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SMC und Vetter Automation starten KooperationAusbau erfolgreicher Zusammenarbeit

Ausbau erfolgreicher Zusammenarbeit

Mit einer Kooperation bauen SMC und Vetter Automation ihre Zusammenarbeit weiter aus und haben jetzt eine Premium-Partnerschaft vereinbart.

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Ethernet Powerlink, Industrial Ethernet, Industrieroboter, Netzwerkkomponenten, Systemlösungen, AntriebstechnikHarte Zeiten

Die Vorteile des Ethernet, allen bekannt aus der IT-Welt, sind unbestritten. Es bietet eine durchgehende und einheitliche Kommunikation auf allen Ebenen und jeder Teilnehmer kann auf die für ihn relevanten Daten zugreifen. Auch der Einsatz in der Feldebene ist den Kinderschuhen entwachsen, zumindest was die aufgeweichte Variante der Echtzeit angeht, und bietet neue und transparente Möglichkeiten in der Produktion. Für hochdynamische, also zeitlich anspruchsvolle Abläufe, wurden den Anwendern mittlerweile erste, meist aber herstellerspezifische Lösungen vorgestellt. Die Suche nach echtzeitfähigen und durchgängigen Varianten ist daher in vollem Gange. Aber die Lösungsansätze sind sehr unterschiedlich, und trotz festgelegter Real-Time-Classes hat man den Eindruck, dass je nach Anwendung oder Branche die Lösung auch entsprechend ausfällt. Dies beginnt teilweise schon bei der Definition der ,,harten" Echtzeit für bestimmte Abläufe und reicht bis zu der Frage, ob das Aufsetzen auf die herkömmlichen Protokolle TCP – beziehungsweise UDP/IP für das Industrial Ethernet notwendig oder gar existentiell ist oder nicht.

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Die Protokolle

Automatisieren (AU): Harte Zeiten

Determinismus, Echtzeitfähigkeit, TCP/IP und ein offener Standard sind die am häufigsten genannten Begriffe wenn es um das Industrial Ethernet geht. Als deterministisch bezeichnet man hier einen zeitlich exakten und vorhersehbaren Datenaustausch, der zugleich auch noch echtzeitfähig ist, wenn ein Prozessablauf nicht aufgrund der Datenübertragung verzögert wird oder dadurch eine Fehlfunktion auftritt – dies ist eine der üblichen Definitionen. Ohne Protokolle läuft im Ethernet gar nichts, da es für sich alleine gesehen nur ein reines Datentransportsystem ist. Sie sind die notwendigen ,,Komponenten" für Datenübertragung und -kontrolle und zur Zeit Gegenstand häufiger und kontroverser Diskussionen. Ihren Aufbau kann man sich am einfachsten anhand eines Modells mit unterschiedlichen Niveaus, den sogenannten Schichten klarmachen. Ganz grob betrachtet sehen die untersten folgendermaßen aus: Es beginnt bei der ersten Schicht, dem reinen physikalischen Datentransportsystem des Ethernets, gefolgt von der zweiten, einem Zugriffsverfahren mit Sende- und Kollisionskontrolle, dem Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect (CSMA/CD). Darauf folgt dann das Internet Protocol (IP) zur Weiterleitung der Datenpakete im weltweiten Netz. Die darauf aufsetzenden Protokolle TCP und UDP als vierte Schicht sind für den exakten Ablauf dieses Tranfers zuständig. Darauf folgen dann weitere Protokolle, wie beispielweise das bekannte http, dessen vier Buchstaben mittlerweile wohl jeder schon einmal gesehen hat oder spezielle Antriebsprotokolle.

