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TRANSCRIPT
POWERLINK Basics
Systemübersicht
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IT (Office, Internet)
Site level
Fieldbus technology Industrial Ethernet
Process level
Control level
Gateways FieldbusEthernet
IT (Office, Internet) StandardEthernet
IndustrialEthernet
Real-timeEthernet
+ + +
– + +
– – +
Warum Echtzeit Industrial Ethernet?
In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurde in der
Automatisierungsbranche eine große Zahl neuer
Feldbusentwicklungen auf die Datenkommunikation
der Prozess- und Fertigungssteuerung ausgelegt.
All diese Busse aber unterliegen unterschiedlichsten
Einschränkungen. Deshalb wuchs das Bedürfnis
nach einem einheitlichen zuverlässigen Kommu-
nikationssystem, das hohe Flexibilität und breite
Kompatibilität vereinen sollte. Zudem sollte eine
neue Lösung auch offen für zukünftige Weiterent-
wicklungen sein. Zunächst bot sich Ethernet an:
Diese Technik war erprobt, patentfrei und weit-
reichend normiert und besaß das Potenzial, als
durchgängige Kommunikationslösung Leit-,
Prozess- und Feldebene miteinander zu verbinden.
Doch das Standard-Ethernet ist in Verbindung mit
einem Internet-Protokoll wie TCP/IP nicht dafür
geeignet, Daten in harter Echtzeit zu übertragen.
Bei der Datenübermittlung treten nicht vorher-
sagbare Verzögerungen auf, die durch den CSMA/
CD-Mechanismus (Carrier Sense Multiple Access/
Collision Detection) verursacht werden. Dieser
Mechanismus – ein zentraler Bestandteil des
Ethernet standards IEEE 802.3 – dient der Ver-
meidung von Datenkollisionen, die bei Ethernet
aufgrund der speziellen Übertragungsweise auf-
treten können. Um auf der Grundlage von Ethernet
dennoch echtzeitfähige Feldbusse zu entwickeln,
haben die Hersteller unterschiedliche Ansätze
gewählt, um diese Verzögerungen zu vermeiden.
Diese Lösungen werden unter dem Begriff „Echtzeit-
Industrial Ethernet“ zusammengefasst. Im Folgen-
den stellen wir Ihnen POWERLINK vor, das heute zu
den weltweit erfolgreichsten Industrial Ethernet-
Systemen mit Echtzeit-Fähigkeit zählt.
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Inhalt E I N F Ü H R U N G | Anwendungsbereiche
4 Ein Netzwerk für alle Systeme
5 Architekturen, Leistungsklassen, Branchen
T E C H N I K | SofunktioniertPOWERLINK
6 Der Mechanismus
7 Performance
F E aT U R E s | DieVorteilevonPOWERLINK
8 Topologie
9 Eindeutige Adressierung
9 Hot Plugging
10 Direkter Querverkehr
10 Multiplexing
11 Asynchrone Daten
11 Poll Response-Verkettung
12 Redundanz
13 Diagnose
14 openSAFETY
15 Security
16 CANopen
N U T Z E R O R G a N I s aT I O N | EthernetPOWERLINKStandardizationGroup
18 Die Nutzerorganisation EPSG
18 Normen
19 Konformitätsprüfung
19 POWERLINK-Starterkits
U M s E T Z U N G | IntegrationvonPOWERLINKinIhrGerät
20 Master (Managing Node)
21 Slave (Controlled Node)
I N V E s T I T I O N s s I C H E R H E I T | 22 Open Source Technology
23 Gigabit POWERLINK: Heute schon an morgen denken
POWERLINK Basics
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Ein Netzwerk für alle Systeme|
Was bedeutet „ein Netzwerk für alle Systeme“? POWERLINK ist eine Industrial Ethernet-
Lösung, die konzipiert wurde, um sämtliche Kommunikationsaufgaben der modernen
Auto matisierung einheitlich und durchgängig zu integrieren. Es eignet sich grundsätzlich für
alle denkbaren Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau sowie für Anwendungen der
Prozess industrie. Ein POWERLINK-Netzwerk integriert sämtliche Komponenten der indus triel len
Automatisierung, etwa SPS, Sensoren, I/O-Module, Motion Controller, Safety-Controls, Safety-
Sensoren/-Aktoren und auch Visualisierungssysteme. Da in einem POWERLINK-Zyklus nicht
nur Nutzdaten übertragen werden, sondern in dessen asynchroner Phase (siehe „Asynchrone
Daten“ auf Seite 11) ein fest reservierter Zeitabschnitt für die Übertragung beliebiger An wen-
der daten zur Verfügung steht, lassen sich auch nicht zeitkritische Daten wie beispielsweise
Servicedaten übertragen, die der Fernwartung und Konfiguration von Geräten dienen. Genauso
lassen sich Geräte ins Netzwerk einbinden, die nicht unmittelbar zur Automatisierungsebene
gehören, so zum Beispiel Videokameras zur Sicherheitskontrolle von Betriebsarealen. Mit einem
entsprechenden Gateway können im asynchronen Abschnitt des Zyklus’ auch die Daten anderer
Feldbusse gesendet und auf diese Weise unterschiedliche Netzwerke integriert werden.
POWERLINK
Safety
Vision System
I/O
PLC
Sensors
Fieldbus
Motion
Visualization
E I N F Ü H R U N G | Anwendungsbereiche
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ArchitekturenPOWERLINK eignet sich durch seine Leistungsfähigkeit hinsichtlich
der Bandbreite und der kurzen Zykluszeiten sowie seiner Flexibilität
gleichermaßen für zentrale wie für dezentrale Automatisierungs-
konzepte. Dezentrale strukturierte Maschinen und Anlagen bieten
erhöhte Flexibilität bei Anpassungen und Erweiterungen, erfordern
allerdings ein Kommunikationssystem, das dieser Struktur gerecht wird.
