»Wieviel Ethernet braucht eine Maschine denn?«

Anton Meindl - »Offenheit obsiegt, denn Powerlink ist die einzige Echtzeitkommunikation basierend auf Ethernet und offenen Standards, kompatibel mit CANopen, integriert Safety und Redundanz«, sagt Anton Meindl, Vorstandsmitglied der EPSG im Interview.

10. Mai 2007

Herr Meindl, Sie gelten als Erfinder von Ethernet Powerlink, erklären Sie uns doch zuerst einmal, warum man für die Automatisierung nicht einfach Standard-Ethernet verwenden kann?

Anton Meindl: Mit normalem Ethernet könnte das wohl auch funktionieren. Aber sollen wir den Maschinenbauern erzählen, »die Steuerung könnte wohl funktionieren «? Im Ernst, Standard-Ethernet, wie Sie es aus der Bürowelt kennen, ist, was sein Zeitverhalten betrifft, nicht berechenbar. Sie kennen das sicher aus Ihrer Office-Umgebung: Beim Speichern von Daten auf dem Server treten durchaus Zeitverschiebungen auf, je nachdem, wie viele Teilnehmer gerade das Netz benutzen. Also, was für die Automatisierung fehlt, ist die verlässliche Echtzeit. Für den Einsatz in der Steuerungstechnik muss die Kommunikation deterministisch, das bedeutet, zeitlich berechenbar und mit hoher Präzision synchronisierbar sein, um Regelaufgaben wie komplexe Bewegungssteuerungen zu realisieren.

Und das kann nur Powerlink?

Von den wohl heute am Markt etwa 20 verfügbaren oder angekündigten Ethernetbasierenden Feldbussystemen, nimmt Powerlink eine deutliche Vorreiterrolle ein. Denn Powerlink ist eine reine Softwarelösung auf der Basis von Standard-Ethernet. Dabei handelt es sich um ein streng zyklisches Protokoll, das den Zugriff auf das Netzwerk und die Synchronisation der Geräte organisiert. Die zeitliche Präzision liegt beim 100- MBit-Ethernet unter 1 μs bei einer lokalen Zykluszeit von 200 μs. Der Kommunikationszyklus unterteilt sich in eine isochrone Phase für zeitkritische und eine asynchrone Phase für weitere Daten. Dabei können alle Teilnehmer - anders als bei Wettbewerbssystemen - die Daten direkt mitlesen.

Kann ich denn heute meine Maschine konkret mit Powerlink automatisieren?

Kein Problem. Alle Powerlink-Komponenten, die Sie für die Ausrüstung auch komplexer Maschinen brauchen, sind am Markt von verschiedensten Herstellern erhältlich. Und mit 210.000 Knoten in 28.000 Serienmaschinen bei mehr als 200 Maschinenbauern ist Powerlink mit Abstand Marktführer bei Echtzeit-Ethernet. Die Zahlen sprechen für sich.

Herr Meindl, Sie sagen, mit mehr als 28.000 ausgerüsteten Maschinen sei Powerlink Marktführer. Das wird in der Branche aber kaum wahrgenommen. Können Sie das erklären?

Sie haben recht, der Markt nimmt uns nicht richtig wahr, auch wenn die Zahlen eine andere Sprache sprechen. Das hat mehrere Ursachen. Wir haben mit den Mitgliedern unserer User-Vereinigung EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group, Anmerkung der Redaktion) zwar die Normung und Erweiterung des Powerlink-Standards betrieben, dabei aber das Marketing für Powerlink nicht im gleichen Maße forciert wie die Wettbewerber. Sie haben ihre Systeme schon in der Konzeptphase dem Markt vorgestellt - ohne darauf zu warten, bis sie ein verkaufsfähiges System in der Hand haben, das sie auch liefern können. Ein zweiter Aspekt für die verbesserungswürdige Wahrnehmung liegt sicher in der demokratischen Struktur der EPSG begründet. Der Markt sieht jeweils nur auf einzelne Vertreter der EPSG und nicht unbedingt auf die gesamte Gemeinschaft. Das macht die Wahrnehmung diffuser im Vergleich zu einem einzelnen, großen Protagonisten.

