SYSTEMVERGLEICH Die 5 wesentlichen Systeme...EPSG_IEF2ndEdition_de_140416.indd 1 16.04.14 16:00 Vorwort Die Industrial-Ethernet-Welt ist nicht nur für Außenstehende ziemlich unübersichtlich

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2nd EditionDie 5 wesentlichen Systeme

SYSTEMVERGLEICH

PROFINET, POWERLINK, EtherNet/IP, EtherCAT, SERCOS IIIWie die Systeme funktionieren

Die Nutzer- organisationenEin Blick hinter die Kulissen

Investitions-sicherheit und PerformanceAlles, was Sie wissen sollten

Safety- ProtokolleDie Grundlagen

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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 durchschau-

baren Vielfalt konkurrierender Systeme. Die meisten Hersteller bieten nur wenig Informations-

material an, das technische Merkmale und spezifische Funktionsweisen des jeweiligen Stan-

dards 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 ent-

schlossen, eine Ausgabe der Industrial Ethernet Facts diesem Thema zu widmen. Bei der Erstel-

lung 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 be-

rücksichtigt, da diese für die Fragen der Investitionssicherheit entscheidend sind. Die Argumen-

te, die wir im Folgenden anführen, wurden in diversen Gesprächen und Diskussionen mit Ent-

wicklern und Entscheidern aus dem Industrial-Ethernet-Umfeld genannt und belegt. Wir haben

versucht, sie – soweit es für uns machbar war – zu verifizieren.

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 Korrekturvorschlä-

ge haben, senden 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 aufge-

schlossen, die dazu beitragen, die Bewertungen der verschiedenen Industrial-Ethernet-Stan-

dards so lückenlos und objektiv wie möglich zu gestalten.

Diese zweite erweiterte Ausgabe beinhaltet Rückmeldungen aus der Industrial Ethernet commu-

nity, die nach dem Erscheinen der ersten Ausgabe im November 2011 erfolgt sind.

Luca Lachello, Softwareentwicklungsleiter COMAU Robotics – Italien

Peter Wratil, Geschäftsführer Innotec – Deutschland

Anton Meindl, Vorsitzender EPSG – Deutschland

Stefan Schönegger, Business Unit Manager B&R – Österreich

Bhagath Singh Karunakaran, CEO Kalycito – Indien

Huazhen Song, Marketingleiter POWERLINK Association – China

Stéphane Potier, Technologiemarketing-Manager EPSG – Frankreich

Dieses Dokument darf nur mit 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.

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E I N F Ü H R U N G 4 · Die Auswahl der betrachteten Systeme

F U N K T I O N S W E I S E N D E R S Y S T E M E 6 · Wege zur Echtzeitfähigkeit · PROFINET-Kommunikation· POWERLINK-Kommunikation · EtherNet/IP-Kommunikation· EtherCAT-Kommunikation · SERCOS III-Kommunikation

O R G A N I S A T I O N E N 12 · Nutzer-Organisationen und Lizenzpolitik

I N V E S T I T I O N S S I C H E R H E I T 16 · Kompatibilität / Abwärtskompatibilität · EMV-Empfindlichkeit / Übertragungssicherheit · Kontaktstellen· Freiheit in der Verkabelung · Hochverfügbarkeit· Hotplug-Fähigkeit · Eignung für Gigabit · Unterstützung internationaler Normen · Produkte im Markt

P E R F O R M A N C E 18 · Theoretisch erreichbare Zykluszeit · Kommunikationsarchitektur· Direkter Querverkehr · Große Datenmengen· Netzwerkbelastung durch Safety-Kommunikation· Tatsächliche Zykluszeit · Jitter · Performancevergleich

I M P L E M E N T I E R U N G 22 · Master-Implementierung· Netzwerk-Komponentenkosten· Slave-Implementierung· Anschaltkosten· Kosten des Betriebes

S A F E T Y- F U N K T I O N A L I T Ä T 26 · Netzwerkintegriert statt fix verdrahtet

D A S B L A C K - C H A N N E L - P R I N Z I P 27 · Sicherheits-Feldbusse· Sicherheitsdatentransport über reguläre Bus- oder Netzwerkleitungen

F U N K T I O N S W E I S E N D E R S Y S T E M E 28 · CIP Safety · PROFIsafe · openSAFETY · FSoE · Zertifizierungen · Technologie · Geräte-Implementierung · Integration · Performance · CRC

Bhag

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Kontakt: POWERLINK-Office,

Tel.: +49 33439 539 [email protected]

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Systemvergleich: Die 5 wesentlichen Systeme

E I N F Ü H R U N G 4 · Die Auswahl der betrachteten Systeme

F U N K T I O N S W E I S E N D E R S Y S T E M E 6 · Wege zur Echtzeitfähigkeit · PROFINET-Kommunikation· POWERLINK-Kommunikation · EtherNet/IP-Kommunikation· EtherCAT-Kommunikation · SERCOS III-Kommunikation

O R G A N I S A T I O N E N 12 · Nutzer-Organisationen und Lizenzpolitik

I N V E S T I T I O N S S I C H E R H E I T 16 · Kompatibilität / Abwärtskompatibilität · EMV-Empfindlichkeit / Übertragungssicherheit · Kontaktstellen· Freiheit in der Verkabelung · Hochverfügbarkeit· Hotplug-Fähigkeit · Eignung für Gigabit · Unterstützung internationaler Normen · Produkte im Markt

P E R F O R M A N C E 18 · Theoretisch erreichbare Zykluszeit · Kommunikationsarchitektur· Direkter Querverkehr · Große Datenmengen· Netzwerkbelastung durch Safety-Kommunikation· Tatsächliche Zykluszeit · Jitter · Performancevergleich

I M P L E M E N T I E R U N G 22 · Master-Implementierung· Netzwerk-Komponentenkosten· Slave-Implementierung· Anschaltkosten· Kosten des Betriebes

S A F E T Y- F U N K T I O N A L I T Ä T 26 · Netzwerkintegriert statt fix verdrahtet

D A S B L A C K - C H A N N E L - P R I N Z I P 27 · Sicherheits-Feldbusse· Sicherheitsdatentransport über reguläre Bus- oder Netzwerkleitungen

F U N K T I O N S W E I S E N D E R S Y S T E M E 28 · CIP Safety · PROFIsafe · openSAFETY · FSoE · Zertifizierungen · Technologie · Geräte-Implementierung · Integration · Performance · CRC

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2nd Edition


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-Syste-

men miteinander verglichen.1 Die Auswahl folgte technischen, norma-

tiven 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.

EchtzeitBeim Ethernet-Standard IEEE 802.3 führt der Mechanismus zur Auf-

lösung 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; andern-

falls wird eine Störung gemeldet. Bei weicher Echtzeit werden Abwei-

chungen 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.

Die Auswahl der betrachteten Systeme |

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



MarktverbreitungEin weiteres Kriterium für die Auswahl der verglichenen Industrial-

Ethernet-Systeme war die Marktverbreitung: Laut diversen Studien

von IMS- und ARC-Research kommen in ungefähr drei Viertel aller

weltweit genutzten Industrial-Ethernet-Anwendungen EtherNet/IP,

PROFINET oder Modbus TCP zum Einsatz. Danach folgen die Systeme

POWERLINK und EtherCAT, die sich besonders für harte Echtzeit eig-

nen. Modbus TCP wird in diesem Vergleich nicht eigens berücksichtigt,

da das System laut Nutzervereinigung ODVA in EtherNet/IP integriert

wurde. SERCOS III wurde trotz eines geringen Marktanteils in den Ver-

gleich aufgenommen, da dem System im Bereich schneller Antriebs-

steuerungen eine bedeutende Rolle zukommt.

1 s

Hochdynamischesynchronisierte Prozesse,„elektronische Getriebe“

Werkzeugmaschinen,schnelle Prozesse,Roboter

Förderanlagen,einfache Regelungen,Großteil der Automationsanlagen

Gebäudetechnik, Leit- undAutomationsebene, problemloseProzesse, Lagersysteme

10 s 100 s 1 ms 10 ms 100 ms 1 s 10 s

Reaktionszeiten/Jitter

Echtzeitklassen und ihre Anwendungsgebiete nach IAONA

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2nd Edition


Wege zur EchtzeitfähigkeitEs gibt drei verschiedene Ansätze zum Aufbau einer Echtzeit-Ethernet-

Lösung:

1. Aufbauend auf TCP/IP: Die Protokolle basieren auf den normalen

Schichten von TCP/IP und in der obersten Kommunikationsschicht

eingebetteten Echtzeit-Mechanismen. Solche Lösungen haben

üblicherweise einen begrenzten Leistungsbereich.

