Die 5 wesentlichen Systeme
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Die 5 wesentlichen Systeme
6. Jahrgang, Ausgabe 1 / Nov. 2011 Der Vergleich Die 5 wesentlichen Systeme PROFINET, POWERLINK, EtherNet/IP, EtherCAT, SERCOS III Wie die Systeme funktionieren Die Nutzerorganisationen Ein Blick hinter die Kulissen Investitionssicherheit und Performance Alles, was Sie wissen sollten Dieses Dokument darf nur mit Stéphane Potier Huazhen Song Bhagath Singh Karunakaran Stefan Schönegger Anton Meindl Christian Schlegel Vorwort Die Industrial-Ethernet-Welt ist nicht nur für Außenstehende ziemlich unübersichtlich; auch Fachleute, die sich in die Thematik einarbeiten, stehen zunächst vor einer schwer durchschaubaren Vielfalt konkurrierender Systeme. Die meisten Hersteller bieten nur wenig Informationsmaterial an, das technische Merkmale und spezifische Funktionsweisen des jeweiligen Standards umfassend, aber leicht verständlich darstellt. Noch weniger Glück haben Interessierte bei der Suche nach Material, das einen übersichtlichen Vergleich der wichtigsten Systeme bietet und eine objektive Bewertung erlaubt. Nachdem auch wir immer wieder nach einer generellen Übersicht über die wichtigsten Systeme gefragt worden sind und danach, „wo eigentlich die Unterschiede liegen“, haben wir uns entschlossen, eine Ausgabe der Industrial Ethernet Facts diesem Thema zu widmen. Bei der Erstellung haben wir versucht, so objektiv zu sein, wie es einem Marktteilnehmer möglich ist. In dem Vergleich haben wir sowohl technische und wirtschaftliche als auch strategische Kriterien berücksichtigt, wie sie für Fragen der Investitionssicherheit entscheidend sind. Die Argumente, die wir im Folgenden anführen, wurden in diversen Gesprächen und Diskussionen mit Entwicklern und Entscheidern aus dem Industrial-Ethernet-Umfeld genannt und belegt. Wir haben versucht, sie – soweit es für uns machbar war – zu verifizieren. Genehmigung des Herausgebers verändert werden. Eine Weitergabe des gesamten Dokuments ist ausdrücklich erwünscht. Die aktuelle Version finden Sie zum Download auf www.ethernet-powerlink.org. Da wir trotz unserer Bemühungen in ein paar Punkten keine exakt überprüfbaren Informationen erhalten konnten, bitten wir Sie um Ihre Mithilfe: Wenn Sie Ergänzungen oder Korrekturvorschläge haben, schreiben Sie uns eine E-Mail oder rufen Sie uns einfach an: Wir freuen uns über jede Unterstützung bei der Vervollständigung dieser Übersicht und sind für alle Diskussionen auf geschlossen, die dazu beitragen, die Bewertungen der verschiedenen Industrial-Ethernet- Standards so lückenlos und objektiv wie möglich zu gestalten. Christian Schlegel, CEO IXXAT – Germany Anton Meindl, President EPSG – Germany Stefan Schönegger, Business Unit Manager B&R – Austria Bhagath Singh Karunakaran, CEO Kalycito – India Huazhen Song, Marketing Manager POWERLINK Association – China Stéphane Potier, Technology Marketing Manager EPSG – France Kontakt: EPSG Office, Tel.: +49 30 850885-29 [email protected] 2 Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Einführung In d u s t r i a l E t h e r ne t 4 Die Auswahl der betrachteten Systeme F u nk t i o n s w e i s en der Systeme 6 Zeitverhalten Funktionsweise PROFINET Funktionsweise POWERLINK Funktionsweise EtherNet/IP Funktionsweise EtherCAT Funktionsweise SERCOS III O r g an i s a t i o nen 12 Vorstellung der Organisationen und der Lizenzpolitik Inve s t i t i o n s S i c h e r h e i t 16 Kompatibilität/Abwärtskompatibilität EMV-Empfindlichkeit Kontaktstellen Verkabelung/zulässige Topologien Hotplug-Fähigkeit High Availability Gigabit-ready Verfügbarkeit von Safety-Lösungen Marktverfügbarkeit P e r f o r m an c e 18 I m p l e m en t i e r u n g 22 Sa f e t y - F u nk t i o na l i t ä t 26 3 Die Auswahl der betrachteten Systeme | In der vorliegenden Industrial Ethernet Facts werden mit PROFINET (RT, IRT), POWERLINK, EtherNet/IP, EtherCAT und SERCOS III fünf von weltweit rund 30 zum Einsatz kommenden Industrial-Ethernet-Systemen miteinander verglichen.1 Wieso diese fünf? Die Auswahl folgte technischen, normativen und marktwirtschaftlich-strategischen Aspekten, zum Beispiel, ob das Protokoll von einer Nutzerorganisation weiterentwickelt wird, ob es in der IEC-Norm klassifiziert ist und ob sich die Systeme für harte Echtzeit eignen. Echtzeit Beim Ethernet-Standard IEEE 802.3 führt der Mechanismus zur Auflösung von Datenkollisionen zu unregelmäßigen Verzögerungen im Datenverkehr. Um Echtzeit zu erreichen, sorgen bei Industrial- Ethernet-Protokollen spezielle Maßnahmen für die Vermeidung dieser Kollisionen. Harte Echtzeit bedeutet, dass sich die Signallaufzeiten exakt in einem vorgegebenen Zeitrahmen bewegen müssen; andernfalls wird eine Störung gemeldet. Bei weicher Echtzeit werden Abweichungen innerhalb einer begrenzten Zeitspanne toleriert. Während bei Anwendungen mit weicher Echtzeit, wie zum Beispiel bei der Erfassung von Temperaturmessungen, Zykluszeiten im zwei- bis dreistelligen Millisekundenbereich ausreichen, benötigen digitale Regelsysteme oder Motion-Control-Anwendungen häufig Zykluszeiten unter einer Millisekunde. 1 Eine Übersicht findet sich auf der Website www.pdv.reutlingen-university.de/rte/ von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schwager, Leiter des Labors für Prozessdatenverarbeitung an der Hochschule Reutlingen. 4 Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Marktverbreitung Ein weiteres Kriterium für die Auswahl der verglichenen IndustrialEthernet-Systeme war die Marktverbreitung: In ungefähr drei Viertel (laut diversen Studien von IMS und ARC) aller weltweit genutzten Industrial-Ethernet-Anwendungen kommen EtherNet/IP, PROFINET oder Modbus TCP zum Einsatz. Danach folgen die Systeme POWERLINK und EtherCAT, die sich besonders für harte Echtzeit eignen. Modbus TCP wird in diesem Vergleich nicht eigens b erücksichtigt, da das System laut Nutzervereinigung ODVA in E therNet/IP integriert w urde. SERCOS III wurde trotz eines geringen Marktanteils in den Vergleich aufgenommen, da dem System im Bereich schneller Antriebssteuerungen eine bedeutende Rolle zukommt. Gebäudetechnik, Leit- und Automationsebene, problemlose Prozesse, Lagersysteme Förderanlagen, einfache Regelungen, Großteil der Automationsanlagen Werkzeugmaschinen, schnelle Prozesse, Roboter Echtzeitklassen und ihre Anwendungsgebiete nach IAONA Hochdynamische synchronisierte Prozesse, „elektronische Getriebe“ 1 s 10 s 100 s 1 ms 10 ms 100 ms 1s 10 s Reaktionszeiten/Jitter 5 Funktionsweisen der Systeme | Unterschiedliche Ansätze zur Generierung von Echtzeit Entscheidende Unterschiede der Industrial-Ethernet-Systeme liegen in der Organisation der Datenübertragung und der Herstellung des Echtzeitverhaltens. EtherCAT und SERCOS III nutzen zur Datenüber tragung ein Summenrahmenverfahren. Dabei werden in jedem Zyklus die Daten für sämtliche Netzwerkteilnehmer in einem Telegramm gesendet, das nacheinander die in Ringtopologie angeordneten Knoten durchläuft und die Antwortdaten gleich einsammelt. Dagegen werden beim Einzeltelegrammverfahren, das die übrigen Systeme verwenden, individuelle Telegramme an die Teilnehmer versendet, die daraufhin auch mit einzelnen Telegrammen antworten. 