POWERLINK Basics...n 0,1 μs Systemsynchronisation n 100 μs Zykluszeit n 100 Mbit/s Bandbreite n Hoher Datendurchsatz auch bei kleinen Zykluszeiten n 240 Teilnehmer z. B. 480 synchronisierte

POWERLINK Basics

Systemübersicht

PL_FLY_Basics_de_RZ_140416.indd 1 16.04.14 16:10

IT (Office, Internet)

Site level

Fieldbus technology Industrial Ethernet

Process level

Control level

Gateways FieldbusEthernet

IT (Office, Internet) StandardEthernet

IndustrialEthernet

Real-timeEthernet

+ + +

– + +

– – +

Warum Echtzeit Industrial Ethernet?

In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurde in der

Automatisierungsbranche eine große Zahl neuer

Feldbusentwicklungen auf die Datenkommunikation

der Prozess- und Fertigungssteuerung ausgelegt.

All diese Busse aber unterliegen unterschiedlichsten

Einschränkungen. Deshalb wuchs das Bedürfnis

nach einem einheitlichen zuverlässigen Kommu-

nikationssystem, das hohe Flexibilität und breite

Kompatibilität vereinen sollte. Zudem sollte eine

neue Lösung auch offen für zukünftige Weiterent-

wicklungen sein. Zunächst bot sich Ethernet an:

Diese Technik war erprobt, patentfrei und weit-

reichend normiert und besaß das Potenzial, als

durchgängige Kommunikationslösung Leit-,

Prozess- und Feldebene miteinander zu verbinden.

Doch das Standard-Ethernet ist in Verbindung mit

einem Internet-Protokoll wie TCP/IP nicht dafür

geeignet, Daten in harter Echtzeit zu übertragen.

Bei der Datenübermittlung treten nicht vorher-

sagbare Verzögerungen auf, die durch den CSMA/

CD-Mechanismus (Carrier Sense Multiple Access/

Collision Detection) verursacht werden. Dieser

Mechanismus – ein zentraler Bestandteil des

Ethernet standards IEEE 802.3 – dient der Ver-

meidung von Datenkollisionen, die bei Ethernet

aufgrund der speziellen Übertragungsweise auf-

treten können. Um auf der Grundlage von Ethernet

dennoch echtzeitfähige Feldbusse zu entwickeln,

haben die Hersteller unterschiedliche Ansätze

gewählt, um diese Verzögerungen zu vermeiden.

Diese Lösungen werden unter dem Begriff „Echtzeit-

Industrial Ethernet“ zusammengefasst. Im Folgen-

den stellen wir Ihnen POWERLINK vor, das heute zu

den weltweit erfolgreichsten Industrial Ethernet-

Systemen mit Echtzeit-Fähigkeit zählt.

2


Inhalt E I N F Ü H R U N G | Anwendungsbereiche

4 Ein Netzwerk für alle Systeme

5 Architekturen, Leistungsklassen, Branchen

T E C H N I K | SofunktioniertPOWERLINK

6 Der Mechanismus

7 Performance

F E aT U R E s | DieVorteilevonPOWERLINK

8 Topologie

9 Eindeutige Adressierung

9 Hot Plugging

10 Direkter Querverkehr

10 Multiplexing

11 Asynchrone Daten

11 Poll Response-Verkettung

12 Redundanz

13 Diagnose

14 openSAFETY

15 Security

16 CANopen

N U T Z E R O R G a N I s aT I O N | EthernetPOWERLINKStandardizationGroup

18 Die Nutzerorganisation EPSG

18 Normen

19 Konformitätsprüfung

19 POWERLINK-Starterkits

U M s E T Z U N G | IntegrationvonPOWERLINKinIhrGerät

20 Master (Managing Node)

21 Slave (Controlled Node)

I N V E s T I T I O N s s I C H E R H E I T | 22 Open Source Technology

23 Gigabit POWERLINK: Heute schon an morgen denken

POWERLINK Basics

3


Ein Netzwerk für alle Systeme|

Was bedeutet „ein Netzwerk für alle Systeme“? POWERLINK ist eine Industrial Ethernet-

Lösung, die konzipiert wurde, um sämtliche Kommunikationsaufgaben der modernen

Auto matisierung einheitlich und durchgängig zu integrieren. Es eignet sich grundsätzlich für

alle denkbaren Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau sowie für Anwendungen der

Prozess industrie. Ein POWERLINK-Netzwerk integriert sämtliche Komponenten der indus triel len

Automatisierung, etwa SPS, Sensoren, I/O-Module, Motion Controller, Safety-Controls, Safety-

Sensoren/-Aktoren und auch Visualisierungssysteme. Da in einem POWERLINK-Zyklus nicht

nur Nutzdaten übertragen werden, sondern in dessen asynchroner Phase (siehe „Asynchrone

Daten“ auf Seite 11) ein fest reservierter Zeitabschnitt für die Übertragung beliebiger An wen-

der daten zur Verfügung steht, lassen sich auch nicht zeitkritische Daten wie beispielsweise

Servicedaten übertragen, die der Fernwartung und Konfiguration von Geräten dienen. Genauso

lassen sich Geräte ins Netzwerk einbinden, die nicht unmittelbar zur Automatisierungsebene

gehören, so zum Beispiel Videokameras zur Sicherheitskontrolle von Betriebsarealen. Mit einem

entsprechenden Gateway können im asynchronen Abschnitt des Zyklus’ auch die Daten anderer

Feldbusse gesendet und auf diese Weise unterschiedliche Netzwerke integriert werden.

POWERLINK

Safety

Vision System

I/O

PLC

Sensors

Fieldbus

Motion

Visualization

E I N F Ü H R U N G | Anwendungsbereiche

4


ArchitekturenPOWERLINK eignet sich durch seine Leistungsfähigkeit hinsichtlich

der Bandbreite und der kurzen Zykluszeiten sowie seiner Flexibilität

gleichermaßen für zentrale wie für dezentrale Automatisierungs-

konzepte. Dezentrale strukturierte Maschinen und Anlagen bieten

erhöhte Flexibilität bei Anpassungen und Erweiterungen, erfordern

allerdings ein Kommunikationssystem, das dieser Struktur gerecht wird.

