In der modernen mechanischen Fertigung hat die Mehrachsen-Bewegungssteuerung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Elektronische Verfahren koordinieren und synchronisieren mechanische Bewegungsachsen und ersetzen so traditionelle Nocken und Zahnräder. Dies eröffnet enorme Flexibilität in Konstruktion und Fertigung. Bewegungsprozesse, die zuvor komplexe Konstruktionen und Bearbeitungen erforderten, lassen sich heute einfach per Softwareprogrammierung realisieren. Darüber hinaus bietet die elektronische Bewegungssteuerung höhere Präzision, bessere Dynamik und eliminiert mechanischen Verschleiß, was die Wartung vereinfacht und komfortabler macht. Anwender können flexiblere und modularere mechanische Strukturen realisieren.
In nahezu allen Bereichen der mechanischen Fertigung, insbesondere im Textilmaschinenbau, Druckmaschinenbau, Verpackungsmaschinenbau, Kunststoffmaschinenbau und Lebensmittelmaschinenbau, ist die Anwendung der Mehrachsen-Bewegungssteuerung sehr weit verbreitet und zu einem wichtigen Symbol für leistungsstarke und qualitativ hochwertige mechanische Fertigung geworden.
Kern der Bewegungssteuerung ist das Antriebssystem, und die Datenübertragungsmethoden haben sich schrittweise von analogen Signalen hin zu busbasierter digitaler Signalübertragung entwickelt. Für die effektive Koordination und Synchronisierung der Bewegungsprozesse jeder Achse und die Erzielung einer hochpräzisen Mehrachsen-Bewegungssteuerung ist ein effizientes digitales Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk unerlässlich.
Dieser Artikel behandelt die Anforderungen, die hochpräzise Mehrachsen-Bewegungssteuerung an Kommunikationsnetzwerke stellt. Am Beispiel des weltweit ersten industriellen Echtzeit-Ethernets, ETHERNET Powerlink, wird anschließend ein Bewegungssteuerungsnetzwerk vorgestellt, das diese Anforderungen vollständig erfüllt.
1. Betriebsarten und Entwicklungstrends der Mehrachsen-Bewegungssteuerung: Die von verschiedenen Herstellern angebotenen Steuerungskonzepte und -betriebsarten im Bereich der Mehrachsen-Bewegungssteuerung unterscheiden sich. Jede Variante hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und Anwender sollten eine Lösung wählen, die ihren konkreten Bedürfnissen entspricht.
Grundsätzlich lassen sich Steuerungsmodi auf zwei Ebenen unterscheiden: der Antriebseinheit und der Gesamtarchitektur. Aus Sicht einer einzelnen Antriebseinheit erfolgt die Kategorisierung anhand des Integrationsgrades. Auf der Ebene der Gesamtsteuerungsarchitektur gibt es zwei verschiedene Modi: verteilt und zentralisiert. Diese unterschiedlichen Lösungen stellen jeweils unterschiedliche Anforderungen an das Kommunikationsnetzwerk. Im Folgenden werden zunächst die genannten Steuerungsmodi und ihre jeweiligen Anforderungen an das Kommunikationssystem erläutert.
Antriebseinheit: Nicht intelligent und voll intelligent. Bei einachsigen Antrieben kann die Klassifizierung anhand des Integrationsgrades der internen Intelligenz erfolgen. Die Kernfunktion des Antriebssystems besteht darin, den Motor gemäß den Steuerungsanforderungen anzusteuern. Drei physikalische Größen sind steuerbar: Drehmoment, Drehzahl und Position.
