Bus zur Maschine

Powerlink ? Anwender sind unabhängig von proprietärer Produktpolitik, so die Ethernet Powerlink Standardization Group. Sie können selbst an der Weiterentwicklung des Systems teilnehmen und das Produkt nach eigenen Bedürfnissen modifizieren.

14. November 2007

Ethernet funktioniert nach dem Broadcast-Prinzip. Wie im Rundfunk, bei dem alle, die ein Radio besitzen, den Sender empfangen können, so empfangen alle Teilnehmer des Netzes sämtliche Daten, die andere Teilnehmer senden. Eine eindeutige Zieladresse in den Datenpaketen stellt aber sicher, dass nur die Geräte angesprochen werden, die die Befehle ausführen sollen. Das Carrier Sense Multiple Access/Collision- Detection-Verfahren (CSMA/CD) verhindert, dass die angeschlossenen Geräte gleichzeitig senden und es zu Datenkollisionen kommt. Jedes Gerät »horcht« gleichsam ins Netz. Empfängt es keine Signale, kann es senden. Dennoch kann es zur gleichzeitigen Signalabgabe verschiedener Geräte kommen. Dann unterbindet die Collision Detection die Sendung und das Gerät versucht jeweils nach Ablauf eines zufälligen Zeitintervals solange erneut zu senden, bis die Leitung frei ist. Auf diese Weise funktioniert die Übertragung zwar ohne Daten-, jedoch mit Geschwindigkeitsverlusten. Der Einsatz von sogenannten Switches verbessert den Datenverkehr zusätzlich. Diese Geräte, die wie »intelligente« Hubs funktionieren, merken sich die Zieladressen der angesteuerten Geräte. Sie bilden Knotenpunkte im Netzwerk, die die Daten gezielt in die Richtung der jeweilig angesprochenen Adresse dirigieren. Andere Datenleitungen und die dort angeschlossenen Geräte werden in der Folge nicht mehr mit Daten belastet, die für sie keine Rolle spielen. Durch diese Lenkung des Datenverkehrs verringern sich nicht nur Kollisionen, sondern auch das Gesamtdatenaufkommen im Netz erheblich. Gemeinsam führen diese Eigenschaften zu der hohen Flexibilität und »Hotplug«-Fähigkeit von Ethernet: Zusätzliche Geräte lassen sich ohne nennenswerten Konfigurationsaufwand und im laufenden Betrieb zuschalten. Die ursprüngliche Datenübertragungsrate von Ethernet betrug 10 Megabit pro Sekunde. Der Nachfolger aus den 80er-Jahren, das sogenannte Fast Ethernet, brachte es auf 100 Megabit. Dieser Standard ist noch heute sehr verbreitet. Auch für den industriellen Einsatz reicht diese Übertragungsrate erfahrungsgemäß vollkommen aus. Seit dem Jahr 1998 kam bereits Gigabit-Ethernet mit der zehnfachen Geschwindigkeit von Fast Ethernet immer häufiger zum Einsatz. Im Jahr 2002 zertifi zierte die IEEE 10-Gigabit-Ethernet.