POWERLINK eignet sich für diese Anforderungen besonders gut, weil es

durch seine Nähe zum Ethernet-Standard zwei entscheidende Features

für den Einsatz in dezentralen Strukturen bietet: Querverkehr und freie

Wahl der Netzwerktopologie.

Querverkehr ermöglicht die direkte Querkommunikation von Kompo-

nenten ohne Umweg über den Master. Jedes Gerät kann seine Daten

nach dem Rundfunkprinzip direkt in das Netz senden, so dass alle

Teilnehmer die Sendungen empfangen können.

DiefreieWahlderTopologie ist für den modularen Systemausbau fast

unabdingbar. Für die Erweiterung einer Maschine, den Ausbau einer

Anlage oder das stetige Wachstum des Maschinenparks stellen starre

Topologien ein erhebliches Hindernis dar. POWERLINK erlaubt nicht

zuletzt durch seine hohe Skalierbarkeit den völlig freien Systemausbau

ohne Beeinträchtigung der Echtzeitfähigkeit.

LeistungsklassenPOWERLINK deckt alle Leistungsklassen ab – als Softwarelösung ohne

Hardwarebeschleunigung für weiche Echtzeit oder als High End-System

mit Koprozessor-Unterstützung für Zykluszeiten im Bereich weniger

hundert Mikrosekunden. Weil POWERLINK patentfrei ist und aus-

schließlich auf Standard-Hardware aufsetzt, stehen für Anwendungen

mit harter Echtzeit kostenoptimierte Lösungen von unterschiedlichen

Herstellern bereit.

BranchenAufgrund seiner Skalierbarkeit und seiner Fähigkeit, alle Systeme

einzubinden, wird POWERLINK im Maschinen- und Anlagenbau, in der

Prozessautomatisierung und in der Messtechnik eingesetzt.

Architekturen, Leistungsklassen, Branchen|

n Automobil

n Bergbau

n Chemie

n DruckundPapier

n Energie

n GetränkeundNahrungsmittel

n Halbleiter

n Holz

n Kunststoff

n Logistik

n MaritimerSektor

n Metall

n Pharma

n Prozesstechnik

n Textil

n Transport

n Verpackung

POWERLINK Basics

5


Der Mechanismus|

Im Gegensatz zu anderen Echtzeit-fähigen Industrial Ethernet-Systemen

ist POWERLINK eine rein Software-basierte Lösung, die sich zu 100%

am Ethernet-Standard IEEE 802.3 orientiert. Durch die Konformität

zum Standard und den Verzicht auf proprietäre Hardware wird gewähr-

leistet, dass mit POWERLINK alle Vorteile und die Flexibilität des

Ethernet erhalten bleiben. Es können dieselben standardisierten Hard-

warekomponenten genutzt und zur Diagnose dieselben Tools verwendet

werden. Um Echtzeit-Performance zu erreichen, verwendet POWERLINK

eine Mischung aus Polling und Zeitschlitzverfahren, bei der zu jedem

Zeitpunkt immer nur ein Teilnehmer senden darf. Im Prinzip funktioniert

die Kommunikation wie bei einer organisierten Gesprächsrunde, bei der

ein Moderator die Teilnehmer auffordert, ihr jeweiliges Statement ab-

zugeben. Dabei achtet der Moderator darauf, dass alle der Reihe nach

zu Wort kommen. Er fordert jeden Teilnehmer explizit auf und weist ihm

eine feste Redezeit zu. Anders als beim Standard-Ethernet können auf

diese Weise Teilnehmer nicht mehr gleichzeitig „reden“, so dass kein

Gesprächsdurcheinander geschlichtet werden muss. Ein POWERLINK-

Netzwerk bedient sich der folgenden Kommunikationsstruktur: Ein

beliebiger Teilnehmer, z. B. eine SPS, ein Motion Controller oder ein

Industrie-PC, bekommt die Funktion des sogenannten Managing Nodes

(MN) zugewiesen und dient fortan als „Gesprächsmoderator”. Alle

übrigen Geräte fungieren als Controlled Nodes (CN). Der MN gibt den

Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vor und steuert die zyklische

Datenkommunikation. Im Laufe eines Zyklus’ fragt der MN nacheinander

alle CN ab. Diese Abfragen erfolgen durch eine PollRequest-Nachricht,

die zusätzlich Daten vom MN an den abgefragten CN übermittelt. Jeder

CN sendet daraufhin per PollResponse-Nachricht seine eigenen Daten

an alle übrigen Knoten. Ein POWERLINK-Zyklus besteht aus drei Ab-

schnitten: In der „Start Period“ sendet der MN einen „Start of Cycle“-

Frame (SoC) an alle CNs, der die Geräte synchronisiert. Im zweiten

Abschnitt, der isochronen Phase, erfolgt der Austausch der Nutzdaten.

Mit dem dritten Abschnitt eines Zyklus’ beginnt die asynchrone Phase.

Sie steht für die Übertragung nicht zeitkritischer Datenpakete zur Ver-

fügung – beispielsweise TCP/IP, Parametrierungsdaten etc.

T E C H N I K | sO FunKTiOnierT POwerLinK

6


n 0,1μsSystemsynchronisation

n 100μsZykluszeit

n 100Mbit/sBandbreite

n HoherDatendurchsatzauchbeikleinenZykluszeiten

n 240Teilnehmer z.B.480synchronisierteAchsen/

460.000Digitalkanäle

n 100m/2kmLeitungslängezwischenTeilnehmern

Performance|

MN

CN

IsochronousPhase

AsynchronousPhase

SoASoC

Async Data

PReqCN1

CycleTime

PReqCN2

PReqCN3

PResCN1

PResCN2

PResCN3

PReqCNn

PResCNn

POWERLINK Basics

7


Topologie|

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Ethernet – und damit von

POWERLINK – besteht in der hundertprozentigen Freiheit bei der Wahl

der Netzwerktopologie. Netzwerke können stern-, baum-, linien- oder

ringförmige Strukturen haben. Auch beliebige Kombinationen dieser

Topologien sind möglich. Eine Konfiguration ist nicht erforderlich.