6 Um Echtzeit zu erreichen, nutzen die Systeme drei unterschiedliche Verfahren: – Ein Master kontrolliert das Zeitgeschehen. Bei POWERLINK erteilt der Master den Teilnehmern Sendeerlaubnis, bei EtherCAT und S ERCOS III gibt er den Takt für den Versand von Summenrahmentelegrammen vor. – Bei PROFINET IRT steuern synchronisierte Switches die Kommunikation. – Bei EtherNet/IP wird per CIP Sync eine Zeitinformation nach dem Standard IEEE 1588 im Netz verteilt. Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Funktionsweise PROFINET | PROFINET („Process Field Network“) ist in unterschiedliche Leistungsklassen für verschiedene zeitliche Anforderungen untergliedert: PROFINET RT für keine oder weiche Echtzeit und PROFINET IRT für harte Echtzeit. Die Technologie wurde von Siemens und den Mitgliedsfirmen der PROFIBUS-Nutzerorganisation PNO entwickelt. PROFINET I/O ist der Ethernet-basierte Nachfolger von PROFIBUS DP und spezifiziert den gesamten Datenaustausch zwischen I/O-Controllern, die Parametrierung, die Diagnose und den Aufbau eines Netzwerkes. Für die unterschiedlichen Leistungsklassen verwendet PROFINET verschiedene Protokolle und Dienste frei nach dem Producer/Consumer-Prinzip. Nutzdaten, die hochpriorisiert und direkt über das EtherNet-Protokoll versendet werden, verwenden mittels VLAN priorisierte EthernetFrames, während zum Beispiel Diagnose- und Konfigurationsdaten per UDP/IP gesendet werden. Für I/O-Applikationen können auf diese Weise Zykluszeiten um die 10 ms realisiert werden. Für taktsynchrone Zykluszeiten unter einer Millisekunde, wie sie für Motion-Control-Anwendungen benötigt werden, dient PROFINET IRT, das auf Basis speziell gemanagter und per Hardware synchronisierter Switches ein Zeitmultiplex-Verfahren verwendet. Als neue Variante von Profinet kommt zukünftig auch das sogenannte Dynamic-Frame-PackingVerfahren (DFP) zum Einsatz, das die Taktzeiten optimieren soll. Das Verfahren wurde 2009 der Öffentlichkeit präsentiert. Applikation PROFINET Realtime zyklisch PROFINET Realtime azyklisch PROFINET Standard Middleware Engineering, Business Integration Standardapplikation (ftp, http, u.a.) DCOM Standard UDP Standard TCP Standard IP Standard-Ethernet Zieladresse Quelladresse 802.1q Frame ID Type = 0x8892 Prozessdaten Daten CRC Statusinfo 7 Device Profiles Funktionsweise POWERLINK Protocol Software | Hardware Cycle Time PRes CN1 PReq CN3 PRes CN2 PReq CNn PRes CN3 Isochronous Phase SoC = Start of Cycle SoA = Start of Async 8 MN SoA PRes CNn Async Data Asynchronous Phase PReq = Poll Request PRes = Poll Response MN = Managing Node CN = Controlled Node Drives Medical Others CANopen Application Layer – Object Dictionary Messaging (SDO and PDO) POWERLINK Transport UDP/IP POWERLINK Driver CAN Driver Ethernet Driver CAN Controller Ethernet Controller Abschnitten: In der „Start Period“ sendet der MN einen „Start of Cycle Frame“ (SoC) an alle CNs, der die Geräte synchronisiert. Der Jitter liegt dabei bei ca. 20 Nanosekunden. Im zweiten Abschnitt, der „Cyclic Period“, erfolgt der zyklische isochrone Datenaustausch. Durch Multiplexing wird in dieser Phase eine optimale Nutzung der Bandbreite erreicht. Mit dem dritten Abschnitt beginnt die asynchrone Phase. Sie steht der Übertragung größerer und nicht zeitkritischer Datenpakete zur Verfügung. Diese Daten, zum Beispiel Anwenderdaten oder TCP/IPFrames, werden auf die asynchronen Phasen mehrerer Zyklen verteilt. POWERLINK unterscheidet zwischen Echtzeit-Domänen und NichtEchtzeit-Domänen. Da die Datenübertragung der asynchronen Phase Standard-IP-Frames unterstützt, trennen Router die Daten sicher und transparent von den Echtzeit-Domänen. POWERLINK ist für alle Anwendungen in der Automatisierung ideal geeignet, zum Beispiel für I/O, Motion, Robotik, PLC-PLC-Kommunikation oder Visualisierung. Bei POWERLINK wird der isochrone Datenaustausch durch eine Mischung aus Zeitschlitz- und Pollingverfahren erreicht. Für die Koor dination bekommt eine SPS oder ein Industrie-PC die Funktion eines sogenannten Managing Nodes (MN) zugewiesen, der den Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vorgibt und die zyklische Datenkommuni kation steuert. Alle anderen Geräte fungieren als Controlled Nodes (CN). Innerhalb eines Taktzyklus sendet der MN „Poll Requests“ genannte Anfragen in festgelegter Reihenfolge an alle CNs. Jeder CN antwortet unmittelbar auf die Anfrage mit einer „Poll Response“, die alle anderen Teilnehmer mithören können. Ein POWERLINK-Zyklus besteht aus drei PReq CN2 Valves Viele Gemeinsamkeiten im CANopen und POWERLINK OSI-Modell Funktionsweise PReq CN1 Encoders CAN based CANopen Transport POWERLINK wurde von B&R entwickelt und im Jahr 2001 veröffentlicht. Seit 2003 kümmert sich die unabhängige und demokratisch organisierte Nutzerorganisation Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) um die Weiterentwicklung der Technologie. POWERLINK ist ein komplett patentfreies, herstellerunabhängiges und rein softwarebasiertes Kommunikationssystem für harte Echtzeit, das seit 2008 auch als kostenfreie Open-Source-Version zur Verfügung steht. POWERLINK integriert die kompletten CANopen-Mechanismen und und ist vollständig konform zum Ethernet-Standard IEEE 802.3, wodurch sämtliche Features des Standard-Ethernets, einschließlich Querverkehr, Hotplug-Fähigkeit und freier Wahl der Netzwerktopologie erhalten bleiben. SoC I/O CN Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme EtherNet/IP Device Profiles Funktionsweise EtherNet/IP CIP Motion Valves I/O Robots Other CIP Application Layer Application Library CIP Data Management Services Explicit Messages, I/O Messages Application | CIP CIP Message Routing, Connection Management EtherNet/IP ist ein offener industrieller Standard, der von Allen- Bradley (Rockwell Automation) und der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) entwickelt und im Jahr 2000 veröffentlicht wurde. Bei dem „Ethernet Industrial Protocol“ handelt es sich im Prinzip um das bereits von ControlNet und DeviceNet genutzte Anwendungsprotokoll CIP (Common Industrial Protocol), das auf das Transportprotokoll Ethernet portiert wurde. EtherNet/IP ist besonders auf dem ameri kanischen Markt stark vertreten und wird häufig in Verbindung mit Rockwell-Steuerungen eingesetzt. Funktionsweise EtherNet/IP läuft auf Standard-Ethernet-Hardware und nutzt zur Datenübertragung sowohl TCP/IP als auch UDP/IP. Durch die vom CIP-Protokoll unterstützte Producer-Consumer-Funktionalität stehen mit