Zeitechte Datenübertragung

Die Flexibilität der Ethernet-Datenübertragung hat aber ihren Preis. Da die Kollisionsvermeidung dafür sorgt, dass sich die Netzteilnehmer mit dem Senden von Daten zurückhalten, bis die Leitung frei ist, kommt es zu Signalverzögerungen. Der Otto Normalanwender stört sich nicht daran. Er ist zufrieden, wenn der Zugriff auf eine Anwendung »fast sofort«, mit wenigen Zehntelsekunden Verzögerung, erfolgt. Ganz anders sieht die Sache allerdings für denjenigen aus, der eine Servoachse steuern will. Moderne Servoachsen werden mit bis zu 16 kHz getaktet. Bei Signalen, die nur noch wenige hundert Mikrosekunden dauern, sind selbst noch Verzögerungen im Millisekundenbereich inakzeptabel. Powerlinik, EtherCAT, Sercos III, Profi net IRT und Ethernet/IP zählen zu den verbreitetsten ? sind aber längst nicht alle ? der ethernetbasierten Lösungen für den industriellen Einsatz, die in Echtzeit Daten übertragen können. Unterschiede dieser Echtzeit- Ethernetsysteme liegen in der Übertragungsgeschwindigkeit, vor allem aber in den Formen des Netzwerkaufbaus, die sich damit realisieren lassen. Da die grundsätzlichen Eigenschaften von Ethernet dazu führen, dass die Teilnehmer »durcheinanderbrabbeln« und die Datenübertragung dadurch asynchron, also mit zeitlicher Verzögerung stattfindet, mussten die Entwickler einen Weg finden, dass sich die Teilnehmer nur dann melden, wenn sie dazu aufgefordert werden. Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass das Protokoll einen »Gesprächsleiter« ernennt: Eine SPS oder ein PC mit SPS-Einheit bekommt die Rolle des Moderators zugewiesen, der das »Rederecht« vergibt. Vom Prinzip her ist diese Kommunikation so aufgebaut wie ein Gesprächskreis, in dem ein Talkmaster einmal der Reihe nach jeden Anwesenden zu einem Statement auffordert und ihm dafür einen festen Zeitrahmen setzt. Nachdem der letzte Teilnehmer in der Runde seine Aussage beendet hat, stellt der Moderator die nächste Frage. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass innerhalb eines fest definierten Zeitraums alle Teilnehmer zu Wort kommen und dass niemand durcheinander redet, was zu zeitlichen Verzögerungen führen würde. Auch in einer solchen Gesprächsrunde mit festen Vorgaben sind unterschiedliche Abläufe denkbar. So könnten die Teilnehmer in einem Kreis sitzen und der Moderator gibt dem ersten Gesprächsteilnehmer einen Zettel mit sämtlichen Fragen. Der Angesprochene notiert die Antwort zu seiner Frage auf den Zettel und reicht den Fragebogen an seinen nächsten Nebenmann. Der verfährt auf die gleiche Art und so weiter. Nach einem Durchlauf erreicht der fertig ausgefüllte Bogen wieder den Moderator, der daraufhin den nächsten Fragebogen herumreicht. Keiner der Teilnehmer weiß, was der Nebenmann gerade aufschreibt. Bei dieser Lösung muss das Netzwerk eine ringförmige Struktur aufweisen.

Synchronisation bei Powerlink

Ein etwas anderes »Gesprächsverhalten« auf ähnlicher Grundlage sorgt bei Powerlink für die zeitliche Synchronisation. Die Protokollerweiterung wurde ursprünglich von B& entwickelt. Die Freigabe der Entwicklung für andere Firmen führte 2002 zur Gründung des demokratisch organisierten Standardisierungskonsortiums Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG), deren Mitglieder ihr Know-how tauschen und die Entwicklung vorantreiben. Powerlink schreibt keine feste Topologie vor. Auch hier »leitet« ein Moderator das Maschinengespräch. Ebenfalls verwendet das Protokoll Zyklen, in denen jedem Teilnehmer eine feste Antwortzeit vorgegeben wird. Der Unterschied zum oben genannten Beispiel besteht aber darin, dass jeder Teilnehmer die Antworten der anderen »mithören « und diese Informationen gegebenenfalls als Anweisung für eigenes Verhalten auswerten kann. Mit anderen Worten: Die Teilnehmer können sich während eines Zyklus untereinander und ohne den Um weg über den Moderator verständigen. Da das Protokoll feste Zeiten und die Reihenfolge der »Gesprächsbeiträge« vorschreibt, kommt es trotzdem zu keinen Verzögerungen. Durch einen weiteren Kniff erlaubt Powerlink zudem die Übertragung weiterer Daten innerhalb eines Zyklus, die nicht unmittelbar mit der Maschinensteuerung zu tun haben: Jeder Zyklus wird in zwei Phasen aufgeteilt, in eine Phase für die Übermittlung synchroner und eine Phase für die Übermittlung asynchroner Daten. Sind die zeitkritischen Daten der synchronen Phase abgearbeitet, steht der Rest der Zykluszeit für die Übertragung von Anwenderdaten zur Verfügung. Diese Daten, deren Übertragung verzögert erfolgen darf, werden »häppchenweise « auf die asynchronen Phasen mehrerer Zyklen verteilt. Über Router findet der Datenaustausch ins Internet statt.