2. Standard-Ethernet: Die Protokolle basieren auf den normalen

Ethernet-Schichten. Solche Lösungen profitieren ohne zusätzliche

Investitionen von der Weiterentwicklung von Ethernet.

3. Modifiziertes Ethernet: Die Ethernet-Schichten, der Mechanismus

und Infrastruktur von Ethernet wurden abgewandelt. Solche Lösun-

gen stellen die Leistungsfähigkeit über Konformität

Entscheidende Unterschiede der Industrial-Ethernet-Systeme liegen in

der Organisation der Datenübertragung und der Herstellung des Echt-

zeitverhaltens. EtherCAT und SERCOS III nutzen zur Datenübertragung

ein Summenrahmenverfahren. Dabei werden in jedem Zyklus die

Daten für sämtliche Netzwerkteilnehmer in einem Telegramm gesen-

det, 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.

Für Netzwerkzugriff und Datzensynchronisierung nutzen die Systeme

drei unterschiedliche Verfahren:

– Ein Master kontrolliert das Zeitgeschehen. Bei POWERLINK erteilt

der Master den Teilnehmern Sendeerlaubnis, bei EtherCAT und

SERCOS III gibt er den Takt für den Versand von Summenrahmen-

telegrammen vor.

– Bei PROFINET IRT steuern synchronisierte Switches die Kommuni-

kation.

– Bei EtherNet/IP wird per CIP Sync eine Zeitinformation nach dem

Standard IEEE 1588 im Netz verteilt.

Funktionsweisen der Systeme |

Methoden zur Implementierung von Echtzeit-Ethernet

Ethernet-Verkabelung

Ethernet Modifiziertes EthernetEthernet

TCP/UDP/IP

PROFINETEtherNet/IP

POWERLINKPROFINET RT

EtherCATSERCOS III

PROFINET IRT

Standard EthernetIEEE 802.3

TCP/IP-basiert Modifizierter Ethernet-Medienzugriff

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PROFINET („Process Field Network“) ist in unterschiedliche Leistungs-

klassen 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 Mitglieds-

firmen 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 Parame-

trierung, die Diagnose und den Aufbau eines Netzwerkes.

FunktionsweiseFür 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 Ethernet-Frames, während zum Beispiel Diagnose- und Kon-

figurationsdaten 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-

Packing-Verfahren (DFP) zum Einsatz. Unter Verwendung des Summen-

rahmenverfahrens für eine bestimmte Gerätegruppe innerhalb des

Netzwerks soll es die Taktzeiten optimieren.

Middleware

Standard UDP

Standard IP

Standard-Ethernet

Standard TCP

PROFINET Realtimeazyklisch

PROFINET Realtimezyklisch

Applikation

PROFINETStandard

Engineering,Business

Integration

Standard-applikation

(ftp, http, u.a.)

DCOM

Frame ID Prozessdaten Statusinfo

CRCDatenType =0x8892802.1qQuelladresseZieladresse

PROFINET-Kommunikation |

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2nd Edition


POWERLINK wurde ursprünglich von B&R entwickelt und im Jahr 2001

veröffentlicht. Seit 2003 kümmert sich die unabhängige und demo-

kratisch organisierte Nutzerorganisation Ethernet POWERLINK Stan-

dardization Group (EPSG) um die Weiterentwicklung der Technologie.

POWERLINK ist ein komplett patentfreies, herstellerunabhängiges und

rein softwarebasiertes Kommunikationssystem für harte Echtzeit, das

als kosten- und lizenzfreie Open-Source-Version zur Verfügung steht.

POWERLINK integriert vollumfänglich die CANopen-Mechanismen

und ist vollständig konform zum Ethernet-Standard IEEE 802.3,

wodurch sämtliche Features von Standard-Ethernet erhalten bleiben,

einschließlich Querverkehr, Hotplug-Fähigkeit und freier Wahl der

Netzwerktopologie.

FunktionsweiseBei POWERLINK wird der isochrone Datenaustausch durch eine

Mischung aus Zeitschlitz- und Pollingverfahren erreicht. Für die

Koordination bekommt eine SPS oder ein Industrie-PC die Funktion

eines sogenannten Managing Nodes (MN) zugewiesen. Dieser gibt

den Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vor und steuert die

zyklische Datenkommunikation. 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 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 Über-

tragung 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 Nicht-

Echtzeit-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 An-

wendungen in der Automatisierung einschließlich I/O, Motion, Robo-

tik, PLC-PLC-Kommunikation oder Visualisierung sehr gut geeignet.

MN

CN

isochronePhase

asynchronePhase

SoASoC

Async Data

PReqCN1

Zykluszeiten

PReqCN2

PReqCN3

PResCN1

PResCN2

PResCN3

PReqCNn

PResCNn

SoC = Start of CycleSoA = Start of Async

PReq = Poll RequestPRes = Poll Response

MN = Managing NodeCN = Controlled Node

Ethernet ControllerHardware

SonstigeGeräteprofile

ProtokollSoftware

Ethernet Treiber

POWERLINK Treiber

UDP/IP

POWERLINK Transport

CANopenApplication Layer – Object Dictionary

Messaging (SDO and PDO)

I/O Geber Ventile Drives Medizingeräte

CAN Treiber

CAN Controller

CAN-basierterCANopenTransport

POWERLINK-Kommunikation |

Viele Gemeinsamkeiten im CANopen und POWERLINK OSI-Modell

8



EtherNet/IP-Kommunikation|

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 amerika-

nischen Markt stark vertreten und wird häufig in Verbindung mit

Rockwell-Steuerungen eingesetzt.

FunktionsweiseEtherNet/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

EtherNet/IP unterschiedliche Kommunikationsmechanismen zur

Verfügung, wie zum Beispiel zyklisches Polling, zeit- oder ereignis-

gesteuerte Auslösung, Multicast oder einfache Punkt-zu-Punkt-Verbin-

dungen. Das Anwendungsprotokoll CIP unterscheidet zwischen „impli-

ziten“ E/A-Nachrichten und „expliziten“ Frage/Antwort-Telegrammen

für Konfiguration und Datenerfassung. Während explizite Nachrichten

in TCP-Frames eingebettet werden, werden Daten für Echtzeitanwen-

dungen wegen des kompakteren Formats und kleineren Overheads per

UDP versendet. Switches, die den Mittelpunkt der sternförmigen Netz-

werktopologie bilden, verhindern Datenkollisionen der über Punkt-zu-

Punkt-Verbindung angeschlossenen Geräte. EtherNet/IP erreicht typi-

scherweise 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)

werden ausreichend kleine Zykluszeiten und Jitter zur Ansteuerung von

Servomotoren angestrebt.

CIP Application LayerApplication Library

CIP Data Management ServicesExplicit Messages, I/O Messages

Ventile I/O Roboter SonstigeCIP Motion

CIP Message Routing, Connection Management

CIP

Geräteprofile

Anwendung

physikalisch

Transport

Netzwerk

Datenverbindung

IP

EtherNetCSMA/CD

EtherNetPhysical Layer

Encapsulation

TCP UDP

EtherNet/IP

ControlNetCTDMA

ControlNetPhys. Layer

ControlNetTransport

CANCSMA/NBA

DeviceNetPhys. Layer

DeviceNetTransport

CompoNetTime Slot

CompoNetPhys. Layer

CompoNetTransport

prepare

send

producer

broadcast communication

filter

receive

consumer

accept

filter

receive

consumer

accept

filter

receive

consumer

Schichtenmodel EtherNet/IP

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2nd Edition


EtherCAT („Ethernet for Controller and Automation Technology“) wurde

von Beckhoff Elektronik entwickelt. Alle Nutzer der Technologie werden

automatisch Mitglied der EtherCAT Technology Group (ETG).

FunktionsweiseEtherCAT beruht auf dem Summenrahmenverfahren: Der EtherCAT-

Master sendet einen Ethernet-Frame mit den Daten für alle angebun-

denen Slaves, der nacheinander alle Teilnehmer durchläuft. Beim letz-

ten 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 Be-

arbeitung im Durchlauf spezielle ASIC- oder FPGA-basierte Hardware

erforderlich. Die Netzwerkstruktur von EtherCAT entspricht effektiv

immer einem logischen Ring. 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-FramesSämtliche EtherCAT-Telegramme mit den Anweisungen für die einzel-

nen Teilnehmer sind im Nutzdatenbereich eines Frames verpackt. Ein

EtherCAT-Frame besteht aus je einem Header und mehreren EtherCAT-

Kommandos. Ein Kommando besteht seinerseits aus einem Header,

den Daten mit Anweisungen für den Slave und einem Zähler. Für jeden

Slave stehen bis zu 64 kByte konfigurierbarer Adressraum zur Verfü-

gung. 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 EtherCATIn den Slave-Anschaltungen stehen Echtzeituhren zur Verfügung, die

vom Master über einen IEEE1588-ähnlichen Mechanismus synchroni-

siert 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 ver-

wendet. Der EtherCAT-Master wird typischerweise mit einem PC mit

einer Standard-Ethernet-Schnittstelle realisiert. Im Gegensatz zu

Protokollen wie POWERLINK oder PROFINET beschreibt EtherCAT aus-

schließlich 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.

