Kraftvolle Verbindung

Vor gut einem Jahr erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt, hat ETHERNET Powerlink mittlerweile in verschiedensten Echtzeit-Applikationen seine Bewährungsprobe bestanden.

Was Ethernet in der Automatisierung angeht, ist die Euphorie der letzten Jahre einer realistischeren Betrachtungsweise gewichen. Viele Erwartungshaltungen bezüglich des Einsatzes von durchgängigen Standards wie der Protokolle TCP/IP oder UDP/IP unter Echtzeitbedingungen wurden nicht erfüllt. Bei genauerer Betrachtungsweise zeigen sich folgende Gründe: Der Einsatz von TCP/IP oder UDP/IP in Echtzeit bedingt ein kollisionsfreies Netzwerk, das man mittels Switches erreicht. Damit werden so genannte “Collision Domains” geschaffen, in denen man das gesamte Netzwerk in viele einzelne, durch Switches abgeschlossene Segmente unterteilt. Alle diese Abschnitte stellen quasi Punkt-zu-Punkt Verbindungen dar, die aufgrund von bidirektionalen Verbindungen Kollisionen vermeiden. Dadurch ist die Voraussetzung erfüllt um deterministische Kommunikationsbeziehungen auf dem Netzwerk erreichen zu können. Für viele Anwendungen sind die damit erreichbaren Echtzeitbedingungen einfach nicht ausreichend. Dafür sind einerseits die durch Switches hervorgerufenen Latenzzeiten zu groß und andererseits der durch die Switch-Software unvermeidliche Jitter zu hoch. Zusätzlich machen sich die unvermeidbaren Laufzeiten der Protokollbearbeitung in den Kommunikationsverbindungen stark bemerkbar.
Zur Erklärung: Jitter ist das Maß für die zeitliche Schwankung des Eintreffens eines Ereignisses. Beispiel: Jede Millisekunde soll ein Positionswert über ein Netzwerk aktualisiert werden, der Wert trifft real aber jede Millisekunde mit einer Schwankung von ±50 µs ein. Der Jitter beträgt damit in diesem Beispiel 100 µs. Die Größe des Jitters beeinflusst direkt die Qualität eines Antriebsverbundes.
Echtzeitlösung mit Ethernet
Um diese Probleme zu vermeiden und ein wirklich echtzeitfähiges Ethernet-Netzwerk zu schaffen, muss ein komplett anderer Ansatz verwendet werden: Der Ersatz von TCP/IP bzw. UDP/IP durch einen deterministischen und damit industrietauglichen Stack mit definierten Kommunikationsbeziehungen. Praktisch umsetzbar ist eine solche Anforderung durch Datenverkehr in vorgegebenen Slots. Bei ETHERNET Powerlink nennt sich dieser Ansatz Slot Communication Network Management.
Vollständig auf Standard Fast Ethernet mit 100 Mbps basierend, sind so reale Zykluszeiten in Applikationen von 400 µs oder sogar darunter möglich. Der nachgewiesene Netzwerkjitter liegt dabei unter 1 µs. Aufgrund dieser Echtzeitanforderungen sind nur Hubs zulässig. Switches genügen diesen Anforderungen nicht.
Anforderungen in der Applikation
An sehr schnelle Netzwerke werden in unterschiedlichen Applikationen auch unterschiedlichste Anforderungen gestellt. Aus Sicht des Kunden geht es letztendlich immer um die Optimierung von Taktzeiten, das Erhöhen von Präzision oder die Steigerung von Maschinenflexibilität. Zur Umsetzung dieser Anforderungen reicht es meist nicht mehr aus reine Antriebsnetzwerke parallel zu I/O-Kommunikationsnetzen zu installieren. Durch die immer komplexer werdenden Bewegungsabläufe, z. B. bei Verpackungsmaschinen, bei Spritzgussmaschinen oder bei sehr schnellen und mit anderen Bewegungen kombinierten Schneidevorgängen, wird es zunehmend wichtig auch das I/O im gleichen Netzwerk, mit gleich hoher Performance, absolut synchron zu den Bewegungen und vollständig synchron zu den SPS-Programmen übertragen zu können.
Während bei Netzwerken mit überwiegendem Zuschnitt auf Antriebe, die Einbindung von digitalen oder analogen I/O sich relativ schwierig gestalten kann, liegt die Prämisse bei ETHERNET Powerlink ganz anders: Powerlink ist von Haus aus für die ganze Palette eines Automatisierungsverbunds ausgelegt, bestehend aus I/O, Antrieb, Visualisierung und SPS. Dabei werden ohne Beeinflussung der zyklischen Kommunikation, Prozessparameter oder Kurvenscheiben nachgeladen bzw. Prozessdaten zur SPS hochgeladen. Selbst bei voll laufender Maschine und Zykluszeiten von 400 µs, ist das mit Hilfe der azyklischen Kommunikation möglich. Auf dem gleichen Weg laufen beispielsweise Programm-Downloads, Trace-Uploads zu Diagnosezwecken und die gesamte restliche transparente Kommunikation, z. B. für Visualisierungsaufgaben. Hier wird mit Powerlink die zur Verfügung stehende Bandbreite von 100 Mbps bei Fast Ethernet optimal ausgenutzt.