Es gibt außerdem keine unbedingte Abhängigkeit zwischen logischen

Verknüpfungen in der Applikation und dem physikalischen Aufbau. Das

Netzwerk kann beliebig verändert werden (auch zur Laufzeit), ohne dass

die Applikation beeinflusst wird.

F E aT U R E s | die VOrTeiLe VOn POwerLinK

8


Die eindeutige Adressierung der Netzwerkteilnehmer erfolgt direkt an

den Geräten per Einstellung über einen manuell bedienbaren Knoten-

schalter, wodurch eine transparente Zuordnung der IP-Adressen zu den

Geräten gewährleistet wird. Diese Adressierungsmethode erlaubt eine

einfache Softwarekonfiguration bei der Einrichtung eines Netzwerks und

ist für zuverlässigen Service unabdingbar. Besonders für den modularen

Maschinenbau, bei dem sich Erweiterungen schnell und unkompliziert

durchführen lassen müssen, stellt die eindeutige Adressierung eine

wesentliche Voraussetzung dar.

Hotplug-Fähigkeit bedeutet das Stecken und Ziehen von Netzteilneh-

mern während des Betriebs, ohne dass

– es zur Beeinträchtigung der Netzwerk-Funktionalität kommt,

– für das Funktionieren der hinzugefügten oder ausgewechselten

Teilnehmer ein Neustart erforderlich ist.

POWERLINK bietet uneingeschränktes Hot Plugging. Durch Erweite-

rungs- oder lokale Austauschmaßnahmen kommt es zu keiner Beein-

trächtigung der Echtzeit, ein Neustart des Systems ist nicht erforderlich.

So können Betreiber beispielsweise Sensoren austauschen oder

mecha tronische Einheiten zuschalten, ohne das Netzwerk herunter-

fahren zu müssen – eine grundlegende Bedingung für den Einsatz in

der Prozessindustrie beziehungsweise für den Betrieb von modular

strukturierten Maschinen und Anlagen.

Hot Plugging |

Eindeutige Adressierung|

POWERLINK Basics

9


Direkter Querverkehr|

Multiplexing|

MN

CN

B r o a d c a s t M e c h a n i s m

SoASoC

Async Data

SoC = Start of CycleSoA = Start of Async

PRq = Poll RequestPRs = Poll Response

MN = Managing NodeCN = Controlled Node

PReqCN1

PResCN1

PReqCN2

PResCN2

PReqCN3

PResCN3

PReqCNn

PResCNn

Every cycle: 1, 2, 3 Multiplexed: 4-11 8 data frames in 3 slots

1 2 3 4 5 6 A 1 2 3 7 8 9 A 1 2 3 10 11 A 1 2 3 4 5 6 A

Cycle i Cycle i+1 Cycle i+2 Cycle i+3

MN

CN

IsochronousPhase

AsynchronousPhase

SoASoC

Async Data

PReqCN1

PResCN1

PReqCN2

PResCN2

PReqCN3

PResCN3

PReqCN4

PResCN4

PReqCN5

PResCN5

PReqCN6

PResCN6


Durch Multiplexing lässt sich die Bandbreite in der isochronen Phase

optimal ausnutzen. Da die Applikationen unterschiedliche Anforderun-

gen an die Daten-Abtastintervalle stellen, müssen nicht alle Controlled

Nodes in jedem Zyklus abgefragt werden. Während es beispielsweise

bei vielen Anwendungen der Bewegungssteuerung notwendig ist, die An-

triebe ständig mit Informationen zu versorgen und ihre aktuellen Daten

in jedem Zyklus abzurufen, reicht es bei Temperaturmessungen, die Da-

ten der Sensoren zum Beispiel nur in jedem dritten Zyklus abzufragen.

Beim Multiplexing teilen sich Controlled Nodes mit niedrigen Prioritäten

einen Zeitabschnitt innerhalb der isochronen Übertragungsphase. Das

geschieht in der Form, dass ein Gerät nur den ersten, das zweite Gerät

den zweiten, das dritte Gerät den dritten Zyklus in Folge nutzt, um seine

Daten zu übermitteln. Die Zuteilung und Erkennung der von mehreren

Knoten genutzten Zeitabschnitte erfolgt durch den MN.

Die Kommunikation bei Ethernet – und somit natürlich auch bei

POWERLINK – funktioniert nach dem Broadcast-Prinzip (Rundfunk-

prinzip). Das bedeutet, dass jeder Teilnehmer seine Daten frei ins Netz

sendet und prinzipiell jeder andere Teilnehmer sie empfangen kann. Die

Teilnehmer erkennen an der Zieladresse der Datenpakete, ob die Daten

für sie bestimmt sind. Dieses Sendeprinzip erlaubt den direkten Quer-

verkehr von Controllern untereinander, ohne dass die Kommunikation

über den Master bzw. Managing Node laufen muss. Auf diese Weise

lassen sich zum Beispiel in synchronisierten Produktionssegmenten

die Winkelcodierer sämtlicher Antriebe mit dem Leitwertgeber synchro-

nisieren; bei dezentralen Safety-Architekturen ist der direkte Querver-

kehr von Safety-Komponenten eine grundlegende Voraussetzung. Die

Vorteile liegen in Zeitersparnis, Systemvereinfachung und Entlastung

der Steuerungsaufgaben, so dass für viele Bereiche preisgünstigere

Steuerungen gewählt werden können.