POWERLINK eignet sich für diese Anforderungen besonders gut, weil es
durch seine Nähe zum Ethernet-Standard zwei entscheidende Features
für den Einsatz in dezentralen Strukturen bietet: Querverkehr und freie
Wahl der Netzwerktopologie.
Querverkehr ermöglicht die direkte Querkommunikation von Kompo-
nenten ohne Umweg über den Master. Jedes Gerät kann seine Daten
nach dem Rundfunkprinzip direkt in das Netz senden, so dass alle
Teilnehmer die Sendungen empfangen können.
DiefreieWahlderTopologie ist für den modularen Systemausbau fast
unabdingbar. Für die Erweiterung einer Maschine, den Ausbau einer
Anlage oder das stetige Wachstum des Maschinenparks stellen starre
Topologien ein erhebliches Hindernis dar. POWERLINK erlaubt nicht
zuletzt durch seine hohe Skalierbarkeit den völlig freien Systemausbau
ohne Beeinträchtigung der Echtzeitfähigkeit.
LeistungsklassenPOWERLINK deckt alle Leistungsklassen ab – als Softwarelösung ohne
Hardwarebeschleunigung für weiche Echtzeit oder als High End-System
mit Koprozessor-Unterstützung für Zykluszeiten im Bereich weniger
hundert Mikrosekunden. Weil POWERLINK patentfrei ist und aus-
schließlich auf Standard-Hardware aufsetzt, stehen für Anwendungen
mit harter Echtzeit kostenoptimierte Lösungen von unterschiedlichen
Herstellern bereit.
BranchenAufgrund seiner Skalierbarkeit und seiner Fähigkeit, alle Systeme
einzubinden, wird POWERLINK im Maschinen- und Anlagenbau, in der
Prozessautomatisierung und in der Messtechnik eingesetzt.
Architekturen, Leistungsklassen, Branchen|
n Automobil
n Bergbau
n Chemie
n DruckundPapier
n Energie
n GetränkeundNahrungsmittel
n Halbleiter
n Holz
n Kunststoff
n Logistik
n MaritimerSektor
n Metall
n Pharma
n Prozesstechnik
n Textil
n Transport
n Verpackung
POWERLINK Basics
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Der Mechanismus|
Im Gegensatz zu anderen Echtzeit-fähigen Industrial Ethernet-Systemen
ist POWERLINK eine rein Software-basierte Lösung, die sich zu 100%
am Ethernet-Standard IEEE 802.3 orientiert. Durch die Konformität
zum Standard und den Verzicht auf proprietäre Hardware wird gewähr-
leistet, dass mit POWERLINK alle Vorteile und die Flexibilität des
Ethernet erhalten bleiben. Es können dieselben standardisierten Hard-
warekomponenten genutzt und zur Diagnose dieselben Tools verwendet
werden. Um Echtzeit-Performance zu erreichen, verwendet POWERLINK
eine Mischung aus Polling und Zeitschlitzverfahren, bei der zu jedem
Zeitpunkt immer nur ein Teilnehmer senden darf. Im Prinzip funktioniert
die Kommunikation wie bei einer organisierten Gesprächsrunde, bei der
ein Moderator die Teilnehmer auffordert, ihr jeweiliges Statement ab-
zugeben. Dabei achtet der Moderator darauf, dass alle der Reihe nach
zu Wort kommen. Er fordert jeden Teilnehmer explizit auf und weist ihm
eine feste Redezeit zu. Anders als beim Standard-Ethernet können auf
diese Weise Teilnehmer nicht mehr gleichzeitig „reden“, so dass kein
Gesprächsdurcheinander geschlichtet werden muss. Ein POWERLINK-
Netzwerk bedient sich der folgenden Kommunikationsstruktur: Ein
beliebiger Teilnehmer, z. B. eine SPS, ein Motion Controller oder ein
Industrie-PC, bekommt die Funktion des sogenannten Managing Nodes
(MN) zugewiesen und dient fortan als „Gesprächsmoderator”. Alle
übrigen Geräte fungieren als Controlled Nodes (CN). Der MN gibt den
Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vor und steuert die zyklische
Datenkommunikation. Im Laufe eines Zyklus’ fragt der MN nacheinander
alle CN ab. Diese Abfragen erfolgen durch eine PollRequest-Nachricht,
die zusätzlich Daten vom MN an den abgefragten CN übermittelt. Jeder
CN sendet daraufhin per PollResponse-Nachricht seine eigenen Daten
an alle übrigen Knoten. Ein POWERLINK-Zyklus besteht aus drei Ab-
schnitten: In der „Start Period“ sendet der MN einen „Start of Cycle“-
Frame (SoC) an alle CNs, der die Geräte synchronisiert. Im zweiten
Abschnitt, der isochronen Phase, erfolgt der Austausch der Nutzdaten.
Mit dem dritten Abschnitt eines Zyklus’ beginnt die asynchrone Phase.
Sie steht für die Übertragung nicht zeitkritischer Datenpakete zur Ver-
fügung – beispielsweise TCP/IP, Parametrierungsdaten etc.
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n 0,1μsSystemsynchronisation
n 100μsZykluszeit
n 100Mbit/sBandbreite
n HoherDatendurchsatzauchbeikleinenZykluszeiten
n 240Teilnehmer z.B.480synchronisierteAchsen/
460.000Digitalkanäle
n 100m/2kmLeitungslängezwischenTeilnehmern
Performance|
MN
CN
IsochronousPhase
AsynchronousPhase
SoASoC
Async Data
PReqCN1
CycleTime
PReqCN2
PReqCN3
PResCN1
PResCN2
PResCN3
PReqCNn
PResCNn
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Topologie|
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Ethernet – und damit von
POWERLINK – besteht in der hundertprozentigen Freiheit bei der Wahl
der Netzwerktopologie. Netzwerke können stern-, baum-, linien- oder
ringförmige Strukturen haben. Auch beliebige Kombinationen dieser
Topologien sind möglich. Eine Konfiguration ist nicht erforderlich.