10

EtherCAT-Arbeitsprinzip

EtherCAT-Kommunikation|

Framelaufzeit = (Anzahl Byte Header + Daten) x 10 ns

MasterPHY

PHY

PHY

IOS über LVDS

IOS über LVDS

250 ns 115 ns

WCDataEHFHEthernet HDR CRC



SERCOS III ist ein frei verfügbarer Echtzeit-Kommunikationsstandard

für digitale Antriebsschnittstellen, der neben der Hardwarearchitektur

für die Anschaltungen nicht nur eine Protokollstruktur spezifiziert, son-

dern auch eine umfangreiche Definition von Profilen einschließt. Bei

SERCOS III, der dritten Generation des 1985 im Markt eingeführten

SERCOS Interface, dient Standard-Ethernet nach IEEE 802.3 als

Transportprotokoll. Das Kommunikationssystem kommt schwerpunkt-

mäßig in Motion-Control-basierten Automationssystemen zum Einsatz.

Für die Weiterentwicklung der Technologie und die weltweite Einhal-

tung des Standards sorgt sercos International e. V.

FunktionsweiseWährend für SERCOS III Slaves spezifische Hardware eine Vorausset-

zung ist, kann der Master auch in Software gelöst werden. Zur Entwick-

lung der SERCOS III-Hardware auf FPGA-Basis stellt die SERCOS-Nut-

zerorganisation 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 ergibt 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 zwei Kommunikationsschnittstellen verfügt: Die Echtzeittelegram-

me 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 in-

nerhalb eines Kommunikationszyklus ohne Umweg über den Master

direkt miteinander kommunizieren.

Neben dem Echtzeitkanal, bei dem ein Zeitschlitzverfahren mit reser-

vierten Bandbreiten die Kollisionsfreiheit gewährleistet, lässt sich bei

SERCOS III auch ein Nicht-Echtzeit-Kanal einrichten. Die Synchronisie-

rung der Teilnehmer erfolgt auf Hardwareebene und wird direkt aus

dem ersten Echtzeittelegramm zu Beginn eines Kommunikationszyklus

abgeleitet. Dazu wird das Master-Synchronisations-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 Netz-

werksegmente können mit unterschiedlichen Zykluszeiten und den-

noch vollständig synchron miteinander betrieben werden.

Master Slave Slave Slave Slave SlaveSlave

AT MDT IP

AT: Drive Telegram MDT: Master Data Telegram IP: IP Channel C

…

I/O Profil

Motion Profil

Generisches Geräteprofil

Echtzeit-Kanal Nicht-Echtzeit-Kanal

Safety

Querkommunikation

MS Kommunikation

Synchr.

RT-Kanäle(primär/sekundär)

SVCKanal

EthernetApplikation

S IIIProtokoll

UDP/TCP

IP

Ethernet

SERCON 100M/S (FPGA)+

Ethernet Dual PHYoder netX mit

SERCOS III

RT = Real TimeMS = Master SlaveSynchr. = Synchronisation

SVC = Service ChannelS III = SERCOS IIIUDP = User Datagram Protocol

TCP = Transmission Control ProtocolFPGA = Field Progr. Gate ArrayPHY = Physical Layer

SERCOS III-Kommunikation |

11

2nd Edition

SERCON ist die Bezeichnung für den spezifischen Master/Slave-Kommunika-tionscontroller der SERCOS-Technologie.


Nutzer-Organisationen|

Ein wichtiges Kriterium zur Gesamtbewertung der Systeme ist die Un-

abhängigkeit des Nutzers. Ungeklärte Markenrechte oder Patente, die

eigene Entwicklungen einschränken könnten, sind wichtige Faktoren,

die bei der Auswahl eines Systems zu berücksichtigen sind. Mit einer

genaueren Betrachtung der Hersteller und Nutzerorganisationen lässt

sich späteren Unannehmlichkeiten durch juristische Fallstricke vor-

beugen.

PROFINET – PIPROFIBUS & PROFINET International (PI) ist die internationale Dach-

gesellschaft für 25 regionale PROFIBUS & PROFINET Verbände ein-

schließlich der PROFIBUS Nutzerorganisation e. V. (PNO). Sie unterhält

eine Geschäftsstelle für die Durchführung von Gemeinschaftsprojek-

ten sowie für die Information von Mitgliedern und Interessenten.

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 Firmen, Verbänden und Instituten offen,

die die Interessen der PI als Hersteller, Anwender, Systemhaus oder

Betreiber 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 Organisation ist die Stan-

dardisierung und Weiterentwicklung von POWERLINK. Die EPSG ko-

operiert mit Standardisierungsorganisationen wie beispielsweise der

CAN in Automation (CiA), aber auch mit Internationalen IEC und ISO-

Gremien. Die EPSG ist ein eingetragener Verein Schweizer Rechts.

www.ethernet-powerlink.org

EtherNet/IP – ODVADie ODVA ist die Vereinigung aller DeviceNet- und EtherNet/IP-Anwen-

der. 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 Aktivitä-

ten ist die Entwicklung und Verbreitung des CIP-Protokolls und anderer

auf dem CIP-Protokoll basierender Protokolle. Anwender können nicht

nur die Technologie benutzen, sondern sich in Special Interest Groups

(SIG) auch an der Weiterentwicklung beteiligen. Darüber hinaus ist die

ODVA in anderen Standardisierungsgremien und Industriekonsortien

aktiv. Die Satzung der ODVA ist relativ komplex.

www.odva.org

Kriterien PROFINET RT | IRT

POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III

Organisation PNO EPSG ODVA ETGsercos

International

www. profibus.com ethernet- powerlink.org odva.org ethercat.org sercos.org

12



EtherCAT – ETGDie EtherCAT Technology Group ist ein Forum, zu dem sich Anwender,

OEMs, Maschinenbauer und Automationshersteller zusammenge-

schlossen haben. Der Zweck der Gruppe liegt im Support und darin,

die Vorteile von EtherCAT als offener Technologie zu verbreiten. An das

ETG-Hauptbüro angeschlossen ist ein Zertifizierungslabor. Die Verträge

zur Nutzung der Technologie sind direkt mit der Firma Beckhoff abzu-

schließen. Die EtherCAT Technology Group ist als nicht eingetragener

Verein in Nürnberg ansässig.

www.ethercat.org

SERCOS III – sercos International e. V.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 Automatisie-

rungskomponenten sowie Maschinenhersteller, Forschungsinstitute

und Verbände. Tochterorganisationen bestehen in Nordamerika und

in Asien. Angeschlossen an die Geschäftsstelle ist ein Zertifizierungs-

labor an der Universität Stuttgart.

www.sercos.org

13

2nd Edition




Organisa-tionsform

Verein

+Verein

+Verein

+nicht ein ge tra-

gener Vereino

Verein

+

HaftungPNO

+EPSG

+ODVA

+Mitglieder

oSERCOS

+

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 PROFINETRT | IRT


Rechte- inhaber

Mitglieder

+Mitglieder

+Mitglieder

+Beckhoff

oMitglieder

+

Marken- inhaber

PNO

+EPSG

+ODVA

+Beckhoff

oSERCOS

+

Die Rechte an der Technologie liegen normalerweise bei den Organisationen. Damit können sie von deren 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.

Status, Rechte und Lizenzen Welchen rechtlichen Status haben die jeweiligen Nutzerorgani- sationen? Wem gehört die Technologie? In welche lizenzrecht- lichen Abhängigkeiten begeben sich Entwickler, wenn sie die Technologien nutzen? Auf den folgenden Seiten geben wir einen Überblick.

14





Finanzierung der Organisa-tion

membership feeso

membership feeso

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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.



Spezifikation für Master und Slave

PNO

+EPSG

+ODVA

+Beckhoff

oSERCOS

o

Für SERCOS III und EtherCAT 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 EtherCAT FPGAs kann bei Beckhoff erworben werden; er liegt aber jeweils nicht im Quellcode vor.