Die Sensoren übermitteln diese drei physikalischen Größen an das Steuerungssystem, welches daraufhin Berechnungen durchführt und die Ergebnisse ausgibt. Dadurch wird eine Regelung dieser drei Größen im geschlossenen Regelkreis und somit eine Bewegungssteuerung erreicht. Antriebe verschiedener Hersteller lassen sich anhand ihres Integrationsgrades in drei Hauptkategorien einteilen:
1. Antrieb im offenen Regelkreis
2. Treiber mit eingebauter Stromregelung, Drehzahlregelung und manchmal auch Positionsregelung.
3. Vollständig intelligenter Aktor mit integriertem Bewegungssteuerungssystem
Der erste Typ von Open-Loop-Treibern ist ein einfacher Aktor; er ist im Wesentlichen ein Verstärker, der das Steuersignal verstärkt und es mit der entsprechenden Leistung an den Motor ausgibt, um den Bewegungsablauf zu realisieren. Alle Steuerungs- und Koordinierungsfunktionen werden von einem externen Steuerungssystem implementiert. Der zweite Treibertyp integriert bis zu drei überlagerte Closed-Loop-Regelungsebenen. Die unterste Ebene ist der Stromregelkreis zur Modulation des Ausgangsdrehmoments, auf dem ein Drehzahlregelkreis implementiert ist. Die oberste Ebene ist der Positionsregelkreis. Dieser bezieht sich ausschließlich auf die Drehposition des Motorrotors. Um einen spezifischen Bewegungsablauf zu realisieren, wie beispielsweise eine präzise Positionierung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, ist weiterhin externe intelligente Ausrüstung (Bewegungssteuerungssystem) erforderlich.
Der dritte Typ ist der Antrieb mit integriertem Bewegungssteuerungssystem. Neben seiner dreistufigen Regelungsfunktion verfügt dieses System über ein intelligentes Bewegungssteuerungssystem, das vom Kunden direkt programmiert werden kann. Typische Bewegungsprozesse in Anwendungen der Maschinenbauindustrie, wie beispielsweise gängige mechanische Bewegungen in Verpackungs-, Druck- und Kunststoffmaschinen, werden in Software-Prozessmodule integriert, die im Antrieb implementiert sind. Anwender müssen keine komplexe Systemprogrammierung mehr durchführen, sondern können die Parameter direkt den entsprechenden Prozessmodulen zuweisen, um diese komplexen Bewegungen zu realisieren. Einige Antriebe integrieren sogar SPS-Funktionalität. Dieser Antriebstyp kann komplexe Bewegungssteuerungen eigenständig ohne externes Steuerungssystem durchführen und unterstützt sowohl zentralisierte als auch dezentrale Systeme.
Abbildung 1: Verschiedene Antriebstypen
Aus Sicht der Steuerungssystemarchitektur lässt sich die Mehrachsen-Bewegungssteuerung in zentralisierte und verteilte Systeme unterteilen. Bei Verwendung der oben genannten Antriebstypen (niedrige Intelligenz) erfolgt die Mehrachsen-Bewegungssteuerung zentral, wobei eine Bewegungssteuerungseinheit (z. B. eine Bewegungssteuerungskarte) mehrere Antriebe mit niedriger Intelligenz steuert.
Abbildung 2: Zentralisierte Mehrachsen-Bewegungssteuerung
Zentralisierte Mehrachsen-Bewegungssteuerung ist in der Robotik weit verbreitet. Sie nutzt typischerweise ein leistungsstarkes zentrales Steuerungssystem, um verschiedene Getriebeeinheiten zu koordinieren und zu berechnen, um komplexe dreidimensionale Bewegungen auszuführen.
Durch die Verwendung des dritten Antriebstyps (hochintelligenter integrierter Typ) können die entsprechenden Mehrachsen-Steuerungsaufgaben direkt auf die einzelnen Antriebseinheiten verteilt werden, wodurch eine vollständig verteilte Mehrachsen-Bewegungssteuerung realisiert wird.
Abbildung 3: Verteilte Mehrachsen-Bewegungssteuerung
Die Vorteile der verteilten Mehrachsen-Bewegungssteuerung zeigen sich vor allem in der modularen mechanischen Fertigung, wo jede mechanische Einheit unabhängig arbeiten kann und die Anwender die Maschinen flexibel konfigurieren können, um eine flexible Produktion zu erreichen.
