Die Ethernet-Powerlink-Drehgeber hier im Einsatz in der Bühnentechnik

Die Ethernet-Powerlink-Drehgeber hier im Einsatz in der BühnentechnikPosital

Drehgeber mit Ethernet-Powerlink-Schnittstelle hat der Sensortechnik-Spezialist Posital seit 2004 im Programm. Diese waren mit einem 32-Bit-Mikroprozessor ausgestattet und wahlweise mit einer Anschlusshaube zum Einstellen des Gerätesegments der IP-Adresse oder als Low-Cost-Variante ohne Anschlusshaube verfügbar. Die neuen Ethernet-Powerlink Drehgeber basieren auf einer FPGA-Lösung von Altera und kommen in die Preisregionen von Modellen mit Feldbus-Schnittstelle. Als ein Problem bei der Entwicklung der Drehgeber kristallisierten sich die hohen Timing-Anforderungen bei der Synchronisation von maximal 1 µs heraus. Auch die kurzen Latenzzeiten für den bei Ethernet Powerlink erforderlichen Hub sind nicht einfach zu erreichen, um bei der Verkabelung eine Linienstruktur zu ermöglichen. Außerdem war die Verfügbarkeit der verschiedenen Ethernet Stacks entscheidend, um die am Markt gängigen Ethernet-Protokolle umzusetzen. Denn dies ermöglicht es, eine durchgängige Plattform als Basis für alle Ethernet-basierten Systeme zu nutzen. Das erhöht wiederum die Stückzahlen, senkt die Einkaufskosten und vereinfacht die Pflege der Software. Die verringerte Variantenvielfalt macht die Lagerbevorratung effizienter und verkürzt so die Lieferzeiten.

Vergleich der Vorteile von FPGAs und CPUs

Vergleich der Vorteile von FPGAs und CPUsPosital

Mit dem Altera-FPGA, auf dem der Drehgeber basiert, lassen sich die zeitlich kritischen Aspekte auf Hardware-Basis lösen und somit notwendigen Reaktionszeiten definiert sicherstellen. Durch eine Skalierung der Logikzellen des FPGAs besteht die Möglichkeit bei gleichem Footprint, bis zu zwei Soft-CPUs zu integrieren, um Stack und Applikation zu entkoppeln. Dies ist jedoch beim Ethernet-Powerlink-Design nicht erforderlich, wodurch eine der kleinsten und günstigsten FPGA-Ausführungen für die Anschaltung ausreicht. Bei komplexeren Funktionen im Drehgeber wie Nockenschaltwerk oder Bereichsschalter kann eine zweite CPU eine entsprechende Performance ermöglichen.

Protokoll-Features verbessern Bandbreite

Mit dem neuen Design lassen sich unter Berücksichtigung aller Features Zykluszeiten bis zu 400 µs oder bei geringem asynchronem Datenverkehr bis zu 240 µs erreichen. Neben dem klassischen Polling-Betrieb, bei dem der Master (Managing Node) jeden Slave (Controlled Node) abfragt, unterstützt das Powerlink-Protokoll die Modi ‚Poll Response Chaining‘ und ‚Poll Multiplexing‘. Ähnlich wie beim CANopen-Protokoll mit der Sync-Nachricht antworten die Controlled Nodes mit einem vordefinierten Zeitversatz auf die Nachricht vom Managing Node. Um die Bandbreite zu erhöhen, kann durch die vordefinierten Zeitslots die jeweilige Poll-Request-Anfrage vom Master an die verschiedenen Controlled Nodes entfallen. Im Multiplexing Mode werden die Netzwerkteilnehmer bei Bedarf auf mehrere Buszyklen verteilt, insbesondere dann, wenn einzelne Teilnehmer hinsichtlich der Prozessdaten nicht zeitkritisch sind. Durch die erweiterten Betriebsmodi können Anwender mit dem neuen Interface-Design eigene Applikationen im zeitkritischen Bereich effizient umsetzen.

Blockschaltbild der Ethernet-Powerlink-Drehgeber

Blockschaltbild der Ethernet-Powerlink-DrehgeberPosital

Einfach installieren

Ein Merkmal der Anschlusstechnik der Ethernet-Powerlink-Drehgeber sind die M12-Stecker, die Schutzart IP67 erfüllen. Mit standardmäßig verfügbaren, vorkonfektionierten Leitungen vereinfacht sich die Installation und Installationsfehler werden ausgeschlossen. Die bei der Vorgängergeneration abtrennbare, mit zwei Drehschaltern ausgestattete Anschlusshaube ist nun fest in den Drehgeber integriert. Zwei von außen zugängliche Hex-codierte Adressschalter, in Schutzart IP67, ermöglichen das einfache Einstellen der Host-ID innerhalb der Net-ID. Dadurch ist der Adressbereich des Netzwerks innerhalb der Anlage oder  Maschine definiert und immer identisch. Bei der übergeordneten Integration in Firmennetzwerke muss der Anwender zentral nur noch eine NAT (Network Address Translation) erstellen. Hierdurch vereinfachen sich Wartung und Integration für den Netzwerkadministrator. Aufgrund des in den Drehgeber integrierten Hubs und der kurzen Verzögerungszeiten lassen sich auch längere Linienstrukturen umsetzen. Die Diagnose-LEDs zeigen den Zustand für Traffic oder Link sowie den Gerätezustand aus Netzwerksicht an dem jeweiligen Anschluss an.

Gleich groß

Die Ethernet-Powerlink-Encoder, bei denen das Drehgeberprofil C2 nach DS-406 (CANopen) implementiert wurde, arbeiten mit einem optoelektronischen Messprinzip, das für störsicheres Abtasten sorgt. Die Single-Turn-Sensorik liefert eine Auflösung von 16 Bit pro Umdrehung. Bis zu 16.384 Umdrehungen (14 Bit) lassen sich zusätzlich im Multi-Turn-Modus erfassen, sodass die Drehgeber insgesamt eine Positionsauflösung von 30 Bit erreichen. Wie alle optischen Drehgeber des Unternehmens kommen sie ohne Pufferbatterie aus und liefern auch nach Bewegungen im stromlosen Zustand ohne Referenzfahrten stets aktuelle, absolute Positionswerte. Sie sind als Hohl- und Vollwellenversionen sowie optional auch als Edelstahlausführungen verfügbar. Die Bautiefe der neuen Drehgeber konnten die Posital-Ingenieure verringern – die Gehäuseabmessungen der Geräte sind nun identisch mit denen der Feldbusmodelle. Durch den Einsatz separater Bausteine für die physikalische Busanschaltung wurde die Wärmeverteilung auf der Platine verbessert, sodass keine Hot Spots entstehen und die Drehgeber bei Umgebungstemperaturen von -40 bis 85 °C zum Einsatz kommen können. Mithilfe einer XDD-Datei (XML Device Description) lassen sich die Drehgeber einfach in Projekte integrieren, Anwender müssen entsprechende Netzwerkparameter also nicht mehr aufwendig evaluieren. Der weite Eingangsspannungsbereich von 9 bis 35 V ermöglicht zudem den Einsatz in verschiedenen Applikationen.

Auf Basis derselben Altera-Plattform wird Posital voraussichtlich in der ersten Jahreshälfte 2013 auch Drehgeber mit Ethercat-Interface auf den Markt bringen. Ethercat – ein Protokoll mit hoher Bandbreite, das zeitkritische Anwendungen mit vielen Teilnehmern ermöglicht – und Ethernet Powerlink sieht das Unternehmen als Nachfolger von CANopen.

Klaus Matzker

ist Produktmanager bei Posital in Köln

(mf)

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