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 Source-Lizenz Berkeley Software Distribution (BSD) frei verfügbar; ebenso die Software-Stacks 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 III: sercos stellt seinen Softwaremaster unter LGPL-Lizenz kostenlos zur Verfügung. Für den Slave müssen ASICs oder FPGA-Code erworben werden.

* Quelle: Open Source Automation Development Lab (www.osadl.org)

15

2nd Edition


Investitionssicherheit|

Einen Teil der Kriterien für Investitionssicherheit haben wir im Abschnitt

„Offenheit“ behandelt. Daneben spielt auch eine Reihe von techni-

schen und strategischen Gesichtspunkten eine wichtige Rolle für die

langfristige Investitionssicherheit.

Kompatibilität zu bestehenden Applikationsprofilen



abwärts- kompatibel

PROFIBUS CANopen DeviceNet CANopen SERCOS II

+ + + + +

EMV-Empfindlichkeit/ÜbertragungssicherheitSummenrahmenprotokolle sind störungsempfindlicher als Einzel-

rahmenprotokolle. Bei der Zerstörung eines Frames geht immer ein

kompletter Zyklus verloren.



EMV- Empfindlich-keit

+ + + o o

SERCOS III erreicht durch die Nutzung von zwei Telegrammen um 50 % bessere Werte als EtherCAT

KontaktstellenEine Besonderheit von EtherCAT ist die Möglichkeit, die gesamte

Kommunikation auch intern durch den I/O-Klemmenbus zu führen.

Dem immer wieder angeführten Performancevorteil steht allerdings

ein Sicherheitsrisiko im Störverhalten gegenüber (Kontakte und EMV).



Kontakt- stellen + + + o +

Freiheit in der VerkabelungEtherCAT und SERCOS III 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. Da durch diese aber

immer der komplette Frame durchgeleitet wird, bleibt also auch hier

logisch die Ringorganisation erhalten.



Verkabelung Baum + + + o o

Verkabelung Stern + + + o o

Verkabelung Ring + + + + +

Verkabelung Linie + + + + +

HochverfügbarkeitMaster- und Kabelredundanz sind nur in der Spezifikation von POWERLINK

vorgesehen und in Projekten umgesetzt. Für PROFINET und EtherNet/IP ist

auf Basis von speziellen Switches eine Applikation umsetzbar.



Ring- redundanz o + o + +

Master- und Kabel- redundanz

o + o o -

16



Hotplug-Fähigkeit POWERLINK, EtherNet/IP und PROFINET sind hotplug-fähig. Bei

SERCOS III und EtherCAT ergeben sich aufgrund der obligatorischen

Ringtopologie Einschränkungen. Bei SERCOS III kann bei einer Ring-

verkabelung 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 aus erreicht. EtherCAT bietet eine gewisse Hot-

plug-Fähigkeit: Im EtherCAT Slave-Controller werden offene Ports

automatisch geschlossen wenn keine Verbindung erkannt wird.

Die verteilten Uhren von EtherCAT sind jedoch auf Synchronisierung

angewiesen, was manche Anwendungen beeinträchtigen kann.



Hotplug + + + o o

Bei Technologien mit einem logischen Ring (EtherCAT und SERCOS III) führen die Einschränkungen der Topologie auch zu Einschränkungen für die Hotplug-Möglichkeiten. Hotplug-Module können nur am Ende einer Linie angedockt werden (SERCOS III), was im Anwendungsfall zu Einschränkungen führen kann.

Eignung für GigabitDa EtherNet/IP und POWERLINK ausschließlich auf Software basieren,

lassen sich die Protokolle auch mit Gigabit-Hardware weiterverwen-

den. EtherCAT erfordert neue ASICs, auch PROFINET IRT bedarf einer

Überarbeitung der Hardware, speziell bei den Switches. FPGA-Lösun-

gen können auf Gigabit portiert werden.



Gigabit- ready + - + + - o

Nach Auskunft von sercos International ist der IP-Core grundsätzlich für Gigabit geeignet.

Unterstützung internationaler NormenDie internationale Norm IEC 61158 standardisiert „Typen” genannte

Protokolle zur Verwendung in industriellen Steuerungssystemen. Die IEC

61784-2 standardisiert Familien von Kommunikationsprofilen („CPF” ge-

nannt). GB-Standards sind nationale Chinesische Normen, verfasst und

veröffentlicht von der Normungsbehörde Standardization Authority in

China (SAC). Sie sind über alle Branchen hinweg landesweit gültig. GB/Z

steht für nationale technische Richtlinien. Diese sind primär informativer

Natur und in keiner Weise bindend. Die höchste amtlich zugelassene

Normungsebene für Kommunikationstechnologien ist GB/T. Als in China

empfohlene Industrienorm muss GB/T zahlreiche Anforderungen erfüllen:

Es muss sich um völlig offene Technologie handeln mit großer weltweiter

Verbreitung als Standard-Technologie. Diese darf nicht einem bestimm-

ten Unternehmen oder Land angehören.

PROFINET POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III

IEC 61158 Type 10 Type 13 Type 2 Type 12 Type 19

IEC 61784-2 CPF 3 CPF 13 CPF 2 CPF 12 CPF 16

GB Nationale chinesische Norm

GB/Z 25105-2010

GB/T 27960-2011

GB/Z 26157-2010

Produkte im MarktIRT-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

Kompatibilität von aktuellen IRT-Lösungen ausgelöst.



Produkte im Markt + o + + + +

17

2nd Edition


Performance|

Quelle: Rahmenaufbau nach IEEE 802.3(Zu den 5,1 Mikrosekunden kommt noch der Interframe-Gap mit 0,96 Mikrosekunden hinzu)

Theoretisch erreichbare ZykluszeitEin viel diskutiertes Thema ist die Performance der Systeme; dabei

wird das Augenmerk auf theoretische Zykluszeiten gerichtet, die das

Industrial Ethernet-System erreichen kann. Die kürzeste theoretische

Zykluszeit berechnet sich folgendermaßen:

QuelleZiel.0111010…0101.

Anzahl Byte: 7 1 6 6 2 38 … 1500 4

PräambelStarting Frame DelimiterMAC-Adresse des ZielsMAC-Adresse der QuelleLängenfeld (falls <1501*) / Typ (falls >1535*)NutzdatenPrüfzeichen (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

18



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 Maxi-

mal-Frame) ganz zur Verfügung.

Theoretisch könnten natürlich schon Teile des Frames nach Empfang

ausgewertet werden. Aber die CRC-Byte 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 neh-

men. 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 auf geringe Datenmengen angewiesen sind.

Für die Zukunftssicherheit einer Lösung sollte man bei Taktzeiten

unter 500 μs, sofern möglich, auf eine dezentrale Auswertung der

Regelkreise achten, speziell im Antriebsbereich.

Kommunikationsarchitektur der Systeme



unterstützt zentral + + + + +

unterstützt dezentral + + + - o

Direkter QuerverkehrDirekter Querverkehr bietet speziell bei hohen zeitlichen Anforderun-

gen an das System entscheidende Vorteile: Bei schnellen Antriebs-

steuerungen 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 aktuel-

len 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.



direkter Querverkehr + + + - +

Bei POWERLINK und SERCOS III kann der direkte Querverkehr auch von Modulen mit ausschließlicher Slave-Funktionalität ausgeführt werden, bei EtherNet/IP ist dafür ein Modul mit Scanner-Funktionalität erforderlich.

19

2nd Edition


Große DatenmengenBei 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.



Priorisierung + + + o +

POWERLINK, EtherNet/IP und Profinet haben variable Zykluszeiten fest in der Spezifikation verankert. Bei SERCOS III ist dieses Feature erst kürzlich dazugekommen. Bei EtherCAT kann dies grundsätzlich auch in der Applikation gelöst werden.

Netzwerkbelastung durch Safety-KommunikationSafety über Ethernet beruht auf einem zyklischen Austausch geschütz-

ter Daten zwischen Safety-Knoten (Not-aus-Taster, sicherheitsgerich-

tete Antriebssteuerungen). Bei den dabei angewendeten Schutzver-

fahren werden Daten dupliziert und in sichere „Container“ gepackt.

Das erhöht das Datenaufkommen im Netzwerk. Bei Lösungen, die das

Summenrahmenverfahren verwenden, wird Rahmenanzahl steigen,

während bei der Einzelrahmen-Methode das Datenvolumen in

den ohnehin zum Versand anstehenden Rahmen ansteigen wird.