In Bereichen, die die Sicherheit von Personen und Gütern betreffen, müssen integrierte Sicherheitsfunktionen in Antrieben gewährleistet sein. International wurden entsprechende Gesetze und Vorschriften eingeführt, und in verschiedenen Maschinenbauindustrien müssen immer mehr Geräte mit speziell für Sicherheitsaufgaben entwickelten Antrieben ausgestattet werden. Zu diesem Zweck wurde die internationale Norm IEC 61508, eine zentrale Norm für Gerätesicherheit, entwickelt. Es ist absehbar, dass viele Geräte diese Norm erfüllen müssen, bevor sie auf den Markt gebracht werden dürfen.
Intelligente Standardantriebe mit integrierten Sicherheitsfunktionen sind der aktuelle Trend. Antriebe mit Sicherheitsfunktionen können die Anlage im Notfall automatisch auf einen ungefährlichen Zustand verlangsamen oder das gesamte Gerät sicher anhalten. Selbst bei Ausfall anderer Steuerungssysteme müssen die Sicherheitsfunktionen gewährleistet sein.
2. Anforderungen an die mehrachsige Bewegungssteuerung für Kommunikationsnetzwerke
Datenvolumen, Kommunikationszyklus und Zeitsynchronisation sind entscheidende Faktoren für die Mehrachsen-Bewegungssteuerung. Die wichtigste Anforderung an das Kommunikationsnetzwerk ist die Echtzeitfähigkeit. Darüber hinaus müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:
• Die Häufigkeit des Datenaustauschs (Kommunikationszyklus).
• Kommunikationsbeziehungen zwischen verschiedenen Stationen
• Datenpaketgröße,
• Zeitsynchronisationsgenauigkeit zwischen den Stationen: In zentralisierten Regelungsmodi wird die Strom- (Drehmoment-)Regelung mitunter sogar von einem externen zentralen Regelsystem durchgeführt. Die ausgetauschten Daten bestehen hauptsächlich aus Istwerten, die von Sensoren zurückgemeldet werden, und Sollwerten, die von der Hauptsteuereinheit vorgegeben werden. Diese Daten sind in sehr kleinen Datenpaketen enthalten und werden häufig zwischen der Hauptsteuereinheit und den einzelnen Treibern übertragen. Das System muss gelegentlich Diagnoseparameter wie die Treibertemperatur auslesen. Daher ist ein möglichst kurzer Kommunikationszyklus von 50 µs oder weniger wünschenswert. Die Kommunikation erfolgt bidirektional zwischen der Hauptsteuereinheit und den einzelnen Treibereinheiten; ein Datenaustausch zwischen den Treibereinheiten selbst ist nicht erforderlich.
Abbildung 4: Typischer Datenaustausch in der zentralisierten Bewegungssteuerung
Im verteilten Regelungsmodus werden Positions-, Geschwindigkeits- und Stromregelung innerhalb jeder Aktuatoreinheit durchgeführt. Zur Koordination der Bewegungen jeder Achse sind relativ große Datenpakete auszutauschen, die hauptsächlich Informationen wie Position, Geschwindigkeit und Strom enthalten. Da Aufgaben wie die Regelung, die hohe Reaktionszeiten und Genauigkeit erfordern, bereits innerhalb der Aktuatoreinheiten erledigt sind, kann der Datenaustausch zwischen ihnen relativ langsam sein. Geschwindigkeitsinformationen werden typischerweise etwa alle 400 µs und Positionsinformationen alle 1–2 ms ausgetauscht. Die Kommunikationsbeziehungen zwischen den Stationen können beliebig sein; sowohl das übergeordnete Steuerungssystem und die Aktuatoreinheiten als auch die Aktuatoreinheiten selbst müssen eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglichen.
Abbildung 5: Typischer Datenaustausch in der verteilten Bewegungssteuerung
Unabhängig vom verwendeten Modus muss das Kommunikationsnetzwerk eine hohe Zeitsynchronisationsgenauigkeit aufweisen. Das Hauptsteuerungssystem und die Treibereinheiten müssen über dieses Netzwerk eine hochpräzise Synchronisierung erreichen. Daher hat die Echtzeitfähigkeit des Netzwerks selbst einen direkten Einfluss auf die Steuerungsqualität.
