Damit Geräte von verschiedenen Mastern konfiguriert werden können, müssen die Konfigurationsschnittstellen eindeutig spezifiziert sein. Zur Abdeckung dieser Anforderung für PROFIsafe wurde der iPar-Server entwickelt. Sein Interoperabilitätsstatus auf dem Markt ist unklar, denn in der Vergangenheit kamen die Konfigurationsdaten vom Hersteller des verwendeten Masters statt aus dem System. FSoE bietet einen sicheren Parametrierungskanal zur Übertragung sicher gekapselter Daten an die sichere Applikation. Ein Adressierungsschema für die sicheren Applikationsparameter existiert nicht. 37 Geräte-Implementierung Kriterien Integration CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE Stack-Kompatibilität o o + – o Leistung o o + o + o Adressierung + – + – o + + Sichere Reaktionszeit o o + o o + o – + + + – CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE Rechtliche Beschränkung + – + – Investitionssicherheit o + + Time-ToMarket + + Implementierungskosten – Aktueller Marktanteil Verfügbarkeit zertifizierter Stacks Die wichtigsten Überlegungen von Geräteherstellern betreffen Unabhängigkeit und Implementierungskosten. In diesem Vergleich wurden alle Kosten für Lizenzgebühren, Software-Stack, Konformitätsprüfungen und Zertifizierung ebenso berücksichtigt wie die Komplexität der Technologien und ihre Auswirkung auf die für die Implementierung benötigten Ressourcen und Kosten. ProfiSAFE und FSoE sind auf die Protokolle ihrer Nutzerorganisationen beschränkt. Das kann zur Notwendigkeit führen, mehrere Sicherheitsprotokolle zu implementieren, wenn mit unterschiedlichen Automatisierungssystemen und Feldbussen ausgestattete Maschinen kombiniert werden. Für CIP Safety ist die Implementierung eines dedizierten CIP Abstraction Layers innerhalb des Black Channel erforderlich, was den Entwicklungsaufwand erhöht. Kriterien CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE EtherCAT – Unterstützte Industrial Ethernet Protokolle EhterNet/IP SERCOSIII PROFINET PROFINET EtherCAT EtherNet/IP Modbus POWERLINK PROFINET SERCOSIII Open-Source Implementierung verfügbar – – + Der openSAFETY Stack ist derzeit die einzige Open-Source-Software für Sicherheitskommunikation. Technisch wie rechtlich betrachtet ist openSAFETY völlig technologieunabhängig. 38 Kriterien Zur Sicherstellung der Kompatibilität zwischen Safety-Produkten unterschiedlicher Hersteller ist die Kompatibilität aller Stacks auf dem Markt essentiell. Da es für openSAFETY nur einen Stack gibt, steht die Kompatibilität außer Frage. Für FSoE Slave-Implementierungen ist kein Stack verfügbar. In einem Sicherheitsnetzwerk müssen alle Knoten eindeutige IDs haben. Zur Vermeidung von Parametrierfehlern sollte die Adressierung automatisiert erfolgen. Die Protokolle PROFIsafe und FSoE erfordern jedoch eine manuelle Adresseinstellung jedes Safety-Gerätes mittels DIP-Schalter. Irrtümer können – vor allem in Wartungssituationen – leicht zu fehlerhafter Parametrierung führen. Auch ist es sehr schwierig, unter Verwendung von Hardwareschaltern modulare Maschinenkonzepte zu entwickeln, da diese Form der Adressierung stets starr ist. Zudem können im Fall einer Fehlbedienung die Sicherheitskomponenten falsche Parameter erhalten. openSAFETY folgt dem Producer/Consumer-Prinzip und unterstützt direkte Querkommunikation. Das führt zu außerordentlich kurzen Reaktionszeiten. Alle Sicherheitsmeldungen wie bei PROFIsafe und FSoE über den Master zu leiten verlängert die Zykluszeiten. Dadurch geht wertvolle Zeit für sichere Reaktionen verloren. Da CIP Safety zur Unterstützung von Querkommunikation Originator-Funktionen benötigt, ist eine Querkommunikation zwischen Slaves (Targets) nicht möglich. Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme 3rd Edition Performance Signalverzögerung – wertvolle Reaktionszeit verstreicht. Da der NotAnhalteweg einer Bewegungsachse mit dem Quadrat der Fehler-Reaktionszeit und der negativen Beschleunigung zunimmt, führt die Vervierfachung der Signalübertragungszeit zu einer 16-fachen Verlängerung des Anhaltewegs im Notfall. Da es sich bei Safety-Protokollen um Applikationsprotokolle handelt, ist die Performance eines Sicherheits-Netzwerks vom darunterliegenden Datenübertragungsprotokoll abhängig. Die Wahl des Basisprotokolls bestimmt die verfügbare Kommunikationsbandbreite und die Zykluszeiten, aber auch funktionale Merkmale wie die Hotplug-Fähigkeit oder Datenkommunikation über Querverkehr. Der Querverkehr hat entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit sicherheitsgerichteter Systeme. In Netzwerken, die Querkommunikation unterstützen, können Signale von jedem Safety-Knoten ohne den Umweg über einen Master direkt an einen oder mehrere andere Safety-Knoten übertragen werden. Das ermöglicht in gefahrvollen Situationen optimierte Reaktionszeiten. In Netzwerken ohne Unterstützung für Querverkehr senden die Safety-Knoten ihre Signale an einen Feldbus-Masterknoten, der diese zur Bestätigung an den Safety Master des Netzwerks weiter leitet. Es wird daraufhin an den Feldbus-Masterknoten zurück übertragen, der es schließlich dem empfangenden Safety-Knoten weiterreicht. Im Vergleich zum direkten Datenaustausch per Querverkehr verursacht dieser Prozess die vierfache openSAFET Y Kriterien CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE CRC-Bereich 8-32 Bit 24-32 Bit 8-16 Bit 16 Bit Erforderliche CRC-Berechnungen pro 20 Byte Nettodaten 2 1 2 10 Anzahl unterschiedlicher CRC 5 2 2 1 Die erforderliche Anzahl unterschiedlicher Prüfsummen erhöht die Komplexität der Implementierung und führt in Folge zu erhöhten Entwicklungskosten. Zusätzlich kann die Berechnung multipler CRCs zu deutlich langsameren Reaktionen auf Sicherheitsverletzungen führen. Failsafe over EtherCAT POWERLINK Master EtherCAT Master Safe PLC Safe PLC 3 2 4 Safe Sensor 1 Safe Motion X Safe Sensor 1 Safe Motion X Aufgabe: (X) Sicherer Sensor muss Daten an sichere Bewegungssteuerung senden Aufgabe: (X) Sicherer Sensor muss Daten an sichere Bewegungssteuerung senden Lösung: (1) Sicherer Sensor sendet Daten an sichere Bewegungssteuerung Lösung: (1) Sicherer Sensor sendet Daten an EtherCAT Master (2) EtherCAT Master gibt Daten weiter an Safety Master (3) Safety Master sendet Daten an EtherCAT Master (4) EtherCAT Master reicht Daten weiter an Safe Motion Beispiele für kürzere Datenübertragungszeiten durch Querverkehr: Die Querkommunikation ermöglicht Safety-Knoten, direkt miteinander zu kommunizieren (links), während in einem System, das Querverkehr nicht unterstützt, die Signalwege viermal länger sind (rechts). 39 „INDUSTRIALETHERNETFACTS“ ist eine Information der EPSG – ETHERNET POWERLINK STANDARDIZATION GROUP. POWERLINK-Office Bonsaiweg 6 15370 Fredersdorf · Germany Fon: +49 33439 539 270 Fax: +49 33439 539 272 [email protected] www.ethernet-powerlink.org © Urheberrechte Titel und Layout von „INDUSTRIALETHERNETFACTS“ sind urheberrechtlich geschützt. Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vorheriger Genehmigung der Redaktion. MM-BR-PL-IEF-DE-03 INDUSTRIALETHERNETFACTS MÄRZ 2016 DEUTSCH Impressum