Hat denn ein, wie Sie es nennen, ›demokratisches Gremium‹ Vorteile gegenüber einem starken Vordenker?

Ja, und das ganz eindeutig. Werfen wir dazu einen Blick zurück auf die letzte ›Feldbusschlacht‹: Lediglich Profibus als Hausbus von Siemens und CANopen als Kommunikationssystem vieler Mittelständler haben sich wirklich durchgesetzt. Betrachten wir CANopen, so hat eine Vereinigung Gleichgesinnter ganze Arbeit für den Markt geleistet. Jeder Mitwirkende hat davon profitiert und konnte seine Anforderungen in den Standard einbringen und das System insgesamt massiv stärken. Genau diese Erfahrungen machen wir bei Powerlink auch heute wieder. Eine der ersten Forderungen unserer Mitglieder lautete, die - kann man schon fast sagen - tausenden von investierten Softwarejahren einfach auf ein Ethernet- basierendes Echtzeit-Feldbussystem übertragen zu können. Das haben wir mit der Integration der CANopen-Profile realisiert. Dann gab es die Forderung nach einem redundanten Powerlink, die heute auch umgesetzt ist.

Heißt das, es gibt verschiedene Versionen von Powerlink?

Das ist richtig. Während die Wettbewerber mit ihrem System noch bei den Varianten 0,01 bis 0,9 sind, haben wir schon die Version 2 in hoher Auflage im Feld. Aber lassen Sie mich das erst einmal technisch erklären: V1 steht für die von Bernecker & Rainer 1999 erstmals vorgestellte Lösung eines Echtzeit-Feldbussystems auf Ethernet-Basis, das B& seit 2001 als Powerlink in seinen Automatisierungssystemen einsetzt. Mit der Offenlegung und Übergabe der Powerlink- Hoheit an die EPSG war auch B& ein Mitglied unter Gleichen und bietet nur noch Systeme nach dem von der EPSG definierten Standard an. Mit Integration der CANopen-Mechanismen waren die bestehenden Applikationen von B& nicht automatisch aufwärtskompatibel - deshalb die Unterscheidung von V1 und V2. Heute sind alle unsere Produkte einfach abwärtskompatibel. Das heißt, alle Komponenten, die Sie heute von uns kaufen können, laufen auch in bestehenden V1-Anlagen.

Was sollen die Anwender davon haben, das Sie eher im Markt waren? Das war Interbus auch und hat sich nur in Nischen etabliert.

Bei Powerlink sieht das anders aus, denn es gibt nicht nur einen, sondern eine ganze Reihe wichtiger Antreiber in der EPSG. Ich denke hier an Baldor, B& , Lenze oder Eckelmann, um nur einige zu nennen. Was die Anwender davon haben, will ich mal am Beispiel ›Auto‹ erklären. Warum warten denn die meisten Kunden ein Jahr, bevor sie sich die neue C-Klasse kaufen? Weil sie eben kein Auto mit Kinderkrankheiten haben wollen. Die sind bei einem Neuserienstart meist unausweichlich und auch Powerlink hatte sie in den Jahren 2001 bis 2003. Während Kinderkrankheiten bei uns Geschichte sind, fahren die meisten Wettbewerber von Powerlink mit ihrem Ethernet-Bus heute immer noch auf der Teststrecke, oder es sind Erlkönige - eben Prototypen für die Medien, oder sie warten noch auf ihre ASICs, die sie für die Umsetzung ihrer Komponenten brauchen.

Das Wort ASIC greife ich gleich mal auf. Sie setzen auf eine Softwarelösung, brauchen dafür aber eine leistungsfähige Hardware. Dabei kommen andere Echtzeit-Ethernet-Systeme mit billigen Einchip-Lösungen wie ASICs aus. Das ist doch ein Wettbewerbsnachteil für Powerlink, oder?