Wartung und Diagnose
Bei der Inspektion und Wartung von Geräten muss das Hostsystem bei Bedarf auf alle Variablen und Parameter des Treibers zugreifen und diese ändern können. Daher muss das Kommunikationssystem neben der Übertragung synchroner Informationen auch die Möglichkeit bieten, asynchrone Informationen zu übertragen.
Im zentralisierten Steuerungsmodus sind die meisten relevanten Parameter bereits im Hauptsteuergerät gespeichert. Die Diagnosedaten der einzelnen Treibereinheiten bestehen hauptsächlich aus wenigen Statusinformationen, die den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems anzeigen. Daher muss das Kommunikationsnetzwerk im zentralisierten Steuerungsmodus nur wenig Bandbreite für Diagnoseinformationen reservieren.
Im Gegensatz dazu verteilt der verteilte Steuerungsmodus die Steuerungsintelligenz auf verschiedene Treibereinheiten, wobei die entsprechenden Daten in jeder Treibereinheit gespeichert werden. Jede Treibereinheit führt komplexe Bewegungsprozesse unabhängig aus und reagiert autonom. Jede Treibereinheit speichert eine große Menge an Informationen, wie z. B. Nockenkurven und Diagnosedaten. Um den Zugriff auf diese Daten zu erleichtern, integrieren viele hochintelligente Treiber sogar Webserver, die es Benutzern ermöglichen, über einen Webbrowser auf das System zuzugreifen. Daher muss im verteilten Steuerungsmodus das Kommunikationsnetzwerk erhebliche Bandbreite für asynchrone Informationen wie Diagnosedaten und Parameter-Downloads reservieren.
Synchronisierte Informationen: Informationen, die periodisch ausgetauscht werden müssen, wie z. B. Position, Drehzahl, Drehmoment usw., und die eine hohe Synchronisationsgenauigkeit erfordern. Asynchrone Informationen: Informationen, die nicht periodisch ausgetauscht werden müssen, wie z. B. Parameter-Downloads, Statusparameter-Messwerte usw., und die keine Anforderungen an die Synchronisationsgenauigkeit stellen.
Abstraktion von Kommunikationsprotokollen auf hoher Ebene
Um die Programmierung, Konfiguration und Wartung von Steuergeräten (einschließlich anderer Geräte als Antriebe) im Netzwerk zu vereinfachen, müssen die Low-Level-Protokolle des Kommunikationsnetzwerks abstrahiert werden. Die Funktionen und Parameter der Geräte im Netzwerk werden durch ein Standardprotokoll beschrieben. Benutzer können über standardisierte Programmierschnittstellen (APIs) auf Geräte verschiedener Hersteller zugreifen, ohne sich mit den spezifischen Details ihrer Kommunikation und Funktionalität auseinandersetzen zu müssen. Neu angeschlossene Geräte können über klar definierte Kommunikationsschnittstellen automatisch erkannt, konfiguriert und in das Gesamtsystem integriert werden.
Integrierte sichere Kommunikation
In einer ganzheitlichen Steuerungsarchitektur werden sicherheitsrelevante Steuergeräte (Sicherheits-SPS, Sicherheitsantriebe usw.) üblicherweise separat verdrahtet und bilden eigene, unabhängige Sicherheitskommunikationsnetze. Die Integration von Sicherheitsgeräten und anderen Komponenten in die bestehende Systemarchitektur, die ein gemeinsames Kommunikationsnetz mit dem Hauptsteuerungssystem nutzen, kann die Kosten für Gerätekonfiguration, Verdrahtung und Wartung deutlich senken und gleichzeitig die Flexibilität und Agilität der Anlagen verbessern. Selbstverständlich muss auch in dieser Architektur die Sicherheit gewährleistet sein; tritt ein Kommunikationsausfall zwischen Sicherheitsgeräten auf, muss das System diesen umgehend erkennen können.