Powerlink und CANopen

Diese Verfahren zur Synchronisation besitzen zudem einen weiteren Vorteil. Durch die strenge Reglementierung der Datenübertragung lässt sich von vornherein berechnen, welches Datenaufkommen pro Zeit das Netzwerk bewältigen muss. Die EPSG verabschiedete 2003 die Spezifikation Powerlink V2. Wichtigste Erweiterung dieser Version war eine standardisierte Anwendungsschnittstelle auf Basis der in CANopen definierten Profi le. Mit dieser Schnittstelle gewährleisten die Entwickler die Interoperabilität zu anderen Automatisierungssystemen und erlauben es Anwendern von Powerlink, eine Vielzahl von standardisierten Geräteprofilen zu verwenden. In den Geräteprofilen werden herstellerunabhängig die Grundfunktionen jeder Geräteklasse eindeutig definiert und die Bedeutung der übertragenen Daten festgelegt. Das ermöglicht industrielles »Plug & Play«: Geräte mit demselben Profi l lassen sich einfach und ohne Konfigurationsaufwand austauschen. Der Ethernetbus umschließt im OSI-Modell der Datenübertragung nur die untersten physikalischen Schichten. Ethernet ist also gleichsam nur das Fahrgestell, auf dem sich beliebige Daten durch die Leitungen bewegen können. Da CANopen im Datenübertragungsmodell nur die höheren Anwendungsschichten belegt, ist seinen Datenobjekten im Prinzip egal, mit welchem »Fahrzeug« sie unterwegs sind. Somit integriert Powerlink die volle Funktionalität dieses Kommunikationsprotokolls. Will ein Betreiber eines bereits bestehenden CAN-basierten Netzwerks seinen Bus auf Powerlink umstellen, muss er allerdings die Buscontroller, in der Regel in Form von Steckkarten, austauschen. Sonst kämen sich CAN und Ethernet auf der untersten physikalischen Schicht des Netzwerks ins Gehege. Die Flexibilität von Powerlink ist die Grundlage für zwei weitere Entwicklungen in der Netzwerktechnik, denen zurzeit große Aufmerksamkeit zukommt: der Hochverfügbarkeit in Netzwerken und der Notabschaltung. An Notaus-Vorrichtungen werden spezielle Ansprüche gestellt. Um zu garantieren, dass sie immer funktionieren, brauchten Safety- Applikationen zur Notabschaltung in Hardwaresystemen lange eine eigene Verdrahtung. Seit einigen Jahren verfolgen auch hier die Hersteller ethernetbasierter Feldbusse die Strategie, Safety-Funktionen in das Bussystem zu integrieren und die aufwendige Extraverkabelung einzusparen.

Powerlink Safety

Powerlink Safety ist das erste offene echtzeitfähige Ethernet-Protokoll im Bereich der Sicherheitstechnik für Automatisierung. Mit dem vom TÜV Rheinland freigegebenen Protokoll lassen sich Systeme bis zur Sicherheitsstufe SIL-3 gemäß IEC61508 verwirklichen. Es eignet sich für Kommunikationszyklen bis in den Mikrosekundenbereich. Da Powerlink Safety die Übertragung der Daten sowohl auf Vollständigkeit als auch in zeitlicher Hinsicht ständig überwacht, stellen auch unsichere Netzwerke und Transportprotokolle keine Einschränkungen für die Funktionalität dar. Powerlink Safety benötigt dabei nicht Powerlink als Grundlage. Auch andere Übertragungsprotokolle wie CAN können als Übertragungsprotokolle verwendet werden.

Redundanz

Alstom, Mitglied der EPSG, hat mit Powerlink für die Prozessindustrie einen Feldbus mit höchster Ausfallsicherheit entwickelt. Durch eine Erweiterung des Powerlink-Protokolls lassen sich mehrere zentrale Steuerungen redundant einsetzen. Sollte beispielsweise ein steuernder Industrie-PC ausfallen, bemerkt ein redundantes Gerät den Ausfall innerhalb kürzester Zeit und übernimmt dessen Funktion. Genauso lassen sich redundante Datenkabel legen. Eine Anordnung von speziellen Switches, Link- Selectors, reagiert auf eine Kabeldurchtrennung und verbindet die angesteuerten Geräte mit dem redundanten, signaltragenden Kabel. Zudem meldet der nächstliegende Link-Selector den Ort des Ausfalls. Wie durch die EPSG vorgesehen, stellt Alstom seine Entwicklungen anderen Mitgliedern zur Verfügung.

Rüdiger Eikmeier/ps

FAKTEN

¦ Welche Vorteile hat Ethernet gegenüber anderen Feldbussen? Mit Ethernet lassen sich wie mit keiner anderen Technik durchgängige Lösungen für das gesamte Unternehmen schaffen.

¦ Sind herkömmliche Feldbusse seitens Bandbreite und der Protokolle auf die Feldebene zugeschnitten, lassen sich Ethernet-Protokolle für die Übertragung aller denkbaren Daten einsetzen und somit alle Ebenen, von der Führungsüber die Leit- bis zur Feldebene, durchgängig vernetzen.

Fakten

¦ Standard-Ethernet ? für die Automation zu langsam? Das ›normale Wald und Wiesen‹-Ethernet ist aufgrund seiner flexiblen Struktur für die hohen Ansprüche in der modernen Automation zu langsam. Deswegen mussten die Anbieter von Ethernet für den industriellen Einsatz die Technik modifizieren. Durch die Erweiterungen erreichten sie Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich.

Erschienen in Ausgabe: 08/2007