Es gibt außerdem keine unbedingte Abhängigkeit zwischen logischen
Verknüpfungen in der Applikation und dem physikalischen Aufbau. Das
Netzwerk kann beliebig verändert werden (auch zur Laufzeit), ohne dass
die Applikation beeinflusst wird.
F E aT U R E s | die VOrTeiLe VOn POwerLinK
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Die eindeutige Adressierung der Netzwerkteilnehmer erfolgt direkt an
den Geräten per Einstellung über einen manuell bedienbaren Knoten-
schalter, wodurch eine transparente Zuordnung der IP-Adressen zu den
Geräten gewährleistet wird. Diese Adressierungsmethode erlaubt eine
einfache Softwarekonfiguration bei der Einrichtung eines Netzwerks und
ist für zuverlässigen Service unabdingbar. Besonders für den modularen
Maschinenbau, bei dem sich Erweiterungen schnell und unkompliziert
durchführen lassen müssen, stellt die eindeutige Adressierung eine
wesentliche Voraussetzung dar.
Hotplug-Fähigkeit bedeutet das Stecken und Ziehen von Netzteilneh-
mern während des Betriebs, ohne dass
– es zur Beeinträchtigung der Netzwerk-Funktionalität kommt,
– für das Funktionieren der hinzugefügten oder ausgewechselten
Teilnehmer ein Neustart erforderlich ist.
POWERLINK bietet uneingeschränktes Hot Plugging. Durch Erweite-
rungs- oder lokale Austauschmaßnahmen kommt es zu keiner Beein-
trächtigung der Echtzeit, ein Neustart des Systems ist nicht erforderlich.
So können Betreiber beispielsweise Sensoren austauschen oder
mecha tronische Einheiten zuschalten, ohne das Netzwerk herunter-
fahren zu müssen – eine grundlegende Bedingung für den Einsatz in
der Prozessindustrie beziehungsweise für den Betrieb von modular
strukturierten Maschinen und Anlagen.
Hot Plugging |
Eindeutige Adressierung|
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Direkter Querverkehr|
Multiplexing|
MN
CN
B r o a d c a s t M e c h a n i s m
SoASoC
Async Data
SoC = Start of CycleSoA = Start of Async
PRq = Poll RequestPRs = Poll Response
MN = Managing NodeCN = Controlled Node
PReqCN1
PResCN1
PReqCN2
PResCN2
PReqCN3
PResCN3
PReqCNn
PResCNn
Every cycle: 1, 2, 3 Multiplexed: 4-11 8 data frames in 3 slots
1 2 3 4 5 6 A 1 2 3 7 8 9 A 1 2 3 10 11 A 1 2 3 4 5 6 A
Cycle i Cycle i+1 Cycle i+2 Cycle i+3
MN
CN
IsochronousPhase
AsynchronousPhase
SoASoC
Async Data
PReqCN1
PResCN1
PReqCN2
PResCN2
PReqCN3
PResCN3
PReqCN4
PResCN4
PReqCN5
PResCN5
PReqCN6
PResCN6
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Durch Multiplexing lässt sich die Bandbreite in der isochronen Phase
optimal ausnutzen. Da die Applikationen unterschiedliche Anforderun-
gen an die Daten-Abtastintervalle stellen, müssen nicht alle Controlled
Nodes in jedem Zyklus abgefragt werden. Während es beispielsweise
bei vielen Anwendungen der Bewegungssteuerung notwendig ist, die An-
triebe ständig mit Informationen zu versorgen und ihre aktuellen Daten
in jedem Zyklus abzurufen, reicht es bei Temperaturmessungen, die Da-
ten der Sensoren zum Beispiel nur in jedem dritten Zyklus abzufragen.
Beim Multiplexing teilen sich Controlled Nodes mit niedrigen Prioritäten
einen Zeitabschnitt innerhalb der isochronen Übertragungsphase. Das
geschieht in der Form, dass ein Gerät nur den ersten, das zweite Gerät
den zweiten, das dritte Gerät den dritten Zyklus in Folge nutzt, um seine
Daten zu übermitteln. Die Zuteilung und Erkennung der von mehreren
Knoten genutzten Zeitabschnitte erfolgt durch den MN.
Die Kommunikation bei Ethernet – und somit natürlich auch bei
POWERLINK – funktioniert nach dem Broadcast-Prinzip (Rundfunk-
prinzip). Das bedeutet, dass jeder Teilnehmer seine Daten frei ins Netz
sendet und prinzipiell jeder andere Teilnehmer sie empfangen kann. Die
Teilnehmer erkennen an der Zieladresse der Datenpakete, ob die Daten
für sie bestimmt sind. Dieses Sendeprinzip erlaubt den direkten Quer-
verkehr von Controllern untereinander, ohne dass die Kommunikation
über den Master bzw. Managing Node laufen muss. Auf diese Weise
lassen sich zum Beispiel in synchronisierten Produktionssegmenten
die Winkelcodierer sämtlicher Antriebe mit dem Leitwertgeber synchro-
nisieren; bei dezentralen Safety-Architekturen ist der direkte Querver-
kehr von Safety-Komponenten eine grundlegende Voraussetzung. Die
Vorteile liegen in Zeitersparnis, Systemvereinfachung und Entlastung
der Steuerungsaufgaben, so dass für viele Bereiche preisgünstigere
Steuerungen gewählt werden können.