In den sicherheitsrelevanten Bereichen muss das System die Steuerungs- und Kommunikationssysteme automatisch und regelmäßig überprüfen, um deren fehlerfreien Betrieb sicherzustellen. Das System muss jegliche Kommunikationsunterbrechungen, Datenpaketverluste oder Fehler erkennen und gegebenenfalls die gesamte Anlage sicher anhalten. Das Steuerungssystem muss die Wahrscheinlichkeit, dass die Anlage eine Gefahr für Personal oder Material darstellt, mit extrem hoher Wahrscheinlichkeit ausschließen.
Gemäß IEC 61508 und den verwandten Normen IEC 62061 und ISO 13849 reichen Kommunikationstechnologien, die Standard-Industrienetzwerkprotokolle verwenden, nicht aus, um die erforderlichen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsniveaus zu erreichen. Informationen, die über Standard-Industrienetzwerke übertragen werden, sind anfällig für Verlust, Kollisionen oder falsche Zustellung. Um die Datenintegrität zu gewährleisten und die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, definieren sichere Netzwerke zusätzliche Datenprüfungen auf der Anwendungsschicht. Dazu gehören die Überwachung von Watchdog-Timern, die Erkennung von Nachrichtennummern, Bestätigungssequenzen und Tags sowie zusätzliche Konsistenzprüfungen.
Abbildung 6: IEC 61508 Sicherheitsnorm
Um diese Sicherheitsmerkmale in bestehende Feldbus- und Kommunikationsnetze zu integrieren, wurden in den letzten Jahren mehrere spezielle Kommunikationsprotokolle mit Schutz- und Überwachungsmechanismen entwickelt, die den Sicherheitsstandards entsprechen.
Sicherer Zugriffsmechanismus
Für die Fernwartung und -überwachung von Anlagen ist ein einfacher und transparenter Zugriffsmechanismus von großem Vorteil. Benutzer können über Modem oder Breitbandinternet direkt auf jede Steuereinheit der Anlage zugreifen und diese warten. Idealerweise nutzt das Kommunikationssystem innerhalb der Anlage direkt Internetprotokolle, sodass der in das intelligente Antriebssystem integrierte Webserver direkt über das Internet erreichbar ist und relevante Systemstatus und -parameter bereitstellt.
Eine solche Transparenz in der Kommunikation kann jedoch in der Praxis zahlreiche Probleme mit sich bringen. Sicherheitslücken im Netzwerk (Viren, Trojaner, Würmer usw.) können die vor Ort betriebenen Geräte gefährden. Daher ist neben der Erfüllung der Anforderungen an den Fernzugriff ein sicherer Zugriffsmechanismus unerlässlich. Störungen im externen Netzwerk, ob durch menschliches oder nicht-menschliches Versagen verursacht, dürfen den normalen Betrieb der Geräte vor Ort nicht beeinträchtigen. Bei mehrachsigen Bewegungssteuerungssystemen können durch Kommunikationsausfälle verursachte Abweichungen nicht nur die Steuerungsqualität beeinträchtigen, sondern auch zu Geräteschäden und Verletzungen von Personal führen.
Einheitliche Netzwerkarchitektur
Um Entwicklungs- und Wartungskosten zu sparen, ist es vorteilhaft, die Anzahl der in der Steuerungsarchitektur verwendeten Netzwerktypen zu reduzieren. Idealerweise sollte ein einziges Kommunikationsnetzwerk die Anforderungen des Bewegungssteuerungssystems an eine schnelle Echtzeitkommunikation erfüllen und gleichzeitig als Kommunikationsmedium für andere asynchrone Daten (E/A, HMI, Datenüberwachung und -erfassung usw.) dienen können. Ethernet, als ausgereiftes Kommunikationsmedium, erfüllt vielfältige Anwenderbedürfnisse.
3. Ethereum Powerlink
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Die oben genannten Anforderungen an mehrachsige Bewegungssteuerungssysteme für Kommunikationsnetzwerke wurden bereits erläutert. Im Folgenden wird Ethereum Powerlink als Beispiel für eine bewährte und ausgereifte Lösung vorgestellt.