10


Auf die isochrone Phase im POWERLINK-Zyklus, in der die zeitkritischen

Nutzdaten übertragen werden, folgt in der verbleibenden Zykluszeit

die asynchrone Phase, in der sich nicht zeitkritische Datenpakete in

Standard Ethernet-Frames übertragen lassen. Die Daten, die im

asynchronen Teil übertragen werden, können beliebiger Natur sein:

Service datenobjekte (SDO) für die Gerätekonfiguration und Diagnose,

An wendungsdaten wie die Aufzeichnungen einer Überwachungskamera

oder auch Protokolle wie TCP/IP, um die Geräte über Webbrowser zu

konfigurieren oder zu warten. Auf diese Weise lassen sich auch nicht

echtzeitfähige Teilnehmer ins Netzwerk einbinden. Genauso funktioniert

die Integration von Komponenten und Anlagenteilen in das Netzwerk,

die nur über andere Feldbus-Schnittstellen verfügen: Werden die Geräte

über ein entsprechendes Gateway an einen POWERLINK-Knoten ange-

schlossen, sendet der Knoten die fremden Feldbusdaten im asynchro-

nen Teil des POWERLINK-Zyklus mit. Für Hot Plugging ist diese Form der

Datenübertragung eine entscheidende Voraussetzung: Neu hinzuge füg te

oder ausgewechselte Geräte senden zur Identifizierung ihre Gerätedaten

in der asynchronen Phase an den Managing Node.

Das POWERLINK-Protokoll bietet auch die Möglichkeit der

„Poll Response-Verkettung“. Anstelle einer Abfrage aller CN nach -

einander durch PReq-Frames kann auch eine gemeinsame Abfrage der

CN mittels eines PResMN-Frame erfolgen, der als Multicast-Nachricht

verschickt wird. Dies erhöht die Performance, falls viele Knoten mit

geringem Prozessdaten-Aufkommen angeschlossen sind.

Dieses Feature eignet sich optimal für zentrale Regelfunktionen wie

beispielsweise Roboteranwendungen mit einem zentralen geschlos-

senen Geschwindigkeits- oder Stromregelkreis.

Asynchrone Daten|

MN

CN

IsochronousPhase

AsynchronousPhase

SoASoC

Async Data

PResMN

CycleTime

PResCN1

PResCN2

PResCN3

PReqCNn

PResCNn

PResCN4

Poll Response-Verkettung|

POWERLINK Basics

11


Redundanz|


schließen, sofern die Steuerung über zwei Schnittstellen verfügt, die sie

redundant bedienen kann.) Das Erkennen eines Leitungsausfalls inner-

halb des Rings und das Umschalten vom ausgefallenen auf den redun-

danten Kommunikationspfad erfolgt innerhalb eines Zyklus. Diese Art

von Redundanz kommt typischerweise bei Lösungen zum Einsatz, die

starker mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind.

Vollständige MedienredundanzKritische Systeme sind auf höchste Verfügbarkeit angewiesen, zu der

eine vollständige Medienredundanz gehört.

Bei POWERLINK wird diese vollständige Medienredundanz dank

zweier unterschiedlicher physikalischer Netzwerke erreicht. Gleiche

Daten werden zeitgleich redundant auf beiden Netzwerken übermittelt.

Bei einer Netzwerkstörung wird unmittelbar ohne jede Ausfallzeit oder

Rekonfigurierung umgeschaltet. Jeder Knoten ist an beide physikalische

Netze über einen Link Selector (LS) angebunden.

Mit POWERLINK lassen sich mehrere Arten der Redundanz realisieren,

darunter Medienredundanz und Masterredundanz.

RingredundanzDie klassische Ringredundanz stellt für den Maschinenbau eine ein-

fache und sehr kostengünstige Vernetzungsmöglichkeit dar. Hier werden

die Applikationen in Ringform angeschlossen, die Datenleitung also von

zwei Enden her mit der Steuerung verbunden. (Entsprechend wird nur

ein einziges zusätzliches Kabel benötigt, um eine Linie zum Ring zu

Komplett redundante Architektur für High Availability-Systeme

LS CN 1

LS CN 2

First Link Second Link

Cable break Switch-over to Backup link

CN 1

CN 2

AMN

LS

AMN

LS

SMN

LS

RMN RMN

Link Selector (LS)

PLCPLC

12


Diagnose|

MasterredundanzDie zweite besondere Redundanzvariante ist die vollständige Master-

bzw. Managing Node-Redundanz. Diese spielt für Hochverfügbar-

keitssysteme eine wichtige Rolle und wird in der Prozessindustrie für

Energie systeme eingesetzt. Bei der Masterredundanz stehen zwei oder

mehr redundante Managing Nodes am Kopf der Netzwerkhierarchie.

Nur einer dient als aktiver Managing Node, der oder die andere/n

laufen im Hot Standby-Betrieb und verhalten sich aus Sicht des aktiven

Managing Nodes wie Controlled Nodes. Der einzige Unterschied

zwischen einem Standby-MN und einem CN besteht darin, dass der

Standby-MN kontinuierlich alle Netzwerk- bzw. CN-Funktionen über-

wacht, um jederzeit die Funktion des aktiven MNs ohne ein neuerliches

Booten übernehmen zu können. Im Ernstfall sorgt ein fliegender Adress-

wechsel für die Weitergabe der für den MN reservierten Node-ID 240 an

den nächsten redundanten MN. Grundsätzlich sind mit diesem Redun-

danzmodell unterschiedlichste Topologien möglich. Alle grundlegenden

Eigenschaften von POWERLINK wie minimale Reaktionszeiten, Echtzeit-

synchronisation, große Bandbreite und einfache Diagnosefähigkeiten

bleiben erhalten.

POWERLINK nutzt für die Datenübertragung das Einzeltelegramm-

verfahren und bietet damit wesentliche Vorteile in der Systemdiagnose.