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Auf die isochrone Phase im POWERLINK-Zyklus, in der die zeitkritischen
Nutzdaten übertragen werden, folgt in der verbleibenden Zykluszeit
die asynchrone Phase, in der sich nicht zeitkritische Datenpakete in
Standard Ethernet-Frames übertragen lassen. Die Daten, die im
asynchronen Teil übertragen werden, können beliebiger Natur sein:
Service datenobjekte (SDO) für die Gerätekonfiguration und Diagnose,
An wendungsdaten wie die Aufzeichnungen einer Überwachungskamera
oder auch Protokolle wie TCP/IP, um die Geräte über Webbrowser zu
konfigurieren oder zu warten. Auf diese Weise lassen sich auch nicht
echtzeitfähige Teilnehmer ins Netzwerk einbinden. Genauso funktioniert
die Integration von Komponenten und Anlagenteilen in das Netzwerk,
die nur über andere Feldbus-Schnittstellen verfügen: Werden die Geräte
über ein entsprechendes Gateway an einen POWERLINK-Knoten ange-
schlossen, sendet der Knoten die fremden Feldbusdaten im asynchro-
nen Teil des POWERLINK-Zyklus mit. Für Hot Plugging ist diese Form der
Datenübertragung eine entscheidende Voraussetzung: Neu hinzuge füg te
oder ausgewechselte Geräte senden zur Identifizierung ihre Gerätedaten
in der asynchronen Phase an den Managing Node.
Das POWERLINK-Protokoll bietet auch die Möglichkeit der
„Poll Response-Verkettung“. Anstelle einer Abfrage aller CN nach -
einander durch PReq-Frames kann auch eine gemeinsame Abfrage der
CN mittels eines PResMN-Frame erfolgen, der als Multicast-Nachricht
verschickt wird. Dies erhöht die Performance, falls viele Knoten mit
geringem Prozessdaten-Aufkommen angeschlossen sind.
Dieses Feature eignet sich optimal für zentrale Regelfunktionen wie
beispielsweise Roboteranwendungen mit einem zentralen geschlos-
senen Geschwindigkeits- oder Stromregelkreis.
Asynchrone Daten|
MN
CN
IsochronousPhase
AsynchronousPhase
SoASoC
Async Data
PResMN
CycleTime
PResCN1
PResCN2
PResCN3
PReqCNn
PResCNn
PResCN4
Poll Response-Verkettung|
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Redundanz|
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schließen, sofern die Steuerung über zwei Schnittstellen verfügt, die sie
redundant bedienen kann.) Das Erkennen eines Leitungsausfalls inner-
halb des Rings und das Umschalten vom ausgefallenen auf den redun-
danten Kommunikationspfad erfolgt innerhalb eines Zyklus. Diese Art
von Redundanz kommt typischerweise bei Lösungen zum Einsatz, die
starker mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind.
Vollständige MedienredundanzKritische Systeme sind auf höchste Verfügbarkeit angewiesen, zu der
eine vollständige Medienredundanz gehört.
Bei POWERLINK wird diese vollständige Medienredundanz dank
zweier unterschiedlicher physikalischer Netzwerke erreicht. Gleiche
Daten werden zeitgleich redundant auf beiden Netzwerken übermittelt.
Bei einer Netzwerkstörung wird unmittelbar ohne jede Ausfallzeit oder
Rekonfigurierung umgeschaltet. Jeder Knoten ist an beide physikalische
Netze über einen Link Selector (LS) angebunden.
Mit POWERLINK lassen sich mehrere Arten der Redundanz realisieren,
darunter Medienredundanz und Masterredundanz.
RingredundanzDie klassische Ringredundanz stellt für den Maschinenbau eine ein-
fache und sehr kostengünstige Vernetzungsmöglichkeit dar. Hier werden
die Applikationen in Ringform angeschlossen, die Datenleitung also von
zwei Enden her mit der Steuerung verbunden. (Entsprechend wird nur
ein einziges zusätzliches Kabel benötigt, um eine Linie zum Ring zu
Komplett redundante Architektur für High Availability-Systeme
LS CN 1
LS CN 2
First Link Second Link
Cable break Switch-over to Backup link
CN 1
CN 2
AMN
LS
AMN
LS
SMN
LS
RMN RMN
Link Selector (LS)
PLCPLC
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Diagnose|
MasterredundanzDie zweite besondere Redundanzvariante ist die vollständige Master-
bzw. Managing Node-Redundanz. Diese spielt für Hochverfügbar-
keitssysteme eine wichtige Rolle und wird in der Prozessindustrie für
Energie systeme eingesetzt. Bei der Masterredundanz stehen zwei oder
mehr redundante Managing Nodes am Kopf der Netzwerkhierarchie.
Nur einer dient als aktiver Managing Node, der oder die andere/n
laufen im Hot Standby-Betrieb und verhalten sich aus Sicht des aktiven
Managing Nodes wie Controlled Nodes. Der einzige Unterschied
zwischen einem Standby-MN und einem CN besteht darin, dass der
Standby-MN kontinuierlich alle Netzwerk- bzw. CN-Funktionen über-
wacht, um jederzeit die Funktion des aktiven MNs ohne ein neuerliches
Booten übernehmen zu können. Im Ernstfall sorgt ein fliegender Adress-
wechsel für die Weitergabe der für den MN reservierten Node-ID 240 an
den nächsten redundanten MN. Grundsätzlich sind mit diesem Redun-
danzmodell unterschiedlichste Topologien möglich. Alle grundlegenden
Eigenschaften von POWERLINK wie minimale Reaktionszeiten, Echtzeit-
synchronisation, große Bandbreite und einfache Diagnosefähigkeiten
bleiben erhalten.
POWERLINK nutzt für die Datenübertragung das Einzeltelegramm-
verfahren und bietet damit wesentliche Vorteile in der Systemdiagnose.
Die Eindeutigkeit der Knotenadressen und die Verfügbarkeit sämtlicher
Daten in jedem Bereich des Netzwerks sichern die eindeutige Diagnose
bei POWERLINK-Netzwerken.