Insgesamt wird die theoretisch überlegene Performance des Summen-

rahmenverfahrens neutralisiert.

Tatsächliche ZykluszeitBeim Summenrahmenverfahren müssen die Daten zweimal den

Controller durchlaufen. Werden also viele Teilnehmer durchlaufen,

addieren sich die Durchlaufzeiten erheblich. Damit relativieren sich

die von den jeweiligen Organisationen angegebenen Leistungsdaten.

Daneben sind bei der Applikationsperformance auch Umsetzungen

in den jeweiligen Steuerungen wie zum Beispiel Taskklassen zu

berücksichtigen.



Performance o + + o + +

JitterEin 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 mittels

eines proprietären Algorithmus im ESC (EtherCAT Slave Controller)

realisierte Prinzip der verteilten Uhren, bei POWERLINK sorgt ein

einfaches Signal (SoC) für die Synchronisierung.



Jitter o + + o + +

Bei EtherCAT, POWERLINK und SERCOS III ist ein nahezu jitterfreies System (< 100 ns) immer gewährleistet. Bei EtherNet/IP lässt sich der Jitter mit spezieller IEEE-1588-Erweiterung in allen Komponenten maßgeblich reduzie-ren. Bei Profinet in IRT-Applikationen kann der Jitter ebenfalls reduziert werden.

20



PerformancevergleichEin 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. eine 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.

POWERLINK ist in den meisten praktischen Applikationen schneller als

EtherCAT. EtherCAT ist ausschließlich für Anwendungen mit sehr klei-

nen Datenmengen optimiert. Bei Anlagen mit größeren Datenmengen

steigt die Zykluszeit von EtherCAT überproportional stark an. Bei de-

zentralen Architekturen (zum Beispiel Motion dezentral) überwiegt bei

EtherCAT der Nachteil durch den fehlenden direkten Querverkehr (in

beiden Richtungen), was die theoretisch erreichbare Performance er-

heblich reduziert. Die Integration von EtherCAT direkt im I/O führt

ebenfalls zu reduzierten Abtastraten (I/O-System), da sich die Durch-

laufzeit durch das I/O direkt auf die erreichbare Zykluszeit auswirkt.

Bei POWERLINK und SERCOS III ist dies nicht der Fall. Die Berechnun-

gen für EtherCAT wurden anhand der Publikation von Prytz 20081

durchgeführt. Die Durchlaufzeiten durch den EtherCAT ASIC wurden

mit Messungen nochmals verifiziert. Für POWERLINK wurden die Appli-

kationen mit Produkten aufgebaut und mit praktischen Messungen

zweifelsfrei bestätigt.

SERCOS III wurde in den Berechnungen nicht berücksichtigt, es ist al-

lerdings davon auszugehen, dass SERCOS III ähnliche Performance-

werte wie POWERLINK erreicht und damit in vielen Applikationen

schneller als EtherCAT ist.

Motion dezentral: EtherCAT

besser

0 100 200 300 400 500

542.88

325.25

53.4

269.98

363.48

269.98

81.21

271.44

Motion dezentral: POWERLINK

I/O-System: EtherCAT

I/O-System: POWERLINK

Motion zentralisiert: EtherCAT

Motion zentralisiert: POWERLINK

I/O-System klein: EtherCAT

I/O-System klein: POWERLINK

Zykluszeit [µs]

1 Prytz G., EFTA-Konferenz 2008, A performance ana-lysis of EtherCAT and PROFINET IRT. Referenziert auf der Homepage der EtherCAT Technology Group, www.ethercat.org, 14. 9. 2011.

21

2nd Edition


Zu den Kosten der jeweiligen Implementierung zählen Entwicklungs-

aufwand, Lizenzkosten und Hardwarekosten. Daneben ist auch hier

die Verfügbarkeit des Codes (Programm oder VHDL bei Hardware-

implementierung) zu beachten.

Master-Implementierung

Master Designs PROFINETRT | IRT


Zugang Master – + – o +

kein Open-Source-Master ver fügbar

openPOWERLINK (Open Source)

kein Open-Source-Master ver fügbar patentgeschützt 1 Common SERCOS III Master API

(Open Source)

Implemen tie rungs kosten 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 Beispiel-Code

Bei allen Protokollen kann der Master in Software auf einem Standard Ethernet-Chip implementiert werden.

Implementierung|

22



Netzwerk-Komponentenkosten Externe Geräte = externe Switches oder Hubs

Interne Multiports = Ports, die direkt in die Geräte integriert sind, hauptsächlich für Bus- und Ringtopologien

Kosten für Netzwerk- komponenten

PROFINETRT | IRT


externe Geräte + o + o o o

Standard Switch

Spezieller Switch

IRT-Support erforderlich

Standard-Hubs oder -Switches

Managed Switch mit kom plexen Funktionalitäten

er forderlich (IGMP-Snooping, Port-Mirroring etc.)

spezielle Netzwerk komponenten

erforderlich 1

Die Verwendung von externen Infrastrukturgeräten ist zukünftig

vorgesehen, wird aber bisher nicht verwendet

interne Multiports o o + o + +

integrierter Switch

Siemens ASIC erforderlich

Standard-Hub integrierter Switch sehr komplex Beckhoff ASIC required 2 FPGA-basierte

Technologie

1 Stern- oder Baumtopologien machen bei EtherCAT den Einsatz spezieller Netzwerk-Komponenten erforderlich.

2 Beckhoff ET1100.

23

2nd Edition


Slave-ImplementierungDie Implementierungen der jeweiligen Busprotokolle in einen Slave

können für EtherCAT, SERCOS III und PROFINET IRT nur durch Hard-

warelösungen (ASICs oder FPGAs) erfolgen. Bei POWERLINK, Ether-

Net/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 somit teurerer

Controller an. Bei Hardwarelösungen muss eine Auswahl zwischen

FPGA- und ASIC-basierten Kommunikationsschnittstellen getroffen

werden. FPGAs können grundsätzlich auch für Softwarelösungen

verwendet werden.

Ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) ist ein integrierter Schalt-

kreis, 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 Funktio-

nalität kann nach der Auslieferung angepasst werden. Im Vergleich zu

den ASICs sind die einmaligen Entwicklungskosten bei FPGAs gering.

FPGA-Technologie ist für Industrial-Ethernet-Lösungen sehr interes-

sant, hauptsächlich wegen der geringen Kosten, der hohen Leistungs-

fähigkeit, der Multi-Protokoll-Fähigkeit und der Fähigkeit, Layer-

2-Funktionalitäten (Hubs, Switches) über vorgefertigte Komponenten

zu integrieren. Zu beachten ist, dass die Komplexität eines Protokolls

das Codevolumen und dementsprechend die erforderliche 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 Logikzellen.

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 sehr viel mehr Logikzellen.

Anschaltkosten in verschiedenen Real-Time- Ethernet-UmgebungenDie nachstehend dargestellten Anschaltkosten bestehen aus den

laufenden Kosten für die Hardware. Allfällige Lizenzkosten für Soft-

ware-Stacks etc. wurden nicht berücksichtigt.

24



Die Werte dieses Diagramms berücksichtigen Feedback von Herstellern, die bereits unterschiedliche Industrial-Ethernet-Lösungen umgesetzt haben. Diverse Werte wurden auch bereits von Herstellern in Automatisierungs- magazinen veröffentlicht. Bei allen Protokollen sind die Kosten für den PHY (2 × 1,1 USD) gleichwertig be-rücksichtigt. 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 kom-men. Das POWERLINK-Preisniveau wird nicht erreicht.

POWERLINK: Es wurde eine FPGA-basierte Lösung angenommen. Kosten für RAM und Flash sind bereits berücksichtigt..

EtherNet/IP: Die Zahl für EtherNet/IP bezieht sich auf eine typische FPGA- Lösung.

EtherCAT: Als Basis wurde die günstigste EtherCAT-ASIC-Lösung mit 2 Ethernet-Ports verwendet (ET1100). EtherCAT-Lösungen für FPGAs verursachen wesent-lich höhere Kosten, wobei der Unterschied bei synchronen Lösungen mit Echt-zeituhren besonders eklatant ist.

SERCOS III: Für SERCOS III wurde eine typische FPGA-Lösung angenommen.

BetriebskostenBetriebskosten 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 verursa-

chen. Außerdem erfordert die Nutzung von Managed Switches Netz-

werkkenntnisse. Zur Wartung und Inbetriebnahme muss oft ein Netz-

werkingenieur vor Ort sein.