EtherNet/IP unterschiedliche Kommunikationsmechanismen zur Verfügung, wie zum Beispiel zyklisches Polling, zeit- oder ereignis gesteuerte Auslösung, Multicast oder einfache Punkt-zu-Punkt- producer consumer consumer accept consumer Network Encapsulation TCP UDP IP ControlNet DeviceNet CompoNet Transport Transport Transport Data Link EtherNet CSMA/CD ControlNet CAN CompoNet CTDMA CSMA/NBA Time Slot Physical EtherNet Physical Layer ControlNet DeviceNet CompoNet Phys. Layer Phys. Layer Phys. Layer Transport Schichtenmodel EtherNet/IP Verbindungen. Das Anwendungsprotokoll CIP unterscheidet zwischen „impliziten“ E/A-Nachrichten und „expliziten“ Frage/Antwort-Telegrammen zur Konfiguration und Datenerfassung. Während explizite Nachrichten in TCP-Frames eingebettet werden, werden Daten für Echtzeitanwendungen wegen des kompakteren Formats und kleineren Overheads per UDP versendet. Switches, die den M ittelpunkt der sternförmigen Netzwerktopologie bilden, verhindern Datenkollisionen der über Punkt-zu-Punkt-Verbindung angeschlossenen Geräte. EtherNet/IP erreicht typischerweise weiche Echtzeit mit Zykluszeiten um die 10 Millisekunden. Durch CIP Sync und CIP Motion und die präzise Synchronisation der Teilnehmer durch verteilte Uhren (entsprechend der IEEE-Norm 1588) sollen genügend kleine Zykluszeiten und Jitter zur Ansteuerung von Servomotoren erreicht werden. accept prepare filter filter filter send receive receive receive broadcast communication 9 Framelaufzeit = (Anzahl Byte Header + Daten) x 10 ns 250 ns Funktionsweise EtherCAT 115 ns Master PHY | IOS über LVDS PHY IOS über LVDS PHY EtherCAT („Ethernet for Controller and Automation Technology“) wurde von Beckhoff Elektronik entwickelt. Alle Nutzer der Technologie werden automatisch Mitglied der EtherCAT Technology Group (ETG). Funktionsweise EtherCAT beruht auf dem Summenrahmenverfahren: Der EtherCATMaster sendet einen Ethernet-Frame mit den Daten für alle angebundenen Slaves, der nacheinander alle Teilnehmer durchläuft. Beim letzten Teilnehmer eines Strangs wird der Frame wieder zurückgeleitet. Die Teilnehmer bearbeiten den Frame während des Durchlaufs in einer Richtung. Die für den Teilnehmer bestimmten Daten werden „on the fly“ ausgelesen und die Ausgangsdaten in den Frame eingefügt. Zur Gewährleistung der Bandbreite von 100 Mbit/s ist für die schnelle Bearbeitung im Durchlauf spezielle ASIC- oder FPGA-basierte Hardware erforderlich. Es zeigt sich, dass die Netzwerkstruktur von EtherCAT immer einem logischen Ring entspricht. Auch Abzweige, die sich an speziell konzipierten Teilnehmern anschließen lassen, stellen quasi nur eine Doppelweiche dar, sodass das Summenrahmentelegramm durch den Abzweig geleitet wird. Aufbau des EtherCAT-Frames Sämtliche EtherCAT-Telegramme mit den Anweisungen für die einzelnen Teilnehmer sind im Nutzdatenbereich eines Frames verpackt. Ein EtherCAT-Frame besteht aus je einem Header und mehreren EtherCAT- Ethernet HDR FH EH Data WC Kommandos. Ein Kommando besteht seinerseits aus einem Header, den Daten zur Anweisung des Slaves und einem Working Counter. Für jeden Slave stehen bis zu 64 KByte konfigurierbarer Adressraum zur Verfügung. Die Adressierung erfolgt über ein Auto-Inkrement-Verfahren, bei dem jeder Slave das 16-Bit-Adressfeld hochzählt. Außerdem können die Slaves über verteilte Stationsadressen angesprochen werden, die der Master in der Startphase zuteilt. Prozesssynchronisation bei EtherCAT In den Slave-Anschaltungen stehen Echtzeituhren zur Verfügung, die vom Master über einen (IEEE 1588 ähnlichen) Mechanismus synchronisiert werden. Es gibt Slaves mit und ohne Echtzeitmechanismus, da dies eine erhöhte Anforderung an die Hardware stellt. Auf Basis der Echtzeituhren können Steuerungssignale hochgenau synchronisiert werden. Physikalisch betrachtet, läuft das EtherCAT-Protokoll neben Ethernet auch auf LVDS (Low Voltage Differential Signaling). Dieser Standard wird von der Firma Beckhoff als interner Klemmenbus verwendet. Der EtherCAT-Master wird typischerweise mit einem PC mit einer Standard-Ethernet-Schnittstelle realisiert. Im Gegensatz zu den weiteren Protokollen wie POWERLINK oder PROFINET beschreibt EtherCAT ausschließlich die Layer 1 – 3 des OSI-7-Schichten-Modells. Um eine zu den anderen vergleichbare Applikationsfunktionalität zu erreichen, muss hier eine weitere Protokollschicht (CoE, EoE) überlagert werden. CRC EtherCAT-Arbeitsprinzip 10 Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Nicht-Echtzeit-Kanal Echtzeit-Kanal Funktionsweise SERCOS III … I/O Profil Motion Profil | Ethernet Applikation Generisches Geräteprofil SERCOS III ist ein frei verfügbarer Echtzeit-Kommunikationsstandard für digitale Antriebsschnittstellen, der neben der Hardwarearchitektur für die Anschaltungen nicht nur eine Protokollstruktur spezifiziert, sondern auch eine umfangreiche Definition von Profilen einschließt. Bei SERCOS III, der dritten Generation des 1985 im Markt eingeführten SERCOS Interface, dient das Standard-Ethernet nach IEEE 802.3 als Transportprotokoll. Das Kommunikationssystem kommt schwerpunktmäßig in Motion-Control-basierten Automationssystemen zum Einsatz. Für die Weiterentwicklung der Technologie und die weltweite Einhaltung des Standards sorgt sercos International e. V. Sercos III nutzt auf Master- und auf Slaveseite spezifische Sercos III-Hardware, die die Host-CPU von allen Kommunikationsaufgaben entlastet und die schnelle Verarbeitung der Echtzeitdaten und die hardwarebasierte Synchronisierung gewährleistet. Für den Slave ist die spezifische Hardware eine Voraussetzung, der Master kann auch durch Software gelöst werden. Zur Entwicklung der SERCOS III-Hardware auf FPGA-Basis stellt die S ERCOS-Nutzerorganisation einen SERCOS III-IP-Core zur Verfügung. SERCOS III nutzt ein Summenrahmenverfahren und schreibt die Verkabelung der Netzteilnehmer in einer Linie oder in einem geschlossenen Ring vor. Die Daten werden im Durchlauf bearbeitet, wobei für verschiedene Kommunikationsbeziehungen unterschiedliche Telegramme genutzt werden. Durch die voll-duplexfähige Ethernet-Verbindung e rgibt sich bei einer Linientopologie ein Einfachring und bei einer Ringtopologie ein Doppelring, der eine redundante Datenübertragung ermöglicht. Direkter Querverkehr wird dadurch ermöglicht, dass jeder Teilnehmer über AT: Drive Telegram MDT: Master Data Telegram IP: IP Channel C AT MDT IP Slave Slave Slave Slave Slave Safety SVC Kanal UDP/TCP Querkommunikation MS Kommunikation IP Synchr. Ethernet SERCON 100M/S (FPGA) + Ethernet Dual PHY RT = Real Time MS = Master Slave Synchr. = Synchronisation Funktionsweise Master RT-Kanäle (primär/sekundär) S III Protokoll oder SVC = Service Channel S III = SERCOS III UDP = User Datagram Protocol netX mit SERCOS III TCP = Transmission Control Protocol FPGA = Field Progr. Gate Array PHY = Physical Layer SERCON