Ganz im Gegenteil. Denn erstens brauchen Sie für Powerlink nicht diese Prozessorleistung wie immer behauptet wird. Zweitens ist eine Softwarelösung langfristig immer besser, weil da nur die Entwicklungs- aber keine Herstellungskosten anfallen. Und drittens, wenn Sie nicht von einer vorgegebenen Hardware abhängig sind, können Sie sich auch noch Ihre individuelle Lösung gestalten. Bedenken Sie: Abhängigkeiten bedeuten immer auch, kontrollierbar und fremdbestimmt zu sein. Das ist beileibe kein optimaler Zustand für die Entwicklung einer strategisch wichtigen Technologie für das eigene Unternehmen. Ist Second-Source für die Auswahl eines Ethernet- basierten Feldbussystems zudem ein K.O.-Kriterium, liegen Sie bei Powerlink genau richtig. Powerlink ist ein Feldbusbetriebssystem, das auf Standard-Ethernet- Hardware läuft. Und anders als bei Windows ist die Softwarestruktur offengelegt und die Kommunikationsmechanismen sind genormt. Die Software kann jeder selbst schreiben und pflegen, außerdem bieten zahlreiche Software-Häuser Einstiegs- Tools zur schnellen Produktrealisierung an.

Welchen Mehrwert bietet Powerlink gegenüber CANopen außer ›schneller‹?

Powerlink ist in der 100-Mbit-Variante einmal 100-mal schneller und bietet über den Kommunikationsbus hinaus mit dem sicheren Protokoll Powerlink Safety die Integration eines Sicherheitsfeldbusses. Die Entwicklung des Protokolls wurde übrigens von Experten begleitet, die maßgeblich den Ethernet-basierenden Sicherheitsbus im Airbus A380 entwickelt haben. Erreicht haben wir vollständige Offenheit, höchste Performance, absolute Unabhängigkeit vom nicht sicheren Transportprotokoll sowie den transparenten Datenaustausch zwischen der sicheren und nichtsicheren Welt. Mit Powerlink Safety lässt sich die in IEC 61508 festgelegte Sicherheitsstufe SIL 3 (Safety Integrity Level) erreichen. Deshalb können Maschinen und Anlagen mit Powerlink ausgerüstet werden, für die ein Schutz nach SIL 3 vorgeschrieben ist. Gemäß der IEC 61508 bedeutet dies, dass pro Stunde nicht mehr als 10-9 Fehler auftreten dürfen. Insofern darf es, statistisch betrachtet, nur alle 115.000 Jahre zu einem gefährlichen Zustand durch einen Busfehler kommen. Ich glaube nicht, dass wir das noch erleben werden. Wir haben das sicherheitsgerichtete Protokoll dabei so entwickelt, dass es sich nicht nur für ein bestimmtes Netzwerk nutzen lässt. Alle Maßnahmen zur Fehlervermeidung sind komplett in sicherheitsgerichtete Protokollschichten implementiert. Die speziellen Eigenschaften oder Merkmale des untergelagerten Transport-Protokolls durften deshalb nicht verwendet werden. Powerlink Safety ist daher vom Transportprotokoll komplett unabhängig und damit auch für nicht Ethernet-basierende Netzwerke nutzbar.

Ist Powerlink ist Hot-Plug-fähig?

Ja. Sie kennen das Prinzip aus dem Home- und Office-Bereich. Steckt man zum Beispiel die Netzwerkleitung in seinen Laptop, kann dieser mit allen freigegebenen Geräten kommunizieren. Wird der Stecker entfernt, bleibt das übrige Netzwerk im Regelfall stabil. Noch verlässlicher funktioniert das bei Powerlink. Hier wird durch die dynamische Konfiguration erreicht, dass Teilnehmer einfach gewechselt, entfernt oder hinzugefügt werden können, ohne eine Anwendung anhalten zu müssen. Damit kann man bei Maschinen im laufenden Betrieb Zusatzaggregate wechseln. Unterm Strich lassen sich deshalb mit Powerlink sogar ganz neue Maschinenkonzepte verwirklichen.