Jedes beliebige Ethernet-kompatible Diagnosetool kann verwendet
werden. Zudem stellt POWERLINK durch seine Kommunikationsstruktur
jederzeit fest reservierte Bandbreite für Diagnosezwecke zur Verfügung
und sichert damit auch bei höchster Performance den vollständigen
Service.
POWERLINK Basics
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openSAFETY|
Der erste offene und busunabhängige Safety- Standard für alle Industrial Ethernet-Lösungen.Anwender fordern seit Jahren einen einheitlichen und hersteller-
unabhängigen Standard. Mit openSAFETY entspricht die EPSG dieser
Forderung und stellt das weltweit erste, zu 100% offene Sicherheits-
protokoll zur Verfügung. Die Offenheit von openSAFETY erstreckt sich
dabei nicht nur auf die rechtliche Basis, sondern kann auch in techni-
scher Hinsicht wörtlich genommen werden: Dank der Busunabhängig-
keit von openSAFETY können Anwender diese Technologie für alle
Feldbusse, Industrial Ethernet-Lösungen oder branchenspezifischen
Kommunikationslösungen verwenden. Mit Echtzeitfähigkeit und direkter
Querkommunikation ergänzt POWERLINK allerdings openSAFETY ideal
und gewährleistet schnellste sichere Reaktionszeiten für Sicherheits-
systeme.
Die Safety-Lösung openSAFETY ist gemäß IEC 61508 SIL 3-zertifiziert
und wurde von der IEC als weltweiter Safety-Standard nach IEC 61784-3
anerkannt.
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PROFINETEtherNet/IPModbusSERCOSPOWERLINK
Maschine 1 Maschine 2 Maschine 3 Maschine 4 Maschine 5
Vorteile von openSAFETY:
n VorteilefürAnwender
– Ein durchgängiger Safety-Standard für die
gesamte Anlage
– Unabhängigkeit von Steuerungsherstellern
– Ideal für sichere modulare Anlagenkonzepte
– Minimale Inbetriebnahme- und Umrüstzeiten
– Investitionssicherheit dank rechtlicher und
technischer Unabhängigkeit
n VorteilefürHersteller
– Safety-Entwicklung nur einmal erforderlich
– Garantierte Interoperabilität
– Verringertes Investitionsrisiko
– Minimale Time-to-Market
– Geringe Kosten durch Open Source
Ein einheitlicher Safety-Standard für die gesamteProduktionsanlage
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POWERLINK-Echtzeitdomänen werden mit Gateways, die typischer-
weise in die Steuerungen integriert sind, strikt von Nicht-Echtzeit-
domänen getrennt.
Jedes POWERLINK-Netzwerk bildet eine eigene Netzwerkdomäne, die
nach außen nur über eine einzige IP-Adresse repräsentiert wird. Die
Gateways arbeiten dabei wie eine Firewall. Diese setzt die öffentliche
IP-Adresse per Network Adress Translation (NAT) intern auf nichtein-
sehbare IP-Adressen der Knoten um. An den Gateways lassen sich bei
Bedarf zusätzlich beliebige weitere Sicherheitsmaßnahmen und Filter-
vorschriften definieren und umsetzen. Die Beachtung von grundlegenden
Security-Aspekten im Design ist eine elementare Bedingung für den
Einsatz von Safety-Systemen.
Firewall/Gateway
Firewall/Gateway
Real-Time Domain Real-Time Domain Real-Time Domain
Non-Real-Time Domain
Security|
POWERLINK Basics
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SIL3-Zertifizierung durch TÜV Rheinland und TÜV Süd
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CANopen|
Joint Task ForceZu den wichtigsten Entscheidungen der Ethernet POWERLINK
Standardi zation Group (EPSG) zählte die Definition der Anwendungs-
schicht als Träger der vollständigen CANopen-Mechanismen. An dieser
Entwicklung war die internationale Vereinigung der CAN-Anwender und
-Hersteller CAN in Automation (CiA) maßgeblich beteiligt.
CANopen – das am weitesten verbreitete AnwendungsprotokollCANopen zählt heute zu den am weitesten verbreiteten Anwendungs-
protokollen. Zu seinen größten Vorteilen gehören die standardisierten
Gerätebeschreibungsdateien, die den Status eines Geräts, seine
Parame trierung, Eigenschaften und seine Kenndaten für das Netzwerk
POWERLINK und CANopen
n JointTaskForce
– Gemeinsame Verwendung des CANopen-Profils
– XML Device Description
n CANopenoverEthernet
– Investitionssicherheit
– Gleicher Applikationszugang
– Einfache Migration
– Erfahrene Dienstleister
n VorteilegegenüberCAN-Physik
– 100-fache Datenrate
– Ein Medium für die ganze Maschine
– Kabellänge bis 100 m
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transparent machen. Geräte, die von unterschiedlichen Herstellern
kommen, aber über dieselbe Beschreibungsdatei verfügen, lassen sich
einfach und konfigurationsfrei gegeneinander austauschen.
POWERLINK = CANopen over EthernetPOWERLINK verwendet dieselben Gerätebeschreibungsdateien wie
CANopen, dieselben Objektverzeichnisse und dieselben Kommuni-
kationsmechanismen, wie Prozessdatenobjekte (PDO), Servicedaten-
objekte (SDO) und Netzwerkmanagement (NMT). Genau wie bei
CANopen ist der direkte Querverkehr auch bei POWERLINK eine zentrale
Eigenschaft. Alle CANopen-Anwendungen und Geräteprofile können
unmittelbar auch in POWERLINK-Umgebungen eingesetzt werden. Aus
Sicht der Anwendung besteht zwischen beiden Protokollen kein Unter-
schied. POWERLINK lässt sich daher auch als „CANopen over Ethernet“
bezeichnen. Aufgrund der engen Kooperation von CiA und EPSG bieten
viele der marktbekannten CANopen-Dienstleister heute auch Lösungen
und Produkte für POWERLINK an. Ein großes Spektrum von kompetenten
Dienstleistungen ist gewährleistet.