Ethernet Powerlink (EPL) ist der weltweit erste industrielle Echtzeit-Ethernet-Standard, der 2001 von der B&R Industrial Automation GmbH aus Österreich eingeführt wurde. Dieser Standard wurde unmittelbar nach seiner Veröffentlichung öffentlich zugänglich gemacht und ist für jedes Unternehmen, jede Organisation und jede Privatperson kostenlos erhältlich. Er wird von der neutralen Organisation EPSG gepflegt, der derzeit über 200 namhafte Unternehmen der industriellen Steuerungstechnik weltweit angehören, darunter bekannte Namen wie ABB, Alstom, Hirshmann, P+F und Wago. EPL basiert auf dem Fast-Ethernet-Standard IEEE 802.3 und arbeitet in einer unabhängigen Netzwerkdomäne, der sogenannten Echtzeitdomäne.
Dadurch wird sichergestellt, dass Kommunikationsanforderungen mit extrem hohen Echtzeitanforderungen (wie z. B. die mehrachsige Bewegungssteuerung) nicht durch Nicht-Echtzeit-Kommunikationsnetze (wie z. B. Büronetzwerke) beeinträchtigt werden, mit denen sie verbunden sind.
Innerhalb einer einzigen Echtzeitdomäne können maximal 240 Websites gleichzeitig aufgerufen werden.
Synchroner Segment-Echtzeitdatenaustausch
EPL ist ein streng periodisches Kommunikationsprotokoll, das die Synchronisation aller Stationen im Echtzeitbereich mit einer Zeitgenauigkeit von unter 1 µs gewährleistet. Eine Station fungiert als Managementstation und steuert die Zeitcharakteristika des gesamten Echtzeitbereichs. Zu Beginn jedes Kommunikationszyklus sendet die Managementstation ein hochpräzises Synchronisationssignal, SoC (Start of Communication).
Das EPL-Protokoll reserviert anschließend einen Zeitschlitz für alle Stationen zur Übermittlung von Synchronisationsinformationen; diese Phase wird als Synchronisationssegment bezeichnet. Während des Synchronisationssegments wird jeder Station im Netzwerk ein eigener Zeitschlitz zugewiesen. Um die Bandbreite optimal zu nutzen, können sich mehrere Stationen einen Zeitschlitz teilen (Multiplex-Modus).
Nach Abschluss des Synchronisationssegments reserviert das Protokoll einen Zeitraum für die asynchrone Informationsübertragung (Parameterdiagnose, Download usw.). Da asynchrone Informationen keine Echtzeitverarbeitung erfordern, genügt es, wenn nur eine Station in jedem Synchronisationszyklus asynchrone Informationen sendet.
Abbildung 7: Jeder Station wird ein Zeitschlitz zugewiesen, und in jedem Kommunikationszyklus werden asynchrone Datensegmente reserviert.
Der Kommunikationsmechanismus nutzt ein Broadcast-Format, wodurch alle Stationen gleichzeitig Informationen empfangen können. Dies ermöglicht den horizontalen Datenaustausch zwischen mehreren Stationen, beispielsweise den direkten Datenaustausch zwischen Antriebseinheiten. Somit können die Anforderungen sowohl zentralisierter als auch dezentraler Steuerungsmodi erfüllt werden.
Das EPL-Nachrichtenformat entspricht vollständig dem IEEE-802.3-Standard-Frame-Format. Das EPL-Protokoll lässt sich mit jedem handelsüblichen Ethernet-Chip kostengünstig implementieren. Mit einem handelsüblichen, vollständig softwareimplementierten EPL-System und Standardnachrichten kann der kürzeste Kommunikationszyklus 100 µs erreichen. Eine einzelne Nachricht kann eine maximale effektive Datenlänge von 1500 Byte aufweisen.