Bei Echtzeit-Kommunikation ist die verwendete Technologie zur Syn-

chronisation ein wichtiges Kriterium. Bei POWERLINK und SERCOS III

wird die Synchronisation durch einen vom Master verwalteten Mecha-

nismus realisiert, der sehr präzise und für Fehler nicht anfällig ist.

PROFINET IRT und EtherNet/IP mit CIP Sync sind abhängig vom Syn-

chronisationsmechanismus entsprechend IEEE 1588. Das erhöht

die Komplexität der Netzwerkadministration erheblich, insbesondere

wenn Geräte, die durch Hardware- oder Softwareursachen eine fehler-

hafte Synchronisation auslösen, isoliert werden müssen.

Funktionen wie Hotplugging – die Möglichkeit, Geräte im laufenden

Betrieb auszutauschen – können ebenfalls die Wartungskosten deut-

lich senken: Das Ersatzgerät wird ohne Beeinträchtigung der Echtzeit-

Funktion des Systems aktualisiert und konfiguriert.

Kosten PROFINETRT | IRT


Anschaf-fungskosten o - + o + o

Betriebs- kosten

o + o + +

Min

imal

e H

ardw

arek

oste

n

5 $

10 $

15 $

20 $

25 $

SERCOS IIIEtherCAT

11.0 $

PROFINETRT | IRT

22.2 $

POWERLINK

9.2 $ 15.2 $

EtherNet/IP

15.2 $

25

2nd Edition


Safety-Funktionalität|

Die Sicherheitsanforderungen im Produktionsumfeld zu erfüllen,

wurde im Laufe der vergangenen zehn Jahre zu einer stark wachsen-

den Herausforderung. Die Einführung der Maschinenrichtlinie

2006/42/EG durch die Europäische Union führte dazu, dass

Maschinen- und Anlagenhersteller ihre Aufmerksamkeit verstärkt auf

diese Thematik legten. Sie müssen umfassende Lösungen entwickeln,

die den Schutz der Arbeitenden vor Verletzungen und der Maschinen

vor Beschädigungen und zugleich die Produktivität maximieren.

.

Die neuen Normen führten dazu, dass neue Maschinen strenge Zertifi-

zierungsverfahren absolvieren müssen und zu erhöhten Leistungsan-

forderungen an die verwendeten Sicherheitskomponenten. Unterstützt

durch eine Vielfalt innovativer Safety-Produkte ermöglichten sie auch

eine Änderung des Zugangs zur Konzeption von Sicherheitslösungen.

Nicht länger ist ein Not-Aus, der sofort alle Teile einer Maschine zum

Stillstand bringt, die einzige sichere Reaktion auf ein Eindringen in die

Gefahrenzone. Intelligente sichere Antriebsfunktionen (Smart Safe

Reactions), etwa fortgesetzter Betrieb mit sicher reduzierter Geschwin-

digkeit, bieten in vielen Fällen ausreichenden Schutz und erhöhen die

Produktivität durch Reduktion der Wiederanlaufzeit. In vielen Fällen –

besonders im Einrichtebetrieb – ermöglichen sie eine sichere Interakti-

on zwischen Mensch und Maschine.

26



Auf den ersten Blick können die hart verdrahteten Lösungen kosten-

günstiger wirken. Durch die geringeren Preise der einzelnen Hard-

warekomponenten kann das auch in manchen Fällen zutreffend sein,

nicht jedoch bei Betrachtung der Sicherheitslösung in Ihrer Gesamt-

heit. Für Systeme, deren Komplexität über einen einzelnen Not-aus-

Taster hinausgeht, werden netzwerkintegrierte Sicherheitssysteme

bevorzugt. Diese kommen mit weniger Komponenten und Verkabe-

lungsaufwand aus und bieten im Gegensatz zu hart verdrahteten

Lösungen durch Konfiguration und Parametrierung eine höhere Flexi-

bilität in der Entwicklung von sicheren Applikationen. Die zudem ver-

einfachte Fehlerdiagnose führt in Kombination mit zentraler Datenhal-

tung zu schnellerer Rückkehr in den Produktivbetrieb. Erreicht wird die

maximale Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen mittels integrier-

ter Sicherheitstechnik durch:

– mit dem Netzwerk direkt verbundene Sicherheitssensoren

– direktes Auslesen der Geräteinformationen

– vereinfachte Wartung dank automatischer Komponenten-

Parametrierung über das Netzwerk

– sichereres Umschalten zwischen Betriebszuständen durch

Parametersetzen im Betrieb

– verringerte Reaktionszeit durch Eliminieren der Relais-Verzögerung

– von Netzwerk und sicherheitsgerichteter Software unterstütztem

modularen Aufbau

– erhöhte Verfügbarkeit als Ergebnis umfassender Diagnose

– Reduktion von Komponentenanzahl und Verkabelungsaufwand

– größere Vielfalt von Safety-Funktionen (Sicherer Betriebshalt,

sicher begrenzte Geschwindigkeit, …)

FunktionsweiseSicherheitsapplikationen werden auf Basis zertifizierter Software

unter Verwendung von Funktionsblöcken wie Zählern, Zeitgliedern

oder Geschwindigkeits-Überwachungsbausteinen programmiert.

Ausgeführt auf dedizierten Sicherheitssteuerungen ersetzen sie die

hart verdrahtete, traditionelle Sicherheitsschaltung. Die Umsetzung

der Sicherheitsanwendung in Software reduziert die Anzahl von

Sicherheitskomponenten und I/O-Modulen. Gemeinsam mit dem

Ersatz der diskreten Verkabelung durch Übertragung der Sicherheits-

daten über die bestehenden Netzwerkverbindungen minimiert das

wesentlich Kosten und Komplexität von Sicherheitseinrichtungen.

Durch Verwendung existierender Netzwerkverbindungen benötigen

wechselnde Maschinenausführungen und Optionen keine eigenen

sicherheitstechnischen Verbindungen. Das erhöht zusätzlich Flexi-

bilität und Freiheit der Entwicklung sicherheitsgerichteter Anwendun-

gen. Auch ist für die Übertragung von Diagnosesignalen keine zusätzli-

che Hardware erforderlich. Insgesamt beschleunigt die Verwendung

integrierter Sicherheitslösungen die Entwicklung und führt zu einer we-

sentlich verkürzten Time-to-Market.

27

2nd Edition


Sicherheits-FeldbusseSicherheitsgerichtete Feldbusse vereinfachen die Verteilung von Kom-

ponenten in einer Maschine oder Anlage. In den meisten Fällen genü-

gen zwei Kabel, eines für die Stromversorgung und eines für die Daten-

kommunikation. Sensoren können direkt mit dem Sicherheitsnetzwerk

verbunden werden. Sie benötigen keine zusätzlichen Kabel für die

Rücklieferung von Diagnosedaten. Das führt zu einer Reduktion der

benötigten Hardware-Komponenten.

Unter Verwendung des Black-Channel-Prinzips werden sicherheits-

relevante Daten und Diagnose-Informationen über das bestehende

Netzwerk ausgetauscht, was kürzere Reaktionszeiten ermöglicht.

Sensoren empfangen Konfiguration und Parameter über das Netzwerk.

Das gestattet das Nachladen der Parameter in den Sensor im Fall von

Änderungen am Betriebsmodus und eliminiert zudem die Notwendig-

keit, nach einem Komponententausch direkt am Gerät Parameter ein-

zustellen. All dies führt zu maximierter Produktivität und reduzierten

Stillstandszeiten.

Sicherheitsdatentransport über reguläre Bus- oder Netzwerkleitungen Das Black-Channel-Prinzip erlaubt die Übertragung sicherer und nicht

sicherer Prozessdaten über dieselbe Netzwerk- oder Busleitung. Unab-

hängig vom auf dieser Leitung verwendeten regulären Datentransport-

mechanismus können Safety-Komponenten Daten mittels eines iso-

lierten sicheren Protokolls übertragen, das den darunter liegenden

Netzwerk-Kanal durchtunnelt. Da es sich bei sicheren Feldbussen um

reine Applikationsprotokolle ohne eigene physikalische Eigenschaften

handelt, sind die verfügbare Bandbreiten und Zykluszeiten vom ver-

wendeten Datentransportprotokoll abhängig. Mögliche Übertragungs-

fehler sind bekannt und in den relevanten Normen IEC 61784-3 und

IEC 61508 angeführt. Ihre Vermeidung muss als Kernbestandteil des

Sicherheits-Datenübertragungsprotokolls implementiert werden. Die

erforderliche Qualität der Übertragungsfehlererkennung ist abhängig

vom Sicherheitsniveau, das zu erreichen ist.