Eine der Hauptaufgaben des CSMA/CD ist, bei Datenkollisionen einen erneuten Sendeversuch zu starten. Sehr sinnvoll, aber auf den ersten Blick ist damit ein exaktes zeitliches Verhalten nicht voraussagbar – der Ablauf also nicht deterministisch. Mittlerweile sind wir aber bei 100 Mbit/s und einem geswitchten Fast-Ethernet mit Vollduplex–Betrieb (gleichzeitiges Senden und Empfangen) angelangt. Nur der Switch selbst, der das Netz in unterschiedliche Domänen aufteilt, beeinflusst noch die Durchlaufzeiten. Aber auch hier gibt es bereits neue Ansätze, oder man nutzt Hubs mit ihren kürzeren und fast konstanten Durchlaufzeiten. Kann das Netz dann auch noch so ausgelegt werden, dass die Auslastung nicht beliebig groß wird, ist ein Großteil der einfachen Steuerungen mit Ethernet und den bekannten Protokollen ohne Probleme möglich. In näherer Zukunft wird durch die Miniaturisierung auch das Gigabit-Ethernet in niedrigeren Preissegmenten angesiedelt sein und kann mit seinen entsprechenden Übertragungsraten dazu beitragen die Laufzeiten nochmals drastisch zu verringern.

Von hoher Dynamik...

In der Automatisierung geht es vermehrt aber auch um hochdynamische Prozesse mit synchron arbeitenden Achsen wie in der Roboterfertigung oder beim Einsatz komplexer Verpackungsmaschinen. Hier wurden zur Lösung bislang sehr unterschiedliche und herstellerspezifische Systeme eingesetzt, aber die Kommunikation war nicht durchgängig und damit begann die Suche nach Standard-Ethernetlösungen. Die schnellen Abläufe erfordern einen deterministischen und zeitsynchronen Datenverkehr mit Zyklus- und Jitterzeiten im Milli- beziehungsweise Mikrosekundenbereich. Die Reaktion müssen innerhalb eines genau definierten Zeitraums (Zyklus) erfolgen, und dies auch noch mit einem möglichst geringen Schwankungswert zwischen den einzelnen Ereignissen. Die Abweichung von diesem Sollwert ist als Jitter definiert, der natürlich möglichst klein sein sollte. Damit kommen wir zu einem neuen geplanten Echtzeit-Standard im Datenverkehr mit Zykluszeiten kleiner 200 ms, Jitterzeiten von 1 ms sowie einer Zeitsynchronisation von ebenfalls 1 ms, die auch über viele verteilte Teilnehmer hinweg gewährleistet werden soll.

...zum parallelen Ansatz

Die Unternehmen B&R, Hirschmann Electronics, Kuka, Lenze und die Züricher Hochschule in Winterthur sind Ende 2002 eine Kooperation eingegangen, um ein neues auf Ethernet basierendes Verfahren zu entwickeln. Es geht dabei um Mehrachs-Bahnsteuerungen, Servoanwendungen, Vernetzungen von Steuerungen in Echtzeit und Ankopplungen von dezentralen E/As. Der geplante Echtzeit-Standard und TCP/IP-kompatible Ansatz beruht zum einen auf synchronen und deterministischen Ethernet-Segmenten – dem bereits existierenden Powerlink-Verfahren der Firma B&R - zum anderen auf einer Uhrzeitsynchronisation gemäß dem Precision Time Protocol, dem neuen IEEE-Standard 1588. Bei dem Powerlink-Verfahren wird das konventionelle Protokoll durch einen zusätzlichen deterministischen Stack ergänzt, setzt also im Gegensatz zu den meisten anderen Lösungen direkt auf dem Standard Ethernet auf – ein Eingriff in die anfangs erwähnten untersten Schichten, der bislang meist vermieden wurde. Dieser Ansatz von B&R mit Hubs anstelle von Switches war eine der ersten funktionierenden, aber proprietären Lösungen. Dies soll sich jetzt ändern!

Zeitschlitze und Synchronisierung

Der Lösungsansatz läuft über ein Zeitscheibenverfahren, das Slot Communikation Network Managment (SCNM) und ermöglicht absoluten Determinismus und zeitsynchrone Aktionen aller beteiligten Stationen. Über den zentralen Manager werden die Zeitschlitze anderen Stationen zugeteilt, die nur nach Aufforderung senden dürfen. Der Datenaustausch zwischen den Stationen erfolgt dabei in einem zyklischen und genau definierten Zeitabstand (Powerlink-Zyklus), wobei innerhalb dieses Zeitraumes auch ein asynchroner Zeitschlitz existiert, in dem zusätzlich auch andere Daten übertragen werden können. Parameter wie Zykluszeit, Anzahl der Stationen und auch die Slotgrößen werden im Manager konfiguriert. Die Verbindungen erfolgen über Fast-Ethernet-Hubs, aufgrund ihrer fast konstanten Durchlaufzeiten, und die Synchronisierung der Uhren basiert auf dem IEEE-Standard 1588. Dabei fungiert eine präzise Uhr im Netz als Master-Clock und verteilt die entsprechenden Zeiten an die Endgeräte, die als Slaves arbeiten – Lauf- und Verzögerungszeiten werden dabei automatisch mit einbezogen.