High Performance mit CANopenApplikationen werden allgemein immer komplexer, was zu steigender
Teilnehmerzahl, größeren Datenmengen und höheren Anforderungen an
die Performance führt. Für Betreiber, die trotz erhöhter Anforderungen
weiterhin die Vorteile von CANopen nutzen wollen, ist die einfache Migra-
tion zu POWERLINK die ideale Alternative. Zudem bietet POWERLINK ein
durchgehendes Medium für die gesamte Anwendung.
Ethernet ControllerHardware
OthersDevice Profiles
ProtocolSoftware
Ethernet Driver
POWERLINK Driver
UDP/IP
POWERLINK Transport
CANopenApplication Layer – Object Dictionary
Messaging (SDO and PDO)
I/O Encoders Valves Drives Medical
Can Driver
Can Controller
CAN basedCANopenTransport
POWERLINK Basics
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Die Nutzerorganisation EPSG|
Arbeitskreise Office Vertrieb
Aufsichtsrat
Geschäftsführung
überwacht die Einhaltung der Vereinsziele
wählt
wählt
Mitglieder-versammlung
bestimmtVorstand
bestimmt
Geschäftsführer
N U T Z E R O R G a N I s aT I O N | eTherneT POwerLinK sTAndArdiZATiOn grOuP
n IEC61784-2
n IEC61784-3
n IEC61158-300
n IEC61158-400
n IEC61158-500
n IEC61158-600
n IEEE802.3
n ISO15745-1
Offener VereinDie Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) ist ein unab-
hängiger, demokratisch organisierter eingetragener Verein mit Sitz in
der Schweiz. Die EPSG wurde im Jahr 2003 von führenden Unterneh-
men der Antriebs- und Automatisierungstechnik mit dem Ziel gegrün-
det, gemeinschaftlich die POWERLINK-Technologie zu standardisieren
und weiterzuentwickeln. Mit dem Beitritt zu dieser Organisation haben
auch neue Mitglieder sofort ein Mitspracherecht und sind gleichsam
„Mit inhaber“ der Echtzeit-Ethernet-Technologie.
Offenes ProtokollDas Protokoll wurde 2001 von B&R vorgestellt und 2003 als Spezifi-
kation offengelegt. Als Zeichen der Offenheit ist es frei von jeglichen
Patenten. 2008 erschien die kostenfreie Open Source-Version
openPOWERLINK unter BSD-Lizenz.
Offene WeiterentwicklungInnerhalb der EPSG sind unterschiedliche Arbeitskreise unter anderem
auf den Gebieten Sicherheit, Technologieentwicklung, Zertifizierungen,
Anwenderfragen sowie Marketing und Vertrieb aktiv.
Offene BasisDie Entwicklung der POWERLINK-Technologie erfolgt auf Basis offener
Standards wie IEEE 802.3 (Standard Ethernet) und IEC 61784-2 (echt-
zeitfähige Ethernet-basierte Feldbusse).
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Konformitätsprüfung|
Die EPSG bietet Konformitätsprüfungen und Zertifizierungen an.
Zudem veranstaltet die Nutzerorganisation regelmäßig Plugfeste,
die an wechselnden Orten rund um die Welt stattfinden.
N U T Z E R O R G a N I s aT I O N | eTherneT POwerLinK sTAndArdiZATiOn grOuP
Verschiedene Hersteller und Dienstleister in der EPSG bieten vollstän-
dig betriebsbereite Evaluationsboards (Starterkits) an, die Herstellern
den Test ihrer Hardware unter POWERLINK stark vereinfachen. Die gut
dokumentierten Funktionen und Schnittstellen erlauben es den An-
wendern bzw. Testern, sich ausschließlich auf die Einbindung in die
Netzwerkumgebung zu konzentrieren. Alle wesentlichen Funktionen der
Datenkommunikation sind auf dem Board integriert, zeitaufwendige
Programmierung oder die Portierung von Protokoll-Stacks sind nicht
mehr erforderlich. Die volle Leistungsfähigkeit des Zielgeräts bleibt
erhalten.
Erprobte TechnologieWenn mit Hilfe eines Testboards die Gerätefunktionalität im POWERLINK-
Netzwerk erfolgreich evaluiert wurde, besteht der nächste Schritt in der
Konfiguration des Geräts und seiner Schnittstelle nach den gewünschten
Anforderungen. Um eine kurze Time-to-Market zu erreichen, ist es am
einfachsten, auf ein Referenz-Design zurückzugreifen. Dazu kann das
Schaltschema eines Evaluationsboards einfach auf die Zielgeräte
übertragen und integriert werden. Soft- und Hardwareanbieter in der
EPSG bieten zu diesem Zweck unterschiedliche Lizenzmodelle an. So
kann der Hersteller wählen, ob er ein bestimmtes Referenzmodell 1:1
übernehmen oder nur Teile davon verwenden will. In jedem Fall stellen
Referenz-Designs einen idealen Ausgangspunkt für die schnelle und
erfolgreiche POWERLINK-Implementierung dar.
Breiter Tool-SupportVerschiedene EPSG-Mitglieder bieten Designs und Test-Tools für die
schnelle Entwicklung von POWERLINK-Anwendungen an. Programme
für die Verwaltung von Gerätedatenbanken, für die Erstellung von
Objekt verzeichnissen, Initialisierungcodes und Electronic Data Sheets
im XML-Format optimieren die Entwicklungsprozesse und minimieren
die Fehleranfälligkeit. Verfügbar sind zudem Tools zur präzisen Netz-
werk analyse und zur Analyse der Echtzeit-Performance.