Die Eindeutigkeit der Knotenadressen und die Verfügbarkeit sämtlicher

Daten in jedem Bereich des Netzwerks sichern die eindeutige Diagnose

bei POWERLINK-Netzwerken.

Jedes beliebige Ethernet-kompatible Diagnosetool kann verwendet

werden. Zudem stellt POWERLINK durch seine Kommunikationsstruktur

jederzeit fest reservierte Bandbreite für Diagnosezwecke zur Verfügung

und sichert damit auch bei höchster Performance den vollständigen

Service.

POWERLINK Basics

13


openSAFETY|

Der erste offene und busunabhängige Safety- Standard für alle Industrial Ethernet-Lösungen.Anwender fordern seit Jahren einen einheitlichen und hersteller-

unabhängigen Standard. Mit openSAFETY entspricht die EPSG dieser

Forderung und stellt das weltweit erste, zu 100% offene Sicherheits-

protokoll zur Verfügung. Die Offenheit von openSAFETY erstreckt sich

dabei nicht nur auf die rechtliche Basis, sondern kann auch in techni-

scher Hinsicht wörtlich genommen werden: Dank der Busunabhängig-

keit von openSAFETY können Anwender diese Technologie für alle

Feldbusse, Industrial Ethernet-Lösungen oder branchenspezifischen

Kommunikationslösungen verwenden. Mit Echtzeitfähigkeit und direkter

Querkommunikation ergänzt POWERLINK allerdings openSAFETY ideal

und gewährleistet schnellste sichere Reaktionszeiten für Sicherheits-

systeme.

Die Safety-Lösung openSAFETY ist gemäß IEC 61508 SIL 3-zertifiziert

und wurde von der IEC als weltweiter Safety-Standard nach IEC 61784-3

anerkannt.


PROFINETEtherNet/IPModbusSERCOSPOWERLINK

Maschine 1 Maschine 2 Maschine 3 Maschine 4 Maschine 5

Vorteile von openSAFETY:

n VorteilefürAnwender

– Ein durchgängiger Safety-Standard für die

gesamte Anlage

– Unabhängigkeit von Steuerungsherstellern

– Ideal für sichere modulare Anlagenkonzepte

– Minimale Inbetriebnahme- und Umrüstzeiten

– Investitionssicherheit dank rechtlicher und

technischer Unabhängigkeit

n VorteilefürHersteller

– Safety-Entwicklung nur einmal erforderlich

– Garantierte Interoperabilität

– Verringertes Investitionsrisiko

– Minimale Time-to-Market

– Geringe Kosten durch Open Source

Ein einheitlicher Safety-Standard für die gesamteProduktionsanlage

14


POWERLINK-Echtzeitdomänen werden mit Gateways, die typischer-

weise in die Steuerungen integriert sind, strikt von Nicht-Echtzeit-

domänen getrennt.

Jedes POWERLINK-Netzwerk bildet eine eigene Netzwerkdomäne, die

nach außen nur über eine einzige IP-Adresse repräsentiert wird. Die

Gateways arbeiten dabei wie eine Firewall. Diese setzt die öffentliche

IP-Adresse per Network Adress Translation (NAT) intern auf nichtein-

sehbare IP-Adressen der Knoten um. An den Gateways lassen sich bei

Bedarf zusätzlich beliebige weitere Sicherheitsmaßnahmen und Filter-

vorschriften definieren und umsetzen. Die Beachtung von grundlegenden

Security-Aspekten im Design ist eine elementare Bedingung für den

Einsatz von Safety-Systemen.

Firewall/Gateway

Firewall/Gateway

Real-Time Domain Real-Time Domain Real-Time Domain

Non-Real-Time Domain

Security|

POWERLINK Basics

15

SIL3-Zertifizierung durch TÜV Rheinland und TÜV Süd


CANopen|

Joint Task ForceZu den wichtigsten Entscheidungen der Ethernet POWERLINK

Standardi zation Group (EPSG) zählte die Definition der Anwendungs-

schicht als Träger der vollständigen CANopen-Mechanismen. An dieser

Entwicklung war die internationale Vereinigung der CAN-Anwender und

-Hersteller CAN in Automation (CiA) maßgeblich beteiligt.

CANopen – das am weitesten verbreitete AnwendungsprotokollCANopen zählt heute zu den am weitesten verbreiteten Anwendungs-

protokollen. Zu seinen größten Vorteilen gehören die standardisierten

Gerätebeschreibungsdateien, die den Status eines Geräts, seine

Parame trierung, Eigenschaften und seine Kenndaten für das Netzwerk

POWERLINK und CANopen

n JointTaskForce

– Gemeinsame Verwendung des CANopen-Profils

– XML Device Description

n CANopenoverEthernet

– Investitionssicherheit

– Gleicher Applikationszugang

– Einfache Migration

– Erfahrene Dienstleister

n VorteilegegenüberCAN-Physik

– 100-fache Datenrate

– Ein Medium für die ganze Maschine

– Kabellänge bis 100 m


16


transparent machen. Geräte, die von unterschiedlichen Herstellern

kommen, aber über dieselbe Beschreibungsdatei verfügen, lassen sich

einfach und konfigurationsfrei gegeneinander austauschen.

POWERLINK = CANopen over EthernetPOWERLINK verwendet dieselben Gerätebeschreibungsdateien wie

CANopen, dieselben Objektverzeichnisse und dieselben Kommuni-

kationsmechanismen, wie Prozessdatenobjekte (PDO), Servicedaten-

objekte (SDO) und Netzwerkmanagement (NMT). Genau wie bei

CANopen ist der direkte Querverkehr auch bei POWERLINK eine zentrale

Eigenschaft. Alle CANopen-Anwendungen und Geräteprofile können

unmittelbar auch in POWERLINK-Umgebungen eingesetzt werden. Aus

Sicht der Anwendung besteht zwischen beiden Protokollen kein Unter-

schied. POWERLINK lässt sich daher auch als „CANopen over Ethernet“

bezeichnen. Aufgrund der engen Kooperation von CiA und EPSG bieten

viele der marktbekannten CANopen-Dienstleister heute auch Lösungen

und Produkte für POWERLINK an. Ein großes Spektrum von kompetenten

Dienstleistungen ist gewährleistet.