In der Praxis gezeigt wurden diese Vorteile von ETHERNET Powerlink unter anderem auf einer neuen Verpackungsmaschinen-Generation mit bis zu 19 Achsen. Diese Anlagen laufen mit einem Netzwerkzyklus von 800 µs. Prozessbedingt sind sämtliche Achsen hoch komplex miteinander verbunden, zum Teil über mehrere Ebenen zueinander verschachtelt, d. h. dass Slaveachsen wiederum für andere Achsen gleichzeitig Masterachsen darstellen. Bei der Maschinenausführung mit 19 Achsen sind davon mindestens fünf Achsen mit Master-Funktionalität. Neben diesen physikalischen Achsen gibt es weitere virtuelle Achsen im System, um die Bewegungsabläufe optimal zu steuern. All diese Vorgänge sind sehr dynamisch gestaltet. Ständig wird im vollen Lauf der Prozess adaptiert, abhängig von den aktuellen Prozessparametern:
? Nockenschaltwerke werden direkt im Antrieb im 400 µs-Raster nachgeführt.
? Prozesszeiten werden abhängig von der aktuell produzierten Qualität unmittelbar nachgeregelt.
Möglich wird dies unter anderem durch die Intelligenz der B&R-Antriebe ACOPOS, die neben den äußerst schnellen Bewegungsregelungen, auch eine sehr einfache Skalierbarkeit der Maschine gewährleisten, ohne dass die zentrale SPS oder Soft-SPS auf dem IPC hier mitwachsen müsste. Selbst mit sehr kleinen Steuerungen sind bei diesem Konzept der echt verteilten Intelligenz in den Antrieben umfangreiche Applikationen möglich. Grundvoraussetzung dafür ist ein leistungsfähiges Netzwerk und die entsprechenden Netzwerkmechanismen, die von ETHERNET Powerlink zur Verfügung gestellt werden. Die Kommunikation läuft nicht über einen Master, sondern die Antriebe können auch untereinander über Broadcastdienste kommunizieren. Ein entscheidender Vorteil, denn dadurch werden unnötige Netzwerkzyklen zur Kommunikation vermieden und letztendlich Maschinenzyklen erhöht.
Dass bei 19 Stationen das Ende der Fahnenstange lange noch nicht erreicht ist, wurde mit einer weiteren Applikation dokumentiert: 50 Achsen und weitere 50 I/O-Stationen sollten ohne Einschränkung der Kommunikationsmöglichkeiten mit schnellst möglicher Zykluszeit verbunden werden. Bei den I/O-Stationen handelte es sich um EX481 bzw. EX484 Buscontrollern mit entsprechenden 2003 I/O-Modulen. Die Theorie für einen derartig großen Aufbau ergab eine erreichbare Zykluszeit von 2,4 ms. Zur Überprüfung und zur Demonstration der Leistungsfähigkeit von ETHERNET Powerlink wurde dieser Aufbau in die Praxis umgesetzt und tatsächlich problemlos erreicht. Dabei waren die ACOPOS-Achsen in mehrere logische Masterachsen mit jeweils den zugehörigen Slaveachsen aufgeteilt, aber trotzdem voll synchron zueinander verbunden. Ebenso synchron liefen die I/Os auf dem gleichen Netzwerk.
Nicht nur bei so extremen Anforderungen spielt ETHERNET Powerlink seine volle Leistungsstärke aus, sondern auch in Applikationen mit wesentlich weniger Stationen können damit Maschinen in neue Leistungsbereiche in Bezug auf Geschwindigkeit, Taktzahl oder auch Präzision vordringen.
Produkte
Im Laufe des letzten Jahres wurde sehr viel Entwicklungsarbeit geleistet, um die B&R Produktpalette durchgängig mit Powerlink zu verbinden.
Es beginnt bei dem Buscontroller zur Anbindung von digitalem und analogem I/O an das Netzwerk. Für das B&R System 2003 sind zwei Buscontroller-Varianten erhältlich, einmal mit einfachem RJ45-Anschluss und in der zweiten Ausführung mit integriertem 4-fach Hub. Für das leistungsfähigere System 2005 wurde ebenfalls ein Buscontroller entwickelt, der einen 2-fach Hub “on board” hat. Damit sind beide Systeme als modulare ETHERNET Powerlink I/O-Anschaltung verfügbar.
Zur Anbindung der ACOPOS-Servoantriebe wurde eine eigene Anschaltbaugruppe entwickelt, ebenfalls mit integriertem 2-fach Hub.
Um SPS-CPUs an Powerlink Netzwerke anzuschließen, gibt es diverse weitere Module: Für die Systeme 2003, 2005 und für das PowerPanel-System (SPS und Visualisierung in einem Gerät) wurde ein Standard-Schnittstellenmodul mit einem Powerlink-Anschluss gebaut. Für die leistungsfähigeren Intel-basierenden Systeme gibt es die sogenannten aPCI-Module, derzeit in zwei Ausführungen: Powerlink mit RS232 und Powerlink mit CAN.
Für die Kommunikation der IPCs mit ETHERNET Powerlink ist eine PCI-Karte erhältlich. Darauf befindet sich neben dem RJ45 Anschluss für Powerlink als weitere Schnittstelle ein CAN-Anschluss. Zur Abrundung der Produktpalette ist ein industrietauglicher 8-fach Standard Hub verfügbar.
ETHERNET Powerlink ist über das gesamte B&R Produktspektrum einsetzbar und steht damit für den praktischen Einsatz in der gesamten Bandbreite von Applikationen zur Verfügung.

Bernecker+Rainer
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