Die minimale Kommunikationszykluszeit, die Anzahl der Zeitscheiben und die Länge eines einzelnen Frames können vom Benutzer frei eingestellt werden. Durch die Konfiguration dieser Parameter passt sich EPL an unterschiedliche Anwendungsanforderungen an verschiedenen Standorten an, insbesondere im Bereich der Mehrachsen-Bewegungssteuerung, und erfüllt die Netzwerkkommunikationsanforderungen sowohl zentralisierter als auch verteilter Steuerungsmodi. Die spezifischen Parameter von EPL sind wie folgt:
Die Vereinbarung ist öffentlich, und die Rechte an geistigem Eigentum sind vollständig offen.
Kompatibel mit IEEE 802.3, IP-Protokoll, CANopen und vielen anderen internationalen Standards.
Hochgeschwindigkeits-Datenaustausch in Echtzeit basierend auf Standard-Ethernet
Es kann einen Kommunikationszyklus von 100µs und einen Netzwerkjitter von <1µs erreichen.
Es kann jede beliebige flexible Netzwerktopologie realisieren.
Implementierung transparenter Kommunikation mittels TCP/UDP/IP-Protokollen
Vor Ort nutzen bereits über 150.000 Knoten die Technologie.
Es kann mit Standard-Ethernet-Hardwaremodulen realisiert werden; ein dedizierter Chip ist nicht erforderlich.
Die Normungsorganisation zählt bereits über 200 namhafte Unternehmen zu ihren Mitgliedern.
Asynchrone Daten können über TCP/UDP/IP übertragen werden. Auch während asynchroner Segmente können Daten im Standard-IP-Paketformat übertragen werden, und Standardanwendungen wie Webserver und E-Mail-Dienste lassen sich problemlos auf dem EPL-Protokollstapel implementieren. Sobald einer EPL-Site eine IP-Adresse zugewiesen ist, kann sie über das Internetprotokoll von überall auf der Welt direkt erreicht werden.
Abbildung 8: Auf EPL-Websites kann direkt von jeder Netzwerkschicht aus zugegriffen werden.
Bevor ein EPL-Standort asynchrone Daten sendet, meldet er sich bei der Managementstation, die dann anhand einer Prioritätszuweisungsliste die asynchronen Zeitschlitze gleichmäßig auf die einzelnen Standorte verteilt.
Die Anwendungsschicht (Schicht 7) verwendet das CANopne-Protokoll.
Auf der Anwendungsschicht des Protokolls nutzt EPL direkt das flexible CANopen-Protokoll zur Kommunikation und Gerätebeschreibung. Da EPL Fast Ethernet als Kommunikationsmedium verwendet, ist die Kommunikationsgeschwindigkeit nahezu 100-mal höher als beim CAN-Bus, obwohl dieselbe Schnittstelle der Anwendungsschicht zum Einsatz kommt.
Die EPSG-Organisation arbeitete mit CiA (CAN in Automation) zusammen, um die Protokolle DS301 und DS302 von CANopn auf EPL zu portieren. Jedes dem EPL-Standard entsprechende Gerät wird durch ein einheitliches Gerätemodell beschrieben. Kern dieses Modells ist die Beschreibung der Gerätefunktionen mittels eines Objektwörterbuchs. Das Objektwörterbuch ist in zwei Teile gegliedert: Der erste Teil enthält grundlegende Geräteinformationen wie Geräte-ID, Hersteller, Kommunikationsparameter usw. Der zweite Teil beschreibt spezifische Gerätefunktionen. Ein 16-Bit-Index und ein 8-Bit-Subindex identifizieren den Einstiegspunkt im Objektwörterbuch eindeutig. Über diesen Einstiegspunkt kann grundlegender Netzwerkzugriff auf die „Anwendungsobjekte“ des Geräts erfolgen. Diese können Eingangs-/Ausgangssignale, Geräteparameter, Gerätefunktionen, Netzwerkvariablen usw. sein.
Abbildung 9: Das EPL-Gerätemodell entspricht dem CANopen-Standard
Zeitkritische Daten, die eine hohe Synchronisationsgenauigkeit erfordern, werden über Prozessdatenobjekte (PDOs) ausgetauscht. Jede Station im Netzwerk kann ein PDO lesen und verarbeiten. Der Dateninhalt des PDO wird zu Beginn des Netzwerksystems festgelegt. Dadurch kann die Datenübertragung selbst ohne zusätzliche Daten (Frame-Header und -Trailer etc.) zeitoptimiert werden.