High Performance mit CANopenApplikationen werden allgemein immer komplexer, was zu steigender

Teilnehmerzahl, größeren Datenmengen und höheren Anforderungen an

die Performance führt. Für Betreiber, die trotz erhöhter Anforderungen

weiterhin die Vorteile von CANopen nutzen wollen, ist die einfache Migra-

tion zu POWERLINK die ideale Alternative. Zudem bietet POWERLINK ein

durchgehendes Medium für die gesamte Anwendung.

Ethernet ControllerHardware

OthersDevice Profiles

ProtocolSoftware

Ethernet Driver

POWERLINK Driver

UDP/IP

POWERLINK Transport

CANopenApplication Layer – Object Dictionary

Messaging (SDO and PDO)

I/O Encoders Valves Drives Medical

Can Driver

Can Controller

CAN basedCANopenTransport

POWERLINK Basics

17


Die Nutzerorganisation EPSG|

Arbeitskreise Office Vertrieb

Aufsichtsrat

Geschäftsführung

überwacht die Einhaltung der Vereinsziele

wählt

wählt

Mitglieder-versammlung

bestimmtVorstand

bestimmt

Geschäftsführer

N U T Z E R O R G a N I s aT I O N | eTherneT POwerLinK sTAndArdiZATiOn grOuP

n IEC61784-2

n IEC61784-3

n IEC61158-300

n IEC61158-400

n IEC61158-500

n IEC61158-600

n IEEE802.3

n ISO15745-1

Offener VereinDie Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) ist ein unab-

hängiger, demokratisch organisierter eingetragener Verein mit Sitz in

der Schweiz. Die EPSG wurde im Jahr 2003 von führenden Unterneh-

men der Antriebs- und Automatisierungstechnik mit dem Ziel gegrün-

det, gemeinschaftlich die POWERLINK-Technologie zu standardisieren

und weiterzuentwickeln. Mit dem Beitritt zu dieser Organisation haben

auch neue Mitglieder sofort ein Mitspracherecht und sind gleichsam

„Mit inhaber“ der Echtzeit-Ethernet-Technologie.

Offenes ProtokollDas Protokoll wurde 2001 von B&R vorgestellt und 2003 als Spezifi-

kation offengelegt. Als Zeichen der Offenheit ist es frei von jeglichen

Patenten. 2008 erschien die kostenfreie Open Source-Version

openPOWERLINK unter BSD-Lizenz.

Offene WeiterentwicklungInnerhalb der EPSG sind unterschiedliche Arbeitskreise unter anderem

auf den Gebieten Sicherheit, Technologieentwicklung, Zertifizierungen,

Anwenderfragen sowie Marketing und Vertrieb aktiv.

Offene BasisDie Entwicklung der POWERLINK-Technologie erfolgt auf Basis offener

Standards wie IEEE 802.3 (Standard Ethernet) und IEC 61784-2 (echt-

zeitfähige Ethernet-basierte Feldbusse).

18


Konformitätsprüfung|

Die EPSG bietet Konformitätsprüfungen und Zertifizierungen an.

Zudem veranstaltet die Nutzerorganisation regelmäßig Plugfeste,

die an wechselnden Orten rund um die Welt stattfinden.

N U T Z E R O R G a N I s aT I O N | eTherneT POwerLinK sTAndArdiZATiOn grOuP

Verschiedene Hersteller und Dienstleister in der EPSG bieten vollstän-

dig betriebsbereite Evaluationsboards (Starterkits) an, die Herstellern

den Test ihrer Hardware unter POWERLINK stark vereinfachen. Die gut

dokumentierten Funktionen und Schnittstellen erlauben es den An-

wendern bzw. Testern, sich ausschließlich auf die Einbindung in die

Netzwerkumgebung zu konzentrieren. Alle wesentlichen Funktionen der

Datenkommunikation sind auf dem Board integriert, zeitaufwendige

Programmierung oder die Portierung von Protokoll-Stacks sind nicht

mehr erforderlich. Die volle Leistungsfähigkeit des Zielgeräts bleibt

erhalten.

Erprobte TechnologieWenn mit Hilfe eines Testboards die Gerätefunktionalität im POWERLINK-

Netzwerk erfolgreich evaluiert wurde, besteht der nächste Schritt in der

Konfiguration des Geräts und seiner Schnittstelle nach den gewünschten

Anforderungen. Um eine kurze Time-to-Market zu erreichen, ist es am

einfachsten, auf ein Referenz-Design zurückzugreifen. Dazu kann das

Schaltschema eines Evaluationsboards einfach auf die Zielgeräte

übertragen und integriert werden. Soft- und Hardwareanbieter in der

EPSG bieten zu diesem Zweck unterschiedliche Lizenzmodelle an. So

kann der Hersteller wählen, ob er ein bestimmtes Referenzmodell 1:1

übernehmen oder nur Teile davon verwenden will. In jedem Fall stellen

Referenz-Designs einen idealen Ausgangspunkt für die schnelle und

erfolgreiche POWERLINK-Implementierung dar.

Breiter Tool-SupportVerschiedene EPSG-Mitglieder bieten Designs und Test-Tools für die

schnelle Entwicklung von POWERLINK-Anwendungen an. Programme

für die Verwaltung von Gerätedatenbanken, für die Erstellung von

Objekt verzeichnissen, Initialisierungcodes und Electronic Data Sheets

im XML-Format optimieren die Entwicklungsprozesse und minimieren

die Fehleranfälligkeit. Verfügbar sind zudem Tools zur präzisen Netz-

werk analyse und zur Analyse der Echtzeit-Performance.