ist die Bezeichnung für den spezifischen Master/Slave-Kommunikationscontroller der SERCOS-Technologie zwei Kommunikationsschnittstellen verfügt: Die Echtzeittelegramme durchlaufen sowohl bei der Linien- als auch bei der Ringtopologie jeden Teilnehmer auf dem Hin- und dem Rückweg und werden damit zweimal pro Zyklus bearbeitet. Auf diese Weise können die Geräte ohne Umweg über den Master und innerhalb eines Kommunikationszyklus direkt miteinander kommunizieren. Neben dem Echtzeitkanal, bei dem ein Zeitschlitzverfahren mit reservierten Bandbreiten die Kollisionsfreiheit gewährleistet, lässt sich bei SERCOS III auch ein Nicht-EchtzeitKanal einrichten. Die Synchronisierung der Teilnehmer erfolgt auf Hardwareebene und wird direkt aus dem ersten Echtzeittelegramm zu Beginn eines Kommunikationszyklus abgeleitet. Dazu wird das MasterSynchronisations-Telegramm (MST) in das Telegramm eingebettet. Laufzeiten und Laufzeitschwankungen, die ihre Ursache in der Ethernet-Hardware haben, werden durch ein hardwarebasiertes Verfahren kompensiert, das eine Genauigkeit der Synchronisation von unter 100 Nanosekunden erreicht. Mehrere Netzwerksegmente können mit unterschiedlichen Zykluszeiten und dennoch vollständig synchron miteinander betrieben werden. Slave 11 Die Nutzerorganisationen | Ein wichtiges Kriterium zur Gesamtbewertung der Systeme ist die Unabhängigkeit des Nutzers. Ungeklärte Markenrechte oder Patente, die eigene Entwicklungen einschränken könnten, sind wichtige Fakto ren, die bei der Auswahl eines Systems zu berücksichtigen sind. Mit einer genaueren Betrachtung der Hersteller und Nutzerorganisationen lässt sich späteren Unannehmlichkeiten durch juristische Fallstricke vorbeugen. Kriterien Organisation www. PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III PNO EPSG ODVA ETG SERCOS International profibus.com ethernetpowerlink.org odva.org ethercat.org sercos.org treiber von PROFIBUS- oder PROFINET-Netzen unterstützen. www.profibus.com POWERLINK – EPSG Die EPSG Ethernet POWERLINK Standardization Group wurde 2003 als unabhängige Organisation von Unternehmen der Antriebs- und Automatisierungstechnik gegründet. Ziel der Arbeit ist die Standardisierung und Weiterentwicklung des von B&R im Jahr 2001 eingeführten POWERLINK. Die EPSG kooperiert mit Standardisierungsorganisationen wie beispielsweise der CAN in Automation (CiA) oder der IEC. Die EPSG ist ein eingetragener Verein Schweizer Rechts. www.ethernet-powerlink.org EtherNet/IP – ODVA PROFINET – PNO Die PROFIBUS Nutzerorganisation e. V. (PNO) unterhält für die Durchführung von Gemeinschaftsprojekten sowie für die Information von Mitgliedern und Interessenten eine Geschäftsstelle. Angeschlossen an die Geschäftsstelle ist die Zertifizierungsstelle für geprüfte PROFIBUS- und PROFINET-Produkte. Die Aufgaben des Verbands wurden in der Satzung vom 24. 04. 1996 festgelegt. Die Mitgliedschaft steht allen F irmen, Verbänden und Instituten offen, die die Interessen der PNO als Hersteller, Anwender, Systemhaus oder Be- 12 Die ODVA ist die Vereinigung für alle DeviceNet- und EtherNet/IP-Anwender. Die Organisation beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung und Verbreitung der Feldbusse, die vorwiegend in den USA und Asien, aber auch in Europa eingesetzt werden. Ein wesentlicher Aspekt der Aktivitäten ist die Entwicklung und Verbreitung des CIP-Protokolls und anderer Protokolle, die auf dem CIP-Protokoll basieren. Jeder Anwender kann die Technologie benutzen, sich aber auch an der Weiterentwicklung in Special Interest Groups (SIG) beteiligen. Darüber hinaus ist die ODVA in anderen Standardisierungsgremien und Industriekonsortien aktiv. Die Satzung der ODVA ist relativ komplex. www.odva.org Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme EtherCAT – ETG SERCOS III – sercos International e. V. Die EtherCAT Technology Group ist ein Forum, zu dem sich Anwender, OEMs, Maschinenbauer und Automationshersteller zusammen geschlossen haben. Der Zweck der Gruppe liegt im Support und darin, die Vorteile von EtherCAT als offener Technologie zu verbreiten. Die Verträge zur Nutzung der Technologie sind direkt mit der Firma Beckhoff abzuschließen. Die EtherCAT Technology Group ist als nicht eingetragener Verein in Deutschland (Nürnberg) ansässig. www.ethercat.org sercos International e. V. (SI) ist ein im Vereinsregister in Frankfurt am Main eingetragener Verein. Mitglieder des Vereins sind Hersteller und Anwender von Steuerungen, Antrieben und anderen Automatisierungs komponenten sowie Maschinenhersteller, Forschungsinstitute und Verbände. Tochterorganisationen bestehen in Nordamerika und in Asien. Angeschlossen an die Geschäftsstelle ist ein Zertifizierungslabor an der Universität Stuttgart. www.sercos.org 13 Status, Rechte und Lizenzen Welchen rechtlichen Status haben die jeweiligen Nutzerorganisa tionen? Wem gehört die Technologie? In welche lizenzrechtlichen Abhängigkeiten begeben sich Entwickler, die die Technologien nutzen? Auf den folgenden Seiten geben wir einen Überblick. Kriterien PROFINET RT | IRT Organisa tionsform Verein Haftung + PNO + POWERLINK EtherNet/IP Verein + EPSG + Associations + ODVA + EtherCAT SERCOS III nicht eingetra gener Verein Verein o + Mitglieder SERCOS o + EtherCAT Technology Group: Der nicht eingetragene Verein hat keine eigene Rechtspersönlichkeit und nimmt daher eine „Zwitterstellung“ zwischen einem Verein und einer Personengesellschaft ein, sodass die Haftungsfrage offen ist Kriterien PROFINET RT | IRT Rechteinhaber Mitglieder Mitglieder Markeninhaber PNO EPSG + + POWERLINK EtherNet/IP + + EtherCAT SERCOS III Mitglieder Beckhoff Mitglieder ODVA Beckhoff SERCOS + + o o + + Die Rechte an der Technologie liegen normalerweise bei den Organisationen. Damit können sie von den Mitgliedern, die somit Mitinhaber sind, genutzt werden. Liegen die Rechte bei anderen Personen oder Firmen, ist unklar, wie in Zukunft mit diesen Rechten verfahren wird. 14 Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Kriterien Finanzierung der Organisation PROFINET RT | IRT Mitglieder beiträge o POWERLINK EtherNet/IP Mitglieder beiträge o Mitglieder beiträge o EtherCAT SERCOS III keine Mitglie derbeiträge Mitglieder beiträge + o Die Mitgliedschaft in der ETG ist kostenlos. Die Mitgliedschaft in allen anderen Organisationen ist kostenpflichtig, die Jahresbeiträge staffeln sich in der Regel nach der Firmengröße. Für POWERLINK und Sercos können Produkte auch ohne Mitgliedschaft in der Nutzerorganisation entwickelt und auf den Markt gebracht werden. Kriterien Spezifikation für Master und Slave PROFINET RT | IRT PNO + POWERLINK EtherNet/IP EPSG + ODVA + EtherCAT SERCOS III Beckhoff SERCOS o o Bei SERCOS und der ETG sind zwar die Kommunikationsmechanismen beschrieben, wie aber ein Slave im Detail arbeitet, ist unbekannt. Dazu muss ein ASIC oder ein FPGA eingesetzt werden. Der VHDL-Code für die FPGAs kann bei Beckhoff erworben werden; er liegt aber jeweils nicht im Quellcode vor. Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III freie Sourcen Master - + - o + freie Sourcen Slave - + + - o PROFINET: Die PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO) stellt ihren Mitgliedern Quellcode und Dokumentationen für die Implementierung von PROFINET zur Verfügung (PROFINET Runtime Software). Die Lizenzvereinbarung für diese Software gibt den PNO-Mitgliedern unter Punkt 1.5 das Recht, fünf Patente zu nutzen. POWERLINK: POWERLINK-Master und -Slave sind unter der Open SourceLizenz BSD frei verfügbar; ebenso die Softwarestacks für openSAFETY (siehe Sourceforge.net). EtherNet/IP: Stacks werden von verschiedenen Dienstleistern verkauft. Eine Open Source-Variante wurde von einer Universität entwickelt. EtherCAT: Für die Realisierung eines Slaves muss ein ASIC oder ein FPGA eingesetzt werden. Der VHDL-Code für den FPGA muss gekauft werden und liegt nicht als Quellcode vor. Masterseitig stellt die ETG einen Beispielquellcode zur Verfügung. Da der Patentrechteinhaber einer Lizenzierung für Open Source nicht zugestimmt hat, kann der Quellcode nicht Open Source sein.* SERCOS: SERCOS stellt seinen Softwaremaster unter LGPL-Lizenz kostenlos zur Verfügung. Für den Slave können nur ASICs oder FPGA-Code erworben werden. * Quelle: Open Source Automation Development Lab (www.osadl.org) 15 Investitionssicherheit | Einen Teil der Kriterien für Investitionssicherheit haben wir im Abschnitt „Offenheit“ behandelt. Daneben spielt auch eine Reihe von technischen und strategischen Gesichtspunkten eine wichtige Rolle für die Investitionssicherheit. Kompatibilität zu bestehenden Applikationsprofilen Kriterien abwärtskompatibel PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III PROFIBUS CANopen DeviceNet CANopen SERCOS II + + + + + Freiheit in der Verkabelung EtherCAT und SERCOS bilden logisch gesehen immer einen Ring. Dieser kann am Master oder bei einer Linienverkabelung intern am letzten Teilnehmer geschlossen werden. EtherCAT bietet mit speziellen Weichen die Möglichkeit, Abzweige zu bilden, durch die aber immer der komplette Frame durchgeleitet wird. Logisch bleibt also auch hier die Ringorganisation erhalten. Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III Verkabelung Baum + + + o o Verkabelung Stern + + + o o EMV-Empfindlichkeit/Übertragungssicherheit Verkabelung Ring + + + + + Summenrahmenprotokolle sind störungsempfindlicher als Einzel rahmenprotokolle. Bei der Zerstörung eines Frames geht immer ein kompletter Zyklus verloren. Verkabelung Linie + + + + + Kriterien EMVEmpfindlichkeit PROFINET RT | IRT + POWERLINK EtherNet/IP + + EtherCAT SERCOS III o o High Availability Sercos erreicht durch die Nutzung von zwei Telegrammen um 50 % bessere Werte als EtherCAT Kontaktstellen Eine Besonderheit von EtherCAT ist die Möglichkeit, die gesamte Kommunikation auch intern durch den I/O-Klemmenbus zu führen. Dem Performancevorteil, der immer wieder angeführt wird, steht allerdings ein Sicherheitsrisiko im Störverhalten gegenüber (Kontakte und EMV). Kriterien PROFINET RT | IRT Kontaktstellen + 16 POWERLINK EtherNet/IP + + EtherCAT SERCOS III o + Master- und Kabelredundanz sind nur in der Spezifikation von P OWERLINK vorgesehen und in Projekten umgesetzt. Für PROFINET und EtherNet/IP ist auf Basis von speziellen Switches eine Applikation umsetzbar. Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III Ringredundanz o + o + + Masterund Kabelredundanz o + o - - Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Hotplug-Fähigkeit Safety POWERLINK, EtherNet/IP und PROFINET sind hotplugfähig. Bei SERCOS III und EtherCAT ergeben sich aufgrund der obligatorischen Ringtopologie Einschränkungen. Bei SERCOS III kann bei einer Ringverkabelung ein einzelner Teilnehmer vom Netz genommen werden. In diesem Fall schließen die beiden benachbarten Teilnehmer die TX- und RX-Leitungen. Damit werden die Teilnehmer von der jeweils anderen Masterseite erreicht. EtherCAT ist nicht hotplugfähig. Für PROFIsafe stehen Produkte (hauptsächlich PROFIBUS) zur Verfügung. Auch CIP Safety (für DeviceNet) und openSAFETY (POWERLINK und Sercos) haben zertifizierte Produkte. Nach Auskunft der EtherCAT Technology Group steht bisher kein käuflich erwerbbarer Stack zur Verfügung. Nur POWERLINK und openSAFETY gewährleisten auch bei der Masterlösung vollständige Offenheit durch die kostenlose Bereitstellung des Sourcecodes für Master und Slave. Kriterien PROFINET RT | IRT Hotplug + POWERLINK EtherNet/IP + + EtherCAT SERCOS III - o Bei Technologien mit einem logischen Ring (EtherCAT und Sercos) führen die Einschränkungen der Topologie auch zu Einschränkungen für die HotplugMöglichkeiten. Hotplug-Module können nur am Ende einer Linie angedockt werden (Sercos III), was im Anwendungsfall zu Einschränkungen führen kann. Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III Safety + + + o o Offenheit Safety o + o o o Produkte im Markt Gigabit-ready Da EtherNet/IP und POWERLINK ausschließlich auf Software basieren, lassen sich die Protokolle auch mit Gigabit-Hardware weiterverwenden. EtherCAT erfordert neue ASICs, auch PROFINET IRT b edarf einer Überarbeitung der Hardware, speziell bei den Switches. FPGA-Lösungen können auf Gigabit portiert werden. Kriterien Gigabitready PROFINET RT | IRT + - POWERLINK EtherNet/IP + + EtherCAT - IRT-Produkte auf Basis von ERTEC-Technologie sind grundsätzlich im Markt verfügbar, allerdings hat die Vorstellung des DFP-Verfahrens und der damit verbundenen neuen ASIC-Generationen (zum Beispiel Tiger Chip von Phoenix) Verunsicherung hinsichtlich der zukünftigen Kompatibiltät von aktuellen IRT-Lösungen ausgelöst. Kriterien PROFINET RT | IRT Produkte im Markt + SERCOS III o POWERLINK EtherNet/IP + + EtherCAT SERCOS III + + o Nach Auskunft von sercos International ist der IP-Core grundsätzlich für Gigabit geeignet 17 Performance | Die theoretisch erreichbare Zykluszeit Ein viel diskutiertes Thema ist die Performance der Systeme; dabei wird die Sicht auf theoretische Zykluszeiten gerichtet, die das Industrial Ethernet-System erreichen kann. Die kürzeste theoretische Zykluszeit berechnet sich folgendermaßen: Anzahl Byte: 7 1 6 1010…0101..011 Destination 6 2 38 … 1500 Source Präambel Starting Frame Delimiter MAC-Adresse des Ziels MAC-Adresse der Quelle Längenfeld (falls <1501*) / Typ (falls >1535*) Nutzdaten Prüfzeichen (Cycling Redundancy Check) *Angabe dezimal Anzahl Byte Anzahl Bit Dauer bei 100 Mbit /s Minimale Länge 26 + 38 = 64 512 5,1 s Maximale Länge 26 + 1500 = 1526 12208 122 s Quelle: Rahmenaufbau nach IEEE 802.3 (Zu den 5,1 Mikrosekunden kommt noch der Interframe-Gap mit 0,96 Mikrosekunden hinzu.) 