EPL kann bis zu 1490 Byte in einem einzelnen Synchronisationsnachrichtenrahmen übertragen, während der CAN-Bus nur bis zu 8 Byte übertragen kann. Nicht zeitkritische Daten wie Parameter-Downloads und Diagnosedaten können in Service Data Objects (SDOs) übertragen werden. Die SDO-Übertragung in asynchronen Segmenten folgt einem Client-Server-Modell. Jede EPL-Station im Netzwerk kann über ein Objektverzeichnis auf die SDOs anderer Stationen zugreifen. Die Datengröße ist unbegrenzt. SDOs können auch direkt aus dem Internet über das UDP/IP-Nachrichtenformat abgerufen werden.
Abbildung 10: EPL kann UDP verwenden, um CANopen SDO zu übertragen
Durch die Kompatibilität mit CANopen auf Anwendungsebene erfüllt EPL die Anforderungen an eine höhere Netzwerkabstraktion. Darüber hinaus können Anwender in Netzwerken, in denen CAN-Bus und EPL koexistieren, ein einheitliches Anwendungsschichtprotokoll und eine einheitliche Programmierschnittstelle nutzen.
Sicheres industrielles Ethernet
EPLsafety ist die neueste Protokollerweiterung für EPL. EPLsafety ist ein für den sicheren Betrieb in EPL-Netzwerken zertifiziertes Protokoll. Es erreicht SIL 3 gemäß IEC 61508 und kann bei reduziertem Datenvolumen sogar SIL 4 erreichen.
Daten zu Sicherheitsfunktionen werden im EPLsafety-Protokoll übertragen. Die Länge der EPLsafety-Nachricht wird stets an das effektive Datenvolumen der in der Anwendung benötigten Sicherheitsfunktionen angepasst. Die Prüffunktion des Protokolls passt sich dynamisch der übertragenen Datenmenge an. Die Sicherheitsnorm IEC 61508 wird in allen Fällen erfüllt, während die erforderliche Übertragungsbandbreite des Sicherheitssystems minimiert wird.
Abbildung 11: EPLsafety-Meldungen passen sich automatisch und dynamisch an die Länge der gültigen Daten an.
EPLsafety nutzt das Protokollframework von bis zu 1500 Bytes, das die Ethernet-Paketstruktur bietet, vollständig aus. Informationen mehrerer Sicherheitsfunktionen können gleichzeitig in einem EPLsafety-Container (Datenblock) platziert und über ein einzelnes Ethernet-Paket übertragen werden. Wie EPL unterstützt auch EPLsafety die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen Netzwerkstandorten ohne die Notwendigkeit einer zentralen Steuereinheit.
4. Ethereum Powerlink: Mehr als nur ein Bewegungssteuerungsnetzwerk
Durch ETHERNET Powerlink werden die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Ethernet in industriellen Anwendungen deutlich. Die inhärente Echtzeitfähigkeit, Sicherheit und Kompatibilität von EPL haben in vielen Bereichen jenseits der mechanischen Fertigung große Beachtung gefunden. Als weltweit erstes industrielles Echtzeit-Ethernet wird es bereits umfassend in der mechanischen Automatisierung eingesetzt. In der Prozessautomatisierung, beispielsweise in der Energie-, Transport- und Bahnindustrie, findet ETHERNET Powerlink zunehmend Anwendung und entwickelt sich zu einem universellen industriellen Ethernet.
Informationen zum Autor: Ye Xin besitzt einen Master-Abschluss in Ingenieurwissenschaften der Universität Erlangen-Nürnberg. Von 1998 bis 2003 war er in der Forschung und Entwicklung am Hauptsitz von SIEMENS A&D in Nürnberg tätig. Seit 2003 leitet er das Pekinger Büro von B&R.