28

Das Black-Channel-Prinzip |

“Black Channel”

SafetyApplikation

StandardApplikation

Safety-LayerSafety-Layer

SafetyApplikation

StandardApplikation

Industrial Ethernet, Feldbus, Backplanes...

KommunikationsprotocolKommunikationsprotocol

Safety Layer

Black-Channel-Mechanismus



CIP Safety Das Protokoll „CIP Safety“ wurde für die sichere Datenübertragung

über EtherNet/IP oder DeviceNet spezifiziert. Unter Verwendung des

bereits existierenden Dienstes CIP (Common Industrial Protocol), nutzt

das Protokoll CIP Safety den Producer/Consumer-Mechanismus für

den Datenaustausch zwischen sicheren Knoten. In diesem Zusam-

menhang werden Consumer als „Originator“ und Producer als „Target“

bezeichnet. Die sichere Zeitsynchronisation zwischen Producern und

Consumern erfolgt per Chronologieüberwachung. Sofern zwischen al-

len Knoten im Netzwerk Synchronität herrscht, kann die Entstehungs-

zeit sicherer Meldungen mittels Zeitstempel bestimmt werden. Diese

Methoden garantieren die Aktualität verarbeiteter Daten. Für die Über-

tragung sicherer Daten werden „Safety Validator Objects“ verwendet.

Diese organisieren und garantieren die Integrität von Meldungen in

CIP Safety Netzwerken. Diese Objekte bilden auch die Brücke zwischen

der Safety-Kommunikation und dem verwendeten Feldbus oder Netz-

werk. Zur Datenübertragung bietet das Protokoll Einzelübertragung

oder Multicast-Verbindungen. Ihre Verwendung hängt von der Fähig-

keit des verwendeten Kanals zur Unterstützung einer dieser Verbindun-

gen ab.

Für die Berechnung der CRC (Cyclic Redundancy Check) verwendet

das Protokoll CIP Safety fünf verschiedene Formate von 8 bis 32 Bit

CRC. Das hängt davon ab, ob die Datengröße ein oder zwei Byte oder

zwischen drei und 254 Byte beträgt und von dem durch Prüfsummen-

berechnung abgedeckten Datenbereich. Zur eindeutigen Identifikation

der sicheren Knoten dient ein „Unique Node Identifier“ (UNID). Dabei

handelt es sich um eine Kombination aus einer Netzwerk-ID und der

Knotenadresse, die der MAC-Adresse entspricht. Er kann manuell mit-

tels DIP-Schalter oder per Software-Konfiguration eingestellt werden.

Während des Hochfahrens prüft der Originator die Anwesenheit der

konfigurierten UNIDs im Netzwerk. Weitere Parameter wie Zeitüber-

schreitungs-Verzögerungen, Ping-Intervalle oder die maximale

Knotenanzahl werden mithilfe eines Safety Configuration Tool (SNCT)

konfiguriert.

Funktionsweisen der Systeme|

EtherNet/IP

CommonIndustrialProtocol(CIP)

NetworkAdaptionsof CIP

Data Management ServicesExplicit Messages, I/O Messages

PneumaticValves AC Drives Semi Devices Other Profiles Safety

I/O BlockOther

Safety Profiles

Safety-SpecificObject Library

Safety Layer

Object Library

TCP

Connection Management, Routing

UDP

Internet Protocol (IP)

DeviceNetTransport

ControlNetTransport

CANCSMA/NBA

ControlNetCTDMA

EthernetCSMA/CD

DeviceNetPhysical Layer

ControlNetPhysical Layer

EthernetPhysical Layer

DeviceNet ControlNet

CIP-Safety

29

2nd Edition


PROFIsafePROFIsafe verwendet für die Übertragung von Sicherheitstelegrammen

den „Master-Slave”-Mechanismus. Der üblicherweise als „F-Host“ be-

zeichnete Master tauscht mit all seinen „F-Devices“ genannten Slaves

zyklisch sicherheitsrelevante Daten aus. Jedes F-Device hat einen

F-Driver, der die Koordination sicherer Meldungen namens „Safety

PDUs“ (Protocol Data Unit) zwischen F-Host und F-Device koordiniert.

Die CRC-Berechnung der PDUs ist abhängig von der zu übertragenden

Meldungslänge. Dabei werden „Slim PDU“ bis 12 Byte und „Long

PDU“ bis 123 Byte unterschieden. CRC 24 wird für Slim PDU verwen-

det, während für Long PDUs CRC 32 zum Einsatz kommt. Damit

Meldungsempfänger das Eintreffen der Telegramme in der korrekten

Reihenfolge überprüfen können, verwendet PROFIsafe fortlaufende

Nummern für die Safety-Telegramme. Zusätzlich stellt die Überwa-

chung der nach dem Empfang jedes Telegramms zurückgesetzten

Toleranzzeit (F-Watchdog Time) sicher, dass stets die aktuell gültigen

Telegramme gelesen werden. Die sogenannten F-Parameters

(PROFIsafe Parameters) bieten einen Identifikator mit eindeutiger

Unterscheidung zwischen F-Host und F-Device.

Obwohl die Adressen (Unique Codename) der F-Devices automatisch

an diese versendet werden, müssen die Zieladressen direkt am Gerät

per DIP-Schalter eingestellt werden. Die F-Devices erhalten ihre Kon-

figuration per Übertragung der F-Parameter über die „GSD“ (General

Station Description) und der I-Parameter (individual F-Device Parame-

ter). Diese Parameter werden im iPar-Server verwaltet, von wo sie über

standardisierte Schnittstellen an ein PROFIsafe-Gerät übertragen wer-

den. Üblicherweise ist der iPar-Server in eine Entwicklungswerkzeug

namens „CPD-Tool“ (Collaborative Product Design) integriert. Um ein

F-Device vollständig zu konfigurieren, muss für ein Produkt eine GSD-

Datei erzeugt und eine Schnittstelle zu dem CPD-Tool gewährleistet

werden.

PROFIsafe Message

F-Host Diver Instance

Services

State Machine

User Program(Logic Operations)

F-Device Driver

Services

State Machine

F-Device Technology(e.g. Laser Scanner)

F-Parameter

iParameter

CRC Control Byte Output Data

Input Data Status Byte CRC

30



openSAFETY openSAFETY wurde mit dem Ziel der Übertragung sicherheitsrelevanter

Daten über beliebige Feldbusse oder Netzwerke geschaffen. Es kann

mit allen Feldbussen verwendet werden, ob Ethernet-basiert oder

nicht.

Für die Übertragung von Safety-Daten wird das Producer/Consumer-

Modell verwendet. Ein Vorteil dieses Systems ist, dass alle Consumer

in einem openSAFETY-Netzwerk die Nachrichten des Producers emp-

fangen und in Folge verarbeiten können. Jeder openSAFETY-Knoten

hat eine eindeutige UDID (openSAFETY Unique Device Identification)-

Nummer. Diese ist eine Kombination der MAC-Adresse mit der Gerä-

tenummer des Herstellers. Während des Hochlaufes prüft das Safety

Network Management (SNMT) den Gerätetyp und die UDID und ent-

deckt so automatisch ausgetauschte Geräte. In solchen Fällen werden

automatisch die erforderlichen Parameter an die sicheren Knoten

(Safety Nodes, SN) übertragen. Analog zu anderen Kommunikations-

protokollen kann der SCM als openSAFETY-Master betrachtet werden,

der zur Verwaltung des Netzwerks Dienste nutzt.

Das openSAFETY Object Dictionary (SOD) verwaltet die Parameter.

Diese werden unter Verwendung von Safety Service Data Objects

(SSDO)an die Safety-Knoten übertragen. Nach Abschluss der Kon-

figuration der Knoten und der Boot-Phase beginnt die zyklische

Datenübertragung zwischen Producer und Consumer. Zur Übertragung

sicherheitskritischer Prozessdaten werden Safety Process Data

Objects (SPDO) verwendet. Der openSAFETY-Frame besteht aus zwei

Subframes. Er kann maximal 254 Byte Sicherheitsdaten transportie-

ren, wobei für Nutzdaten von 1 bis 8 Byte CRC 8 verwendet

wird und CRC 16 für Nutzdaten von 9 bis 254 Byte.

Mit openSAFETY lassen sich sehr große Netzwerke aufbauen. Für jede

openSAFETY-Domain (SD) können bis zu 1.023 sichere Knoten ver-

bunden werden. Da sie vom SCM angesprochen werden, sind keine

zusätzlichen Hardware-Schalter erforderlich. Die maximale Gesamt-

konfiguration eines openSAFETY-Netzwerks hat 1.023 openSAFETY-

Domains mit insgesamt mehr als einer Million sicherer Knoten. Die

Kommunikation zwischen den einzelnen Domains erfolgt über das

openSAFETY Domain Gateway (SDG).