Einige Grundvoraussetzungen, sind allerdings notwendig: Netzwerkkomponenten, die sich zwischen Master und Slave befinden, müssen den IEEE-Standard 1588 ebenfalls unterstützen. Dies gilt auch für Switche, deren Clock mit der Master-Clock synchronisiert sein muss, da sie ihrerseits über jeden ihrer Ports die korrekte Zeit als Vorgabe an alle angeschlossenen Endgeräte versenden. Wichtig ist hierbei, dass Ports und Endgeräte auf der Hardware- beziehungsweise Softwareebene ebenfalls auf diesen Standard zugeschnitten sind, damit ein geforderter schneller Zugriff überhaupt möglich wird. Hier stehen dem Anwender mittlerweile ein Vielzahl von Automatisierungskomponenten mit integrierten Schnittstellen zur Verfügung.

Die Brücke zur Welt

Mit dem beschriebenen Ansatz über Zeitschlitzverfahren, Zeitsynchronisation und Segmentierung wird dieses Verfahren in der Lage sein alle Anwendungen von hochdynamischen Prozessen zu realisieren. Darüber hinaus können alle Endgeräte auch über das Standardprotokoll TCP/IP kommunizieren, ein ganz wichtiger Punkt für die Durchgängigkeit des Ethernets, denn es soll ja beispielsweise weiterhin möglich sein mit einem Browser auf die Webserver der Endgeräte zuzugreifen. Ein neues Element, die Powerlink-Bridge, trennt den deterministischen Stack vom restlichen Ethernet-Netz und sorgt dafür, dass auch der externe Datenverkehr in den asynchronen Zeitschlitz des Powerlink-Rahmens eingepasst und der zyklische Datenverkehr nicht gestört wird.

Das Verfahren ist so ausgelegt, dass je nach Anforderungen auch einzelne Bausteine ausgewählt werden, das heißt es gibt unterschiedliche Betriebmodi. Sind kurze Zykluszeiten innerhalb eines abgegrenzten Segmentes gefordert, wird Powerlink eingesetzt, ohne dass eine separate Zeitsynchronisation erforderlich ist. Liegt hingegen die Priorität auf einer hohen Synchronität über viele Segmente hinweg, wird der genannte IEEE-Standard genutzt. Selbstverständlich ist auch eine Kombination möglich. Sogar für die ,,aufgeweichte" Echtzeit gibt einen Modus, der Zyklus und Jitter um mindestens eine Größenordnung langsamer macht, aber ohne Powerlink-Bridge und vor allem ohne die spezielle ,,1588er"-Hardware auskommt.

Die Qual der Wahl?

Durch dieses Verfahren mit Powerlink und dem IEEE-Standard 1588 wird dem Anwender demnächst eine weitere, offene Lösung für Echtzeitanwendungen zur Verfügung stehen. Was ist mit anderen Anbietern, deren Lösungen teilweise schon im Einsatz sind und die im Gegensatz zu der hier vorgestellten Version praktisch alle auf TCP/IP aufsetzen und somit auch durchgängig sind? Das Ziel ist bei allen gleich: Eine durchgehende Lösung zur Realisierung eines weltweiten Standards für die industrielle Kommunikation ohne herstellerspezifische Varianten und Probleme mit irgendwelchen Schnittstellen.

Hat der Anwender wieder mal die Qual der Wahl wie bei den Feldbussen, die jetzt fest etabliert sind und uns dank der Gateways als Verbindungsglied zum Ethernet ja auch noch eine ganze Weile erhalten bleiben? Der Großteil der Anwender wird mit Recht erst einmal abwarten welches Verfahren sich durchsetzt, und dies wiederum könnte neben der Technik auch von den Entscheidungen der ganz Großen abhängen. Vielleicht sind wir ja im November auf der SPS in Nürnberg schon einen Schritt weiter.Dr. Peter Stipp

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