POWERLINK-Starterkits|

POWERLINK Basics

19


Technische Umsetzung von Master und Slaves|

U M s E T Z U N G | inTegrATiOn VOn POwerLinK in ihr gerÄT

Master (MN) Standard PC-Hardware

Linux

Others

Co-Processor Solution PCI Card

Windows

POW

ERLI

NK

FPGA Design

Embedded Design

Slave (CN) POWERLINK-only Slave

FPGA Technology

POWERLINK-only 32bit CPU

Multi-Protocol Slave

On Application Processor

On Application Processor

System on Chip

PCI Board

FPGA Technology

Communication Processor

POW

ERLI

NK

POWERLINK-MasterPOWERLINK lässt sich ohne Hardwareunterstützung auf beliebigen

Betriebssystemen, wie zum Beispiel auf Windows, Linux oder VxWorks,

mit einem Standard-Onboard-Ethernetcontroller nutzen. Die erzielbaren

Leistungsdaten von Jitter und Zykluszeit hängen von der Performance

der CPU und der optimalen Abstimmung des Betriebssystems auf die

CPU ab. Typischerweise sind dabei Zykluszeiten von 500 µs und ein

Jitter von 30 µs erreichbar. Alternativ wird POWERLINK vorimplementiert

auf einer PCI-Steckkarte in das System integriert. Dann kümmert sich

ein Koprozessor um den Protokoll-Stack und entlastet so den Haupt-

prozessor. Auf diese Weise können Zykluszeiten von 100 µs bei einer

Genauigkeit von 0,1 µs erreicht werden.

„Wie gelangt POWERLINK in mein Gerät?“ lautet eine der häufigsten

Fragen von Herstellern. Grundsätzlich lässt sich POWERLINK in jedes

Standard-Embedded Ethernet-Design integrieren, völlig unabhängig

davon, welche Prozessorarchitektur gewählt wurde. Dabei kann

POWERLINK entweder als reine Softwarelösung oder mit Hardware-

unterstützung zum Einsatz kommen. Bei einer reinen Softwarelösung

wird POWERLINK direkt auf dem Applikationsprozessor integriert und

zur Busanbindung ein Standard-Ethernetcontroller verwendet. Wird

für sehr anspruchsvolle Anforderungen beschleunigende Hardware

benötigt, bieten verschiedene Hersteller vielfältige Möglichkeiten, mit

der sich maßgeschneiderte Lösungen realisieren lassen und die keine

proprietären Technologie wie zum Beispiel ASICs voraussetzen. Die un-

tenstehende Grafik gibt eine Übersicht über die bestehenden Lösungen.

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POWERLINK-SlaveGenauso bietet sich für die Slaves die Alternative,

entweder den POWERLINK-Stack auf dem Appli-

kationsprozessor zu implementieren oder auf da-

für ausgelegte Kommunikationshardware zurück-

zugreifen. Für die POWERLINK-Implementierung

beim Slave reicht das Spektrum von betriebs-

bereiten Evaluationsboards oder Singleboards

in Piggyback-Ausführung, die zur Entwicklung von

Prototypen oder Serien mit niedriger Stückzahl

dienen, bis hin zu optimierten Chip-Lösungen auf

FPGA-Basis, die das Protokoll sowie die Anwen-

dungssoftware komplett enthalten. Die verschie-

denen Angebote unterscheiden sich hinsichtlich

ihrer Flexibilität sowie des gewünschten Kosten-

modells: Multi-Protokoll-Lösungen kommen dem Bedürfnis von Kompo-

nenten-Herstellern entgegen, eine einheitliche Hardwareplattform zu

verwenden, die offen für unterschiedliche Industrial Ethernet-Lösungen

ist und die Entscheidung für einen Feldbus erst bei der Auslieferung der

Produkte verlangt. In der Regel sind sie teurer als dedizierte POWERLINK-

only-Lösungen. Bei Multi-Protokoll-ASICs ist das gesamte Systemdesign

auf einem Chip untergebracht. Vorteile liegen in der definierten Schnitt-

stelle zwischen Kommunikationsprozessor und Applikationsprozessor.

Zu den Nachteilen zählen die feste Vorgabe der Programmierschnitt-

stelle und unter Umständen höhere bzw. stückzahlabhängige Hardware-

kosten. Auch Multi-Protokoll-FPGA-Lösungen bieten Flexibilität beim

Einsatz verschiedener Protokolle. Im Gegensatz zu ASIC-Lösungen lässt

sich die API beeinflussen. Zu beachten ist hier allerdings, dass sich die

Hardwarekosten nach dem Ressourcenbedarf des jeweils anspruchs-

vollsten Protokolls richten. Eine preisgünstigere Alternative bieten

POWERLINK-only-FPGA-Lösungen, die hinsichtlich des Interfaces

flexibel sind. Die kostengünstigste Variante der Slave-Anbindung sind

einfache 32-Bit-CPUs mit internem RAM und internem Flash. Dabei

werden sogar Preise von anderen ASIC-basierten Protokollen klar

unterboten und dennoch die Flexibilität und Offenheit eines Standard-

Mikroprozessors garantiert. Allen gemeinsam ist, dass die Applikations-

und Kommunikationssoftware flexibel miteinander verbunden sind,

beispielsweise über Dual Port-RAM oder ein serielles Interface.

POWERLINK CNCommunication

Processor

Direct I/O

FPGA


Processor

Application

Software API

FPGA


Processor

Application

Software API

Microprozessor

FPGA

Simple I/O slave Integrated application Slave with external C

POWERLINK Basics

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I N V E s T I T I O N s s I C H E R H E I T

XML – der neue Standard für die GerätebeschreibungStandardisierte Gerätebeschreibungsdateien minimieren den Konfigu-

rationsaufwand für Netzwerke mit Geräten unterschiedlicher Hersteller.

Sie erlauben dem Netzwerk-Master den einheitlichen Zugriff auf alle

relevanten Geräteinformationen wie Status, Parametrierung, Eigen-

schaften und Kenndaten – unabhängig vom Gerätetyp und Hersteller.