POWERLINK-Starterkits|
POWERLINK Basics
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Technische Umsetzung von Master und Slaves|
U M s E T Z U N G | inTegrATiOn VOn POwerLinK in ihr gerÄT
Master (MN) Standard PC-Hardware
Linux
Others
Co-Processor Solution PCI Card
Windows
POW
ERLI
NK
FPGA Design
Embedded Design
Slave (CN) POWERLINK-only Slave
FPGA Technology
POWERLINK-only 32bit CPU
Multi-Protocol Slave
On Application Processor
On Application Processor
System on Chip
PCI Board
FPGA Technology
Communication Processor
POW
ERLI
NK
POWERLINK-MasterPOWERLINK lässt sich ohne Hardwareunterstützung auf beliebigen
Betriebssystemen, wie zum Beispiel auf Windows, Linux oder VxWorks,
mit einem Standard-Onboard-Ethernetcontroller nutzen. Die erzielbaren
Leistungsdaten von Jitter und Zykluszeit hängen von der Performance
der CPU und der optimalen Abstimmung des Betriebssystems auf die
CPU ab. Typischerweise sind dabei Zykluszeiten von 500 µs und ein
Jitter von 30 µs erreichbar. Alternativ wird POWERLINK vorimplementiert
auf einer PCI-Steckkarte in das System integriert. Dann kümmert sich
ein Koprozessor um den Protokoll-Stack und entlastet so den Haupt-
prozessor. Auf diese Weise können Zykluszeiten von 100 µs bei einer
Genauigkeit von 0,1 µs erreicht werden.
„Wie gelangt POWERLINK in mein Gerät?“ lautet eine der häufigsten
Fragen von Herstellern. Grundsätzlich lässt sich POWERLINK in jedes
Standard-Embedded Ethernet-Design integrieren, völlig unabhängig
davon, welche Prozessorarchitektur gewählt wurde. Dabei kann
POWERLINK entweder als reine Softwarelösung oder mit Hardware-
unterstützung zum Einsatz kommen. Bei einer reinen Softwarelösung
wird POWERLINK direkt auf dem Applikationsprozessor integriert und
zur Busanbindung ein Standard-Ethernetcontroller verwendet. Wird
für sehr anspruchsvolle Anforderungen beschleunigende Hardware
benötigt, bieten verschiedene Hersteller vielfältige Möglichkeiten, mit
der sich maßgeschneiderte Lösungen realisieren lassen und die keine
proprietären Technologie wie zum Beispiel ASICs voraussetzen. Die un-
tenstehende Grafik gibt eine Übersicht über die bestehenden Lösungen.
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POWERLINK-SlaveGenauso bietet sich für die Slaves die Alternative,
entweder den POWERLINK-Stack auf dem Appli-
kationsprozessor zu implementieren oder auf da-
für ausgelegte Kommunikationshardware zurück-
zugreifen. Für die POWERLINK-Implementierung
beim Slave reicht das Spektrum von betriebs-
bereiten Evaluationsboards oder Singleboards
in Piggyback-Ausführung, die zur Entwicklung von
Prototypen oder Serien mit niedriger Stückzahl
dienen, bis hin zu optimierten Chip-Lösungen auf
FPGA-Basis, die das Protokoll sowie die Anwen-
dungssoftware komplett enthalten. Die verschie-
denen Angebote unterscheiden sich hinsichtlich
ihrer Flexibilität sowie des gewünschten Kosten-
modells: Multi-Protokoll-Lösungen kommen dem Bedürfnis von Kompo-
nenten-Herstellern entgegen, eine einheitliche Hardwareplattform zu
verwenden, die offen für unterschiedliche Industrial Ethernet-Lösungen
ist und die Entscheidung für einen Feldbus erst bei der Auslieferung der
Produkte verlangt. In der Regel sind sie teurer als dedizierte POWERLINK-
only-Lösungen. Bei Multi-Protokoll-ASICs ist das gesamte Systemdesign
auf einem Chip untergebracht. Vorteile liegen in der definierten Schnitt-
stelle zwischen Kommunikationsprozessor und Applikationsprozessor.
Zu den Nachteilen zählen die feste Vorgabe der Programmierschnitt-
stelle und unter Umständen höhere bzw. stückzahlabhängige Hardware-
kosten. Auch Multi-Protokoll-FPGA-Lösungen bieten Flexibilität beim
Einsatz verschiedener Protokolle. Im Gegensatz zu ASIC-Lösungen lässt
sich die API beeinflussen. Zu beachten ist hier allerdings, dass sich die
Hardwarekosten nach dem Ressourcenbedarf des jeweils anspruchs-
vollsten Protokolls richten. Eine preisgünstigere Alternative bieten
POWERLINK-only-FPGA-Lösungen, die hinsichtlich des Interfaces
flexibel sind. Die kostengünstigste Variante der Slave-Anbindung sind
einfache 32-Bit-CPUs mit internem RAM und internem Flash. Dabei
werden sogar Preise von anderen ASIC-basierten Protokollen klar
unterboten und dennoch die Flexibilität und Offenheit eines Standard-
Mikroprozessors garantiert. Allen gemeinsam ist, dass die Applikations-
und Kommunikationssoftware flexibel miteinander verbunden sind,
beispielsweise über Dual Port-RAM oder ein serielles Interface.
POWERLINK CNCommunication
Processor
Direct I/O
FPGA
POWERLINK CNCommunication
Processor
Application
Software API
FPGA
POWERLINK CNCommunication
Processor
Application
Software API
Microprozessor
FPGA
Simple I/O slave Integrated application Slave with external C
POWERLINK Basics
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I N V E s T I T I O N s s I C H E R H E I T
XML – der neue Standard für die GerätebeschreibungStandardisierte Gerätebeschreibungsdateien minimieren den Konfigu-
rationsaufwand für Netzwerke mit Geräten unterschiedlicher Hersteller.
Sie erlauben dem Netzwerk-Master den einheitlichen Zugriff auf alle
relevanten Geräteinformationen wie Status, Parametrierung, Eigen-
schaften und Kenndaten – unabhängig vom Gerätetyp und Hersteller.