POWERLINK PROFINET EtherNet/IP Modbus/TCP SERCOS III

openSAFETY

Industrial Ethernet

TCP/

IP

CAN

USB

LVDS

IO-L

ink

RS48

5

. . .

Safety Related Application

31

2nd Edition


FSoEFail Safe over EtherCAT (FSoE) ist ein Protokoll zur Übertragung von

sicherheitsrelevanten Daten über EtherCAT unter Verwendung eines

FSoE Masters und FSoE Slaves. In jedem FSoE-Zyklus sendet der Mas-

ter seine Safety-PDU (Protocol Data Unit) an den Slave uns startet zu-

gleich einen Watchdog Timer. Der Slave verifiziert und berechnet die

Daten vor der Rückübermittlung an den Master. In diesem Fall startet

auch der Slave eine Laufzeitüberwachung per Watchdog Timer. Der

Master empfängt und verarbeitet die Daten wie beim Slave beschrie-

ben und hält den Watchdog Timer an. Erst nach vollständiger Ausfüh-

rung dieses Zyklus generiert der Master eine neue Safety-PDU. Auf-

grund dieses Mechanismus ist die sichere Kommunikation stets von

der verwendeten Hardware und Topologie abhängig.

Die Adressbeziehung zwischen Master und Slave wird „FSoE-Connec-

tion“ genannt und durch eine eindeutige Verbindungs-ID gekennzeich-

net. Die 16-Bit Connection-ID wird vom Master an die einzelnen Slaves

übertragen. Für die Ausstattung jedes Slaves mit einer eindeutigen ID

müssen die Anwender sorgen. Für die korrekte Identifikation während

der Hochlaufsequenz generieren sowohl der Master als auch die Slaves

eine „Sequence Number”, die für jede Nachricht von 0 bis 65535

reicht. Damit wird sichergestellt, dass nur aktuell gültige Meldungen

verarbeitet werden. Die Adressierung der einzelnen Geräte erfordert

die Vergabe eindeutiger Nummern durch Hardware-Einstellung mittels

DIP-Schalter. Jeder FSoE-Master enthält einen „FSoE Master Handler“,

der mit Slaves über einen „FSoE Slave Handler“ kommuniziert. Optio-

nal erlaubt ein zusätzlicher „FSoE Slave Handler“ zur Implementierung

im Master Kommunikation zwischen verschiedenen Mastern innerhalb

eines Netzwerks. Zur Absicherung der zu übertragenden PDUs wird für

je 2 Byte Safety-Daten einmal CRC 16 verwendet. Für die Übertragung

von 10 Byte Daten wird also fünfmal CRC 16 angewendet.

Das Setzen der Parameter selbst ist nicht spezifiziert. Der Parametrier-

vorgang muss in der vom Anwender programmierten Applikationssoft-

ware erledigt werden. Die FSoE-Spezifikation beschreibt die erforder-

lichen Parameter nicht. Dafür Sorge tragen, dass die einzelnen FSoE-

Slaves ihre korrekten Parameter erhalten, müssen die Anwender.

Application Layer (AL)

Safety-over-EtherCAT Software Architecture

Application

Safety Application

Safety Management

Safety Objects Safety Data

EtherCAT Data Link Layer (DL)

EtherCAT Physical Layer

32



Zertifizierungen

Kriterien CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE

Black- Channel basiert

+ + + +

IEC 61784-3 + + + +

Zertifizie-rungsinsti- tution

TÜV RheinlandIFA

TÜV SüdIFA

TÜV SüdTÜV Rheinland

TÜV Süd

Generell erfüllen die verschiedenen integrierten Sicherheitstechnologien alle gleichermaßen die Sicherheitsanforderungen. Sie basieren alle auf dem „Black Channel”-Prinzip, sind in der IEC 61784-3 angeführt und bis SIL 3 zertifiziert. Versteckt hinter den reinen Sicherheitsaspekten gibt es jedoch relevante Kriterien, die bestimmen, ob eine Technologie von Komponentenherstellern oder Endkunden angenommen wird. Entscheidende Unterscheidungsmerkmale sind die Einfachheit der Integration der Technologien in die Anwendung für die jeweilige Problemlösung.


SIL3 - zertifiziert(IEC 61508)

+ + + +

RSIL4- Eignung o o + o

Die Technologie von openSAFETY ist bis SIL3 zertifiziert. Obwohl bislang noch nicht dafür zertifiziert, ist das Kernprinzip dieser Technologie einschließlich der Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion im Anforderungsfall (Probability of Failure on Demand, PFD) für SIL4 geeignet.

Technologie


Unterstützung von Nutzdaten-Duplizierung

+ – + –

Unterstützung für Multicast-Meldungen

+ – + –

Sicherheitsge-räte-Konfigura-tion

+ o + o

Sichere Bewe- gungssteue-rung (Safe Motion Control)

o + + +

Technologie-Überlegungen haben große Bedeutung bei der Entwicklung von Safety-Geräten. In Abhängigkeit von der Komplexität der Safety-Frames kann deren Zusammenstellung unerwünschte zusätzliche Implementierungsarbeit erforderlich machen.Unterstützung von Multicast-Meldungen hilft, kurze Reaktionszeiten zu erreichen. Diese können wiederum Auswirkungen auf den Gesamtentwurf einer Maschine oder Anlage haben, beispielsweise durch Reduktion der Stellfläche von Maschinen. Nach Wartung oder Gerätetausch sollten Safety-Slaves vom Master automa-tisch konfiguriert werden. Damit Geräte von verschiedenen Mastern konfiguriert werden können, müssen die Konfigurationsschnittstellen eindeutig spezifiziert sein. Zur Abdeckung dieser Anforderung für PROFIsafe wurde der iPar-Server entwickelt. Sein Interoperabilitätsstatus auf dem Markt ist unklar, denn in der Vergangenheit kamen die Konfigurationsdaten vom Hersteller des verwendeten Masters statt aus dem System. Im April 2012 kündigte die Nutzerorganisation sercos International (SI) die Entwicklung eines sicherheitsgerichteten Antriebstechnik-Profils für CIP Safety on SERCOS III an. Zum Veröffentlichungszeitpunkt dieser Broschüre scheint ein Safe-Motion-Profil auf der Basis von CIP Safety nicht verfügbar zu sein.

FSoE bietet einen sicheren Parametrierungskanal zur Übertragung sicher gekapselter Daten an die sichere Applikation. Ein Adressierungsschema für die sicheren Applikationsparameter existiert nicht.

Integrierte Safety-Systeme im Vergleich |

33

2nd Edition


Geräte-Implementierung


Rechtliche Beschränkung + – + –Investitions-sicherheit o o + o

Time-To- Market + + + o

Implementie-rungskosten – o + +Aktueller Marktanteil o + o –Verfügbarkeit zertifizierter Stack + + + –

Die wichtigsten Überlegungen von Geräteherstellern betreffen Unabhängigkeit und Implementierungskosten. In diesem Vergleich wurden alle Kosten für Lizenzgebühren, Software-Stack, Konformitätsprüfungen und Zertifizierung ebenso berücksichtigt wie die Komplexität der Technologien und ihre Auswir-kung auf die für die Implementierung benötigten Ressourcen und Kosten.ProfiSAFE und FSoE sind auf die Protokolle ihrer Nutzerorganisationen be-schränkt. Das kann zur Notwendigkeit führen, mehrere Sicherheitsprotokolle zu implementieren, wenn mit unterschiedlichen Automatisierungssystemen und Feldbussen ausgestattete Maschinen kombiniert werden. Für CIP Safety ist die Implementierung eines dedizierten CIP Abstraction Layers innerhalb des Black Channel erforderlich, was den Entwicklungsaufwand erhöht. Nachforschungen der Verfasser dieser Publikation zufolge ist zwar ein FSoE Slave in Entwicklung, gegenwärtig ist jedoch kein zertifizierter FSoE Slave-Stack auf dem Markt verfügbar. Das kann ein potentielles Risiko für Safety-Implementierungen auf Geräteebene darstellen.


Unterstützte Industrial Ethernet Protokolle

EhterNet/IPSERCOSIII PROFINET

PROFINETEtherCAT

EtherNet/IPModbus

POWERLINKPROFINETSERCOSIII

EtherCAT

Open-Source Implementie-rung verfügbar

– – + –

Der openSAFETY Stack ist derzeit die