Neue Geräte sind im Netzwerk sofort verfügbar. POWERLINK nutzt für

die Gerätebeschreibungsdateien den neuen Standard XML. Für Her-

steller liegt der bedeutende Vorteil einer XML-basierten Beschreibungs-

sprache darin, dass sie für ihre Geräte eine einheitliche, standardisierte

Beschreibung für unterschiedliche Feldbusse oder Echtzeit-Ethernet-

Systeme verwenden können. Zusätzlich bietet XML bei der Geräte-

beschreibung eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die sich mit anderen

Sprachen bisher nicht umsetzen ließen. Dazu zählen unter anderem

Mehrsprachigkeit, optionale Textfelder für Beschreibungen und die

Charakterisierung der Parameter und Messwerte durch physikalische

Einheiten und Skalierungsfunktionen.

openPOWERLINKopenPOWERLINK ist eine vollständige Protokoll-Lösung für Master

und Slave. Die Implementierung ist einfach auf jegliches Zielsystem

portierbar (ANSI-C-Implementierung).

openPOWERLINK wurde auf SourceForge unter BSD-Lizenz bereit-

gestellt. Die BSD-Lizenz erlaubt es jedem, die Software kostenfrei zu

verwenden, zu verbreiten, zu modifizieren und weiterzuentwickeln.

Auch darf jedermann die Software in Produkte integrieren, die er

weiterverkauft. Der Quellcode eigener Modifikationen muss dabei

nicht offengelegt werden.

Eine ausführliche Anleitung zur Einrichtung und Inbetriebnahme findet

sich auf www.sourceforge.net/projects/openpowerlink.

100 % offene TechnologieDie EPSG verlangt für die Technologie keine Lizenzgebühren.

POWERLINK ist eine offene Technologie; die Möglichkeit, unter ver-

schiedenen POWERLINK-Dienstleistern wählen zu können, garantiert

dem Kunden ein optimales Preis/Leistungs-Verhältnis für jede

Applikation. Gleich, ob Time-to-market oder Preis im Mittelpunkt steht:

Die offene, durchgängig spezifizierte Software-Lösung gibt dem

Anwender größere Freiheit und mehr Möglichkeiten der technischen

Optimierung als andere vergleichbare Echtzeit-Ethernet-Systeme.

Open Source Technology|

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Gigabit POWERLINK: Heute schon an morgen denken|

1 GBit

2010

100 MBit10 MBit

20001990 2020

Ein Blick in die Welt der Automatisierung zeigt, dass Bandbreite bei

heutigen Echtzeit-Ethernet-Systemen kein Engpass ist – 100 Mbit/s

reichen aktuell vollkommen aus. Auch für anspruchsvollste Anwen-

dungen wie Safe Motion Control bei Maschinen mit hundert Achsen

stellt POWERLINK ausreichende Kapazitäten bereit. Eine Betrachtung

der bisherigen Entwicklung in der Automatisierung macht aber deutlich:

Die zu verarbeitenden Datenmengen nehmen kontinuierlich zu, die

Anzahl der Antriebe pro Maschine steigt sprunghaft, und die Leistungs-

fähigkeit von Sensoren und Aktoren wächst. Mit diesem Trend wächst

auch die Komplexität und damit der Datenverkehr kontinuierlich an.

Diese stetige Entwicklung brachte die nicht auf Ethernet basierenden

Feldbusse an ihre Grenzen und führte letztendlich zur Nutzung von

Ethernet als Feldbus-Ersatz.

Zukünftig generiert die Integration von wichtigen Technologien immer

mehr Datenvolumen – z. B. für Safety. Umfangreichere Funktionalität

macht also flexiblere Lösungen möglich, doch steigendes Daten-

aufkommen geht unweigerlich damit einher. Deshalb wird Gigabit

Ethernet mittelfristig Fast Ethernet ablösen und zum Standard werden.

POWERLINK ist für die Zukunft bestens gerüstet, die Entwicklung von

Gigabit POWERLINK hat bereits begonnen. Den POWERLINK-Erfindern

ging es darum, ein echtzeitfähiges System auf der Basis von Standard

Ethernet zu kreieren, das die ständige Weiterentwicklung dieses Me-

diums für die Automatisierungstechnik nutzt: Deshalb gehören die ab-

solute Nähe zum Standard und die ausschließliche Softwarebasis zu

den Grundlagen von POWERLINK. Zudem nutzt das Echtzeit-Protokoll

die CANopen-Anwendungsschnittstelle, die vom darunter liegenden

Transportprotokoll völlig unabhängig ist. Das bedeutet, dass beim

Umstieg auf Gigabit-Technik die Anwenderschnittstelle unverändert

bleibt und somit die vollständige Kompatibilität zur Applikation

garantiert – der wesentliche Faktor für Investitionssicherheit.

Der aktuelle Einzug der Gigabit-Technik in die Consumer-Welt bedeutet

für Hersteller eine Verschiebung bei den Hardwarekosten: Gigabit-

Technik wird kostengünstig, Fast Ethernet-Hardware wird mittelfristig

durch rücklaufende Stückzahlen teurer werden. POWERLINK ist auf-

grund seiner Standardkonformität ideal für Gigabit Ethernet geeignet.

Die Migration zu Gigabit POWERLINK erschließt eine neue Performance-

Dimension bei Industrial Ethernet mit Geschwindigkeitssteigerungen

bis Faktor 20.

POWERLINK Basics

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www.ethernet-powerlink.org

© E

PSG

2014

M

M-D

0110

6.87

2

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Fon: +49 33439 539 270Fax: +49 33439 539 272

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POWERLINK Basics...n 0,1 μs Systemsynchronisation n 100 μs Zykluszeit n 100 Mbit/s Bandbreite n Hoher Datendurchsatz auch bei kleinen Zykluszeiten n 240 Teilnehmer z. B. 480 synchronisierte