Neue Geräte sind im Netzwerk sofort verfügbar. POWERLINK nutzt für
die Gerätebeschreibungsdateien den neuen Standard XML. Für Her-
steller liegt der bedeutende Vorteil einer XML-basierten Beschreibungs-
sprache darin, dass sie für ihre Geräte eine einheitliche, standardisierte
Beschreibung für unterschiedliche Feldbusse oder Echtzeit-Ethernet-
Systeme verwenden können. Zusätzlich bietet XML bei der Geräte-
beschreibung eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die sich mit anderen
Sprachen bisher nicht umsetzen ließen. Dazu zählen unter anderem
Mehrsprachigkeit, optionale Textfelder für Beschreibungen und die
Charakterisierung der Parameter und Messwerte durch physikalische
Einheiten und Skalierungsfunktionen.
openPOWERLINKopenPOWERLINK ist eine vollständige Protokoll-Lösung für Master
und Slave. Die Implementierung ist einfach auf jegliches Zielsystem
portierbar (ANSI-C-Implementierung).
openPOWERLINK wurde auf SourceForge unter BSD-Lizenz bereit-
gestellt. Die BSD-Lizenz erlaubt es jedem, die Software kostenfrei zu
verwenden, zu verbreiten, zu modifizieren und weiterzuentwickeln.
Auch darf jedermann die Software in Produkte integrieren, die er
weiterverkauft. Der Quellcode eigener Modifikationen muss dabei
nicht offengelegt werden.
Eine ausführliche Anleitung zur Einrichtung und Inbetriebnahme findet
sich auf www.sourceforge.net/projects/openpowerlink.
100 % offene TechnologieDie EPSG verlangt für die Technologie keine Lizenzgebühren.
POWERLINK ist eine offene Technologie; die Möglichkeit, unter ver-
schiedenen POWERLINK-Dienstleistern wählen zu können, garantiert
dem Kunden ein optimales Preis/Leistungs-Verhältnis für jede
Applikation. Gleich, ob Time-to-market oder Preis im Mittelpunkt steht:
Die offene, durchgängig spezifizierte Software-Lösung gibt dem
Anwender größere Freiheit und mehr Möglichkeiten der technischen
Optimierung als andere vergleichbare Echtzeit-Ethernet-Systeme.
Open Source Technology|
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Gigabit POWERLINK: Heute schon an morgen denken|
1 GBit
2010
100 MBit10 MBit
20001990 2020
Ein Blick in die Welt der Automatisierung zeigt, dass Bandbreite bei
heutigen Echtzeit-Ethernet-Systemen kein Engpass ist – 100 Mbit/s
reichen aktuell vollkommen aus. Auch für anspruchsvollste Anwen-
dungen wie Safe Motion Control bei Maschinen mit hundert Achsen
stellt POWERLINK ausreichende Kapazitäten bereit. Eine Betrachtung
der bisherigen Entwicklung in der Automatisierung macht aber deutlich:
Die zu verarbeitenden Datenmengen nehmen kontinuierlich zu, die
Anzahl der Antriebe pro Maschine steigt sprunghaft, und die Leistungs-
fähigkeit von Sensoren und Aktoren wächst. Mit diesem Trend wächst
auch die Komplexität und damit der Datenverkehr kontinuierlich an.
Diese stetige Entwicklung brachte die nicht auf Ethernet basierenden
Feldbusse an ihre Grenzen und führte letztendlich zur Nutzung von
Ethernet als Feldbus-Ersatz.
Zukünftig generiert die Integration von wichtigen Technologien immer
mehr Datenvolumen – z. B. für Safety. Umfangreichere Funktionalität
macht also flexiblere Lösungen möglich, doch steigendes Daten-
aufkommen geht unweigerlich damit einher. Deshalb wird Gigabit
Ethernet mittelfristig Fast Ethernet ablösen und zum Standard werden.
POWERLINK ist für die Zukunft bestens gerüstet, die Entwicklung von
Gigabit POWERLINK hat bereits begonnen. Den POWERLINK-Erfindern
ging es darum, ein echtzeitfähiges System auf der Basis von Standard
Ethernet zu kreieren, das die ständige Weiterentwicklung dieses Me-
diums für die Automatisierungstechnik nutzt: Deshalb gehören die ab-
solute Nähe zum Standard und die ausschließliche Softwarebasis zu
den Grundlagen von POWERLINK. Zudem nutzt das Echtzeit-Protokoll
die CANopen-Anwendungsschnittstelle, die vom darunter liegenden
Transportprotokoll völlig unabhängig ist. Das bedeutet, dass beim
Umstieg auf Gigabit-Technik die Anwenderschnittstelle unverändert
bleibt und somit die vollständige Kompatibilität zur Applikation
garantiert – der wesentliche Faktor für Investitionssicherheit.
Der aktuelle Einzug der Gigabit-Technik in die Consumer-Welt bedeutet
für Hersteller eine Verschiebung bei den Hardwarekosten: Gigabit-
Technik wird kostengünstig, Fast Ethernet-Hardware wird mittelfristig
durch rücklaufende Stückzahlen teurer werden. POWERLINK ist auf-
grund seiner Standardkonformität ideal für Gigabit Ethernet geeignet.
Die Migration zu Gigabit POWERLINK erschließt eine neue Performance-
Dimension bei Industrial Ethernet mit Geschwindigkeitssteigerungen
bis Faktor 20.
POWERLINK Basics
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www.ethernet-powerlink.org
© E
PSG
2014
M
M-D
0110
6.87
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EthernetPOWERLINKStandardizationGroup(EPSG) POWERLINK-OfficeBonsaiweg 6 · 15370 Fredersdorf · Germany
Fon: +49 33439 539 270Fax: +49 33439 539 272
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