18 4 Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Wenn also ein Master einen Frame ohne Umweg über irgendwelche Teilnehmer direkt an sich selbst versendet, steht der Frame dem Master erst wieder nach 122 µs (bei einem einzelnen Ethernet Maximal-Frame) ganz zur Verfügung. Theoretisch könnten natürlich schon Teile des Frames nach Empfang ausgewertet werden. Aber die CRC-Bytes kommen erst am Ende des Frames und zeigen damit die Gültigkeit der Daten an. Unberücksichtigt bleiben bei diesem Beispiel die Verzögerungen in den PHYs, Kabeln und Ethernet-Anschaltungen, Zeiten des Datentransportes innerhalb des Masters etc. Daneben müssen Laufzeiten auf dem Kabel (5 ns/m) und die Verarbeitungszeit im Slave berücksichtigt werden. Die Auswahl einer zentralen oder dezentralen Architektur muss sehr stark auf zukünftige Ausbaustufen und Anforderungen Rücksicht nehmen. Eine dezentrale Verarbeitung von diversen Regelkreisen hat den Vorteil, dass bei zusätzlichen Teilnehmern die Basiszykluszeit nahezu unbeeinflusst bleibt und somit das Grundkonzept nicht maßgeblich verändert werden muss. Auch haben zusätzliche Funktionen wie Condition-Monitoring oder integrierte Sicherheitstechnik weniger Einfluss auf das Regelungskonzept als bei zentralen Architekturen, die sehr stark von geringen Datenmengen abhängig sind. Für die Zukunftssicherheit einer Lösung sollte man bei Taktzeiten von < 500 µs, sofern möglich, auf eine dezentrale Auswertung der Regelkreise (speziell im Antriebsbereich) achten. Kommunikationsarchitektur der Systeme Kriterien PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III unterstützt zentral + + + + + unterstützt dezentral + + + - o Direkter Querverkehr Direkter Querverkehr bietet speziell bei hohen zeitlichen Anforderungen an das System entscheidende Vorteile: Bei schnellen Antriebssteuerungen lassen sich die Achsen auf unkomplizierte Weise hoch genau synchronisieren, da alle Positionswerte ohne Umweg über einen Master direkt verteilt werden können. Das verringert zum einen das Datenaufkommen und zum anderen stehen die Daten (zum Beispiel der Winkel-Istwert der Achsen) allen beteiligten Teilnehmern im aktuellen Zyklus zur Verfügung. Werden die Daten über den Master geleitet, verzögern sich hingegen zum einen die Daten um einen Zyklus, zum anderen erhöht sich das Datenaufkommen. Kriterien direkter Querverkehr PROFINET RT | IRT + POWERLINK EtherNet/IP + + EtherCAT SERCOS III - + Bei Powerlink und Sercos III kann der direkte Querverkehr auch von Modulen mit ausschließlicher Slave-Funktionalität ausgeführt werden, bei EtherNet/IP ist hier ein Modul mit Scanner-Funktionalität notwendig 19 Große Datenmengen Durchlaufzeit Bei Applikationen, die mit großen Mengen an Prozessdaten umgehen müssen, haben die Durchlaufzeiten bei den Teilnehmern einen großen Einfluss auf die Gesamtzykluszeit. Dagegen lassen sich durch Daten priorisierung die Zykluszeiten verringern. Dazu werden in Systemen, die diese Mechanismen unterstützen, hochpriorisierte Daten in jedem Zyklus und niedriger priorisierte in jedem n-ten Zyklus abgefragt. Beim Summenrahmenverfahren müssen die Daten zweimal den Controller durchlaufen. Werden also viele Teilnehmer durchlaufen, addieren sich die Durchlaufzeiten erheblich. Damit relativieren sich Leistungsdaten, die von den jeweiligen Organisationen angegeben werden. Daneben sind bei der Applikationsperformance auch Umsetzungen in den jeweiligen Steuerungen wie zum Beispiel Taskklassen zu berücksichtigen. Kriterien Priorisierung PROFINET RT | IRT + POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III Kriterien + + o + Performance Powerlink, EtherNet/IP und Profinet haben die unterschiedlichen Zykluszeiten fest in der Spezifikation verankert. Bei SERCOS ist dieses Feature erst kürzlich dazugekommen. Bei EtherCAT kann dies grundsätzlich auch in der Applikation gelöst werden. Datenaufkommen bei Safety-Kommunikation Bei Safety over Ethernet werden zwischen den Safety-Teilnehmern (Not-Aus, Antriebe mit Safety-Controllern) zyklisch g esichert Daten ausgetauscht. Da die Sicherungsverfahren die Daten verdoppeln und in sichere „Container“ einpacken, steigen die Datenraten. Beim Summenrahmenverfahren steigt die Framezahl an, während beim Einzelframeverfahren die Datenmenge in den ohnehin versendeten Frames erhöht wird. Damit gehen die theoretischen Performancevorteile des Summenrahmenverfahrens verloren. PROFINET RT | IRT o + POWERLINK EtherNet/IP + o EtherCAT SERCOS III + + Jitter Ein minimaler Jitter (Taktungenauigkeit) und genaue Kenntnis der Signallaufzeiten sind entscheidend für die Qualität der Regelung in einem Netzwerk. Das setzt eine möglichst genaue Synchronisierung der Netzteilnehmer voraus, die bei den Ethernet-Standards mit verschiedenen Mechanismen erreicht wird: EtherCAT nutzt das Prinzip der verteilten Uhren (IEEE 1588), bei POWERLINK sorgt das SoCSignal für die Synchronisierung. Kriterien Jitter PROFINET RT | IRT o + POWERLINK EtherNet/IP + o EtherCAT SERCOS III + + Bei EtherCAT, Powerlink und Sercos ist ein nahezu jitterfreies System (< 100 ns) immer gewährleistet. Bei EtherNet/IP, mit spezieller IEEE-1588Erweiterung in allen Komponenten, lässt sich der Jitter maßgeblich reduzieren. Bei Profinet in IRT-Applikationen kann der Jitter ebenfalls reduziert werden. 20 Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Performancevergleich nen Datenmengen optimiert. Bei Anlagen mit größeren Datenmengen steigt die Zykluszeit von EtherCAT überproportional stark an. Bei dezentralen Architekturen (zum Beispiel Motion dezentral) überwiegt bei EtherCAT der Nachteil durch den fehlenden direkten Querverkehr (in beiden Richtungen), was die erreichbare Performance erheblich reduziert. Die Integration von EtherCAT direkt im I/O führt ebenfalls zu reduzierten Abtastraten (I/O-System), da die Durchlaufzeit durch das I/O sich direkt auf die erreichbare Zykluszeit auswirkt. Bei POWERLINK und Sercos ist dies nicht der Fall. Die Berechnungen für EtherCAT wurden anhand der Publikation von Prytz 2008 1 durchgeführt. Die Durchlaufzeiten durch den EtherCAT ASIC wurden mit Messungen nochmals verifiziert. Für POWERLINK wurden die Applikationen mit Produkten aufgebaut und mit praktischen Messungen zweifelsfrei bestätigt. Ein praktischer Performancevergleich unter den Systemen gestaltet sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenheiten schwierig: EtherNet/IP und PROFINET RT scheiden aus, da sich die Systeme nur für weiche Echtzeit eignen. Bei PROFINET IRT erschweren die obligatorischen Switches und dadurch die abweichenden Applikationsarchitekturen direkt vergleichbare Ergebnisse. Es wurden die Werte auf Basis von veröffentlichten Berechnungsschemata ermittelt. Als Testszenarien dienten 1. e ine kleine Maschine, bestehend aus einem Master und 33 I/O-Modulen (64 Analog- und 136 Digitalkanäle); 2. ein I/O-System mit einem Master, zwölf Ethernet Slaves mit je 33 Modulen (insgesamt wurden in dieser Applikation 2000 Digital- und 500 Analogkanäle berücksichtigt); 3. ein Motion Control-Netzwerk mit 24 Achsen und eine I/OStation mit 110 digitalen sowie 30 analogen I/Os. Sercos III wurde in den Berechnungen nicht berücksichtigt, es ist allerdings davon auszugehen, dass Sercos ähnliche Performancewerte wie Powerlink erreicht und damit in vielen Applikationen schneller als EtherCAT ist. POWERLINK ist in den meisten praktischen Applikationen schneller als EtherCAT. EtherCAT ist ausschließlich für Anwendungen mit sehr klei- Better 542.88 Motion decentralized: EtherCAT 269.98 Motion decentralized: POWERLINK 363.48 I/O System: EtherCAT 325.25 I/O System: POWERLINK Motion centralized: EtherCAT 271.44 Motion centralized: POWERLINK 269.98 53.4 Small I/O: EtherCAT 81.21 Small I/O: POWERLINK 0 100 200 300 Cycle time [µs] 400 500 1 Prytz G., EFTA-Konferenz 2008, A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT. Referenziert auf der Homepage der EtherCAT Technology Group, www.ethercat.org, 14. 