Laufen denn Powerlink und Powerlink Safety in der Maschine auf einem Kabel?

Auf einem Bus selbstverständlich. Wir zeigen den bisher üblichen, aufwendigen Doppelverkabelungen mit Sicherheits- und Feldbus die rote Karte. Die Daten von sicherheitsgerichteten Geräten lassen sich auf diesem Weg auch von anderen Geräten direkt mit auswerten. Mit einer möglichen Refresh-Zeit von 200 μs bietet Powerlink Safety das derzeit schnellste Protokoll für die Lösung sicherheitsgerichteter Applikationen.

Ihr System gilt nicht als die schnellste Variante im Ethernet-Echtzeit-Vergleich. Wie ordnen Sie Powerlink hier ein?

Drehen wir die Frage um. Wo liegt denn eigentlich die maximal benötigte Übertragungsrate eines Bussystems? Ziehen wir dazu ganz konkret eine Anwendung in Form einer typischen Musterapplikation heran, bei der der Momentenregelkreis von 100 Servoachsen über den Bus geschlossen werden soll. Bei einer Stromregelung mit 16-kHz-Intervall, ergibt sich eine Zykluszeit von 62,5 μs. Bei einer zyklischen Datenmenge von 32 Byte Ein- und Ausgangsdaten (Rotorlage, Strommessung, IGBT-Ansteuerung), ergibt sich pro Antrieb eine zyklische Datenmenge von 4 Mbit/s bei 100 Antrieben also 400 Mbit/s. Als Synchronisationsanforderung nehmen wir einen Jitter von ±1μs und als zusätzliche Anforderung einen zyklischen Datenquerverkehr, um gekoppelte Funktionen zwischen allen Busteilnehmern realisieren zu können. Diese extremen Anforderungen, gelöst mit einer zentralen Steuerungsarchitektur, lassen sich mit dem nahen 1-GBit- Powerlink sehr gut umsetzen. Vor dem Hintergrund, dass es sich bei Powerlink um ein komplett offenes, Software-basiertes System handelt, ist lediglich die Hardwareplattform mit Standardbausteinen auszutauschen. Aber verlassen wir ein Stück weit die Geschwindigkeitsdiskussion und werfen stattdessen einen Blick in die Praxis. Antriebshersteller bauen in der Regel eben nicht auf eine zentrale Architektur, sondern auf dezentrale Strukturen. Das hat zur Folge, dass nur bei einem zentralen Ansatz, auf dem sogar die Stromregler auf einen zentralen PC gerechnet werden, diese Übertragungsleistungen überhaupt gebraucht werden. Soviel zu den maximalen Anforderungen. Wenn Sie zum Beispiel größere Datenmengen zyklisch übertragen müssen, stellen Sie beim Vergleich zwischen den Echtzeit-Ethernet-Varianten plötzlich fest, dass zum Beispiel Powerlink in der 100- Mbit-Variante doppelt so schnell ist wie seine Wettbewerber. Seien wir also ganz ehrlich, die Geschwindigkeitsdiskussion ist wirklich out. Gehen Sie einfach davon aus, dass sich die meisten Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau sowie der Prozessindustrie mit praktisch allen Varianten der Ethernet-Echtzeit-Fraktionen lösen lassen. Die Frage ist, wie offen, wie sicher, wie komplex, wie verfügbar, und von wem der jeweilige Protagonist beherrscht ist. Alle diese Punkte sprechen für Powerlink.

Peter Schäfer

ZUR PERSON

¦ Anton Meindl (40) leitet seit Mitte 2000 die Business Unit Controls bei Bernecker & Rainer Industrie Elektronik GmbH in Eggelsberg in Österreich.

¦ Nach Abschluss der Studiengänge Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen an der FH München war Meindl in internationalen Unternehmen in den Bereichen Applikation, Vertrieb, Projektmanagement, sowie Fabrik- und Fertigungsautomatisierung tätig. 1999 wechselte Anton Meindl zu B& .

Erschienen in Ausgabe: 03/2007