9. 2011. 21 Implementierung | Zu den Kosten der jeweiligen Implementierung zählen Entwicklungsaufwand, Lizenzkosten und Hardwarekosten. Daneben ist auch hier die Verfügbarkeit des Codes (Programm oder VHDL bei Hardware implementierung) zu beachten. Master-Implementierung Master Designs PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III – + – o + kein Open-Source-Master verfügbar openPOWERLINK (Open Source) kein Open-Source-Master verfügbar patentgeschützt 1 Common SERCOS Master API (Open Source) Zugang Master Implementierungskosten o – + o + o hoher Preis für Softwarestack erfordert spezielle Hardware mit Koprozessor läuft auf Standardhardware hoher Preis für Softwarestack läuft auf Standard Hardware typischerweise mit Koprozessorunterstützung 1 Kein Open-Souce-Master, nur unverbindlicher Sample-Code Bei allen Protokollen kann der Master in Software auf einem Standard EthernetChip implementiert werden. 22 Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Kosten für gegebenenfalls erforderliche Netzwerkkomponenten Externe Geräte = externe Switches oder Hubs Interne Multiports = Ports, die direkt in die Geräte integriert sind, hauptsächlich für Daisy-Chain- und Ringtopologien Kosten für Netzwerkkomponenten externe Geräte interne Multiports PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III + o + o o o Standard Switch Spezieller Switch IRT-Support erforderlich Standard-Hubs oder -Switches Managed Switch mit komplexen Funktionalitäten erforderlich (IGMP-Snooping, Port-Mirroring etc.) spezielle Netzwerkkomponenten erforderlich 1 Die Verwendung von externen Infrastrukturgeräten ist zukünftig vorgesehen, wird aber bisher nicht verwendet o o + o + + integrierter Switch Siemens ASIC erforderlich Standard-Hub integrierter Switch sehr komplex Beckhoff-ASIC erforderlich 2 FPGA-basierte Technologie 1 Stern- oder Baumtopologien machen bei EtherCAT den Einsatz spezieller Netzwerk- komponenten erforderlich 2 ET1100 von Beckhoff 23 Die Implementierungen der jeweiligen Busprotokolle in einen Slave können für EtherCAT, SERCOS III und PROFINET IRT nur durch Hardwarelösungen (ASICs oder FPGAs) erfolgen. Bei POWERLINK, EtherNet/IP und PROFINET RT lassen sich auch Softwarelösungen auf Mikrocontrollerbasis realisieren. Aufwendungen für die Software lösungen fallen durch Lizenzkosten für den Stack und gegebenenfalls auch durch die Anschaffung leistungsfähigerer und s omit teurerer Controller an. Dagegen gibt es bei Hardwarelösungen die Auswahl zwischen FPGA- und ASIC-basierten Kommunikationsschnittstellen, wobei FPGAs auch grundsätzlich für Softwarelösungen verwendet werden können. Ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) ist ein integrierter Schaltkreis, den Hardwareentwickler selbst konfigurieren können. Er besteht aus programmierbaren logischen Komponenten, sogenannten „logic blocks“ (Logikzellen), und einer Hierarchie für die rekonfigurierbare Verschaltung der Komponenten. Alle logischen Funktionen, die ASICs ausführen können, lassen sich auch mit FPGAs umsetzen. Die Funktionalität kann nach der Auslieferung angepasst werden. Im V ergleich zu den ASICs sind die einmaligen Entwicklungskosten bei FPGAs gering. F PGA-Technologie ist für Industrial-Ethernet-Lösungen sehr interessant, hauptsächlich wegen der geringen Kosten, der hohen Leistungsfähigkeit, der Multi-Protokoll-Fähigkeit und der Fähigkeit, Layer-2-Funktionalitäten (Hubs, Switches) über vorgefertigte Komponenten zu integrieren. Zu beachten ist, dass die Komplexität e ines Protokolls das Codevolumen und dementsprechend die notwendige Zahl von Logikzellen beeinflusst. Auch die L-2-Funktionalität kann die Anzahl wesentlich beeinflussen. Switches benötigen mehr Zellen als Hubs, und komplexe Managed Switches benötigen extrem viele L ogikzellen. POWERLINK ist die unkomplizierteste Real-Time-Ethernet-Lösung. Da POWERLINK außerdem zum Netzwerkaufbau ausschließlich Hubs verwendet, benötigt es nur wenige Logikzellen und eignet sich für kleine FPGAs. Dagegen sind EtherCAT und SERCOS III aufwendiger und benötigen daher viel mehr Logikzellen. 24 Anschaltkosten in verschiedenen Real-Time-Ethernet-Umgebungen Die nachstehend dargestellten Anschaltkosten bestehen aus den laufenden Kosten für die Hardware. Allfällige Lizenzkosten für Softwarestacks etc. wurden nicht berücksichtigt. 25 $ Minimale Hardwarekosten Slave-Implementierung 20 $ 15 $ 10 $ 5$ 22,2 $ 9,2 $ k. A. 11 $ PROFINET POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT RT | IRT 15,2 $ SERCOS III Die Werte dieses Diagramms berücksichtigen Feedback von Herstellern, die bereits unterschiedliche Industrial-Ethernet-Lösungen umgesetzt haben. Diverse Werte wurden auch bereits von Herstellern in Automatisierungsmagazinen veröffentlicht. Bei allen Protokollen sind die Kosten für den PHY (2 × 1,1 USD) gleichwertig berücksichtigt. Der Stecker ist in der Übersicht nicht inkludiert. Die Richtwerte für die Gesamtkosten beziehen sich auf ein jährliches Volumen von 1000 Stück. Profinet: Hier wurde eine Lösung mit einem ERTEC200-ASIC angenommen. Zukünftig können Geräte auch den von Phoenix Contact entwickelten TPS1-Chip verwenden. Damit sollten die Kosten in den Bereich der EtherCAT-Kosten kommen. Das POWERLINK-Preisniveau wird nicht erreicht. Powerlink: Es wurde eine FPGA-basierte Lösung angenommen. Kosten für RAM und Flash sind bereits berücksichtigt. EtherNet/IP: Hier konnten keine einheitlichen Werte eruiert werden, da die Kosten sehr stark davon abhängen, ob man eine 1-Port-Lösung auf einem µC-Controller oder eine 2-Port-Lösung mit einem FPGA oder einem externen Switch realisiert. EtherCAT: Als Basis wurde die günstigste EtherCAT-ASIC-Lösung mit 2 EthernetPorts verwendet (ET1100). EtherCAT-Lösungen für FPGAs verursachen wesentlich höhere Kosten, wobei hier der Unterschied besonders bei synchronen Lösungen mit Echtzeituhren eklatant ist. Sercos: Für Sercos wurde eine typische FPGA-Lösung angenommen. Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Betriebskosten Betriebskosten bestehen hauptsächlich aus den Aufwendungen für die Wartung und die Netzwerkadministration. Einige Technologien wie EtherNet/IP mit CIP Sync und PROFINET IRT sind hochkomplex und können deshalb erhebliche Netzwerkadministrationskosten ver ursachen. Außerdem erfordert die Nutzung von Managed Switches Netzwerkkenntnisse. Zur Wartung und Inbetriebnahme muss oft ein Netzwerkingenieur vor Ort sein. Bei Real-Time-Kommunikation ist die verwendete Technologie zur Synchronisation ein wichtiges Kriterium. Bei POWERLINK und SERCOS III wird die Synchronisation durch einen vom Master verwalteten Mechanismus realisiert, der sehr präzise und unanfällig für Fehler ist. PROFINET IRT und EtherNet/IP mit CIP Sync sind abhängig vom Synchronisationsmechanismus entsprechend IEEE 1588. Das erhöht die Komplexität der Netzwerkadministration erheblich, insbesondere wenn Geräte, die durch Hardware- oder Softwareursachen eine fehlerhafte Synchronisation auslösen, isoliert werden müssen. EtherCAT nutzt interne Uhren in den Slaves. Funktionen wie Hotplugging – die Möglichkeit, Geräte im laufenden Betrieb auszutauschen – können ebenfalls die Wartungskosten deutlich senken: Das Ersatzgerät wird ohne Beeinträchtigung der Real-Time-Funktion des Systems aktualisiert und konfiguriert. Kosten Anschaffungskosten Betriebs kosten PROFINET RT | IRT - o o POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III + o + o + o + + 25 Safety-Funktionalität | Die Aufgabe des Sicherheitsprotokolls ist es, die Integrität der Datenübertragung zu gewährleisten und dafür ständig die vollständige und rechtzeitige Übertragung zu überwachen. Fehler, die es zu vermeiden bzw. zu registrieren gilt, sind Datenwiederholungen, Datenverluste, Datenverfälschungen und Dateneinfügungen. Ebenso müssen die falsche Abfolge von Daten oder übermäßige Verzögerungen rechtzeitig erkannt werden. Deswegen überprüft ein Safety-System alle sicherheitsrelevanten Segmente des Netzwerks und die Funktion der dazugehörigen Geräte zyklisch auf fehlerfreie Funktion. Bei Unterbrechungen der Kommunikation oder bei unvollständiger Datenübertragung leitet es entsprechende Sicherheitsfunktionen oder die sichere Abschaltung der Anlage ein. Für die sicherheitsgerichtete Kommunikation verwenden alle ver glichenen Systeme ein Black-Channel-Prinzip. Das bedeutet, dass Standard-Übertragungsprotokolle genutzt werden, um die sicher verpackten Daten (Sicherheitscontainer) zu übertragen. Safety-Standard / Feldbus-Kompatibilitiät FeldbusKompatibilität unterstützte Protokolle 26 CIP Safety EtherNet/IP SERCOS III PROFIsafe openSAFETY PROFINET PROFINET POWERLINK EtherNet/IP SERCOS III Modbus Safety over EtherCAT Safety-Technologie-Vergleich Kriterien CIP Safety PROFIsafe openSAFETY Safety over EtherCAT felderprobt o + + o CIP Safety ist für DeviceNet im Feld erprobt, aber für EtherNet/IP und SERCOS III noch neu bereits in High-End- nur für ProdukApplikationen gete der Firma testet und erprobt Beckhoff erhält(Process, Safelich, neu auf Motion-Control dem Markt etc.) Open-Source Implementation verfügbar - - + - unterstützt Payload-DataDuplication + - + - unterstützt MulticastMessaging + - + auf Punkt-zu-PunktVerbindungen beschränkt, strikte Master/Slave- Verbindungen, kein Querverkehr auf Punkt-zuPunkt-Verbindungen beschränkt unterstützt Safety-DeviceConfiguration + - + - Safe-MotionControl - + + - Produktverfügbarkeit unklar EtherCAT für PROFINET und PROFIBUS erhältlich Produktverfügbarkeit unklar Der Vergleich: die 5 wesentlichen Systeme Da die Safety-Protokolle reine Anwendungsprotokolle sind, hängt die Leistungsfähigkeit des Safety-Netzwerks vom unterlagerten, frei wählbaren Transportprotokoll ab. Zum Beispiel bestimmt das Transportprotokoll die verfügbare Bandbreite und die Zykluszeiten, aber auch funktionale Eigenschaften wie Hotplug-Fähigkeit oder die Datenkommunikation per Querverkehr. Querverkehr bedeutet, dass die Knoten in einem Netzwerk ohne Umweg über einen Master mit einander kommunizieren können, was für die Performance des sicherheitsgerichteten Systems eine entscheidende Rolle spielt: Da die Safety-Knoten ihre Signale direkt aneinander weitergeben können, ermöglicht Querverkehr in Gefahrensituationen eine optimale Reak tionsgeschwindigkeit. In einem Netzwerk ohne Querverkehr muss ein Safety-Knoten, der s eine Daten an einen zweiten Safety-Knoten senden soll, die Daten z unächst an den Master schicken, der sie an openSAFETY den Safety-Master weiterleitet, von dort zurückerhält und sie nun erst an den zweiten Safety-Knoten sendet. Im Vergleich zur direkten Kom munikation mit Querverkehr vervierfacht sich so die Signallaufzeit – wertvolle Reaktionszeit geht verloren. Da der Nothalteweg einer Achse in quadratischer Funktion von der Fehlerreaktionszeit und der negativen Beschleunigung a bhängt, verlängert sich demnach der Nothalteweg bei einer vervierfachten Signallaufzeit um das 16-Fache. Kriterien CIP Safety EtherNet/IP + SERCOS III PROFIsafe openSAFETY Safety over EtherCAT Schnelle Safe-Reaction direkt zwischen den Teilnehmern + o + o Failsafe over EtherCAT POWERLINK Master EtherCAT Master Safe PLC Safe PLC 3 2 4 Safe Sensor 1 Safe Motion X Safe Sensor 1 Safe Motion X Task: (X) Safe Sensor has to send data to Safe Motion Task: (X) Safe Sensor has to send data to Safe Motion Solution: (1) Safe Sensor sends data to Safe Motion Solution: (1) Safe Sensor sends data to EtherCAT Master (2) EtherCAT Master relays data to Safety Master (3) Safety Master sends data to EtherCAT master (4) EtherCAT master relays data to Safe Motion Beispiel für kürzere Signallaufzeiten durch Querverkehr: Während bei Querverkehr die Safety-Knoten direkt miteinander kommunizieren (links), vervierfachen sich die S ignalwege bei einem System ohne Querverkehr (rechts) 27 „INDUSTRIALETHERNETFACTS“ ist ein Informationsdienst der EPSG – ETHERNET POWERLINK STANDARDIZATION GROUP, POWERLINK-Office, Schaperstraße 18, 10719 Berlin. Konzept, Gestaltung, Projektmarketing und Koordination: FR&P Werbeagentur Reisenecker & Broddack GmbH, Schaperstraße 18, 10719 Berlin, Tel.: +49(0)30-85 08 85-0, Fax: -86 Objektleitung: A.-Christian Broddack, Erich Reisenecker Koordination Redaktion/Produktion: Heide Rennemann-Ihlenburg Redaktion: gii die Presse-Agentur GmbH, Immanuelkirchstraße 12, 10405 Berlin, Tel.: +49(0)30-53 89 65-0, Fax: -29 Chefredaktion: Rüdiger Eikmeier Redaktion: Heiko Wittke Redaktionsassistenz: Asja Kootz © Urheberrechte Titel und Layout von „INDUSTRIALETHERNETFACTS“ sind urheberrechtlich geschützt. Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vorheriger Genehmigung der Redaktion. MM-D01139.926 INDUSTRIALETHERNETFACTS Nov. 2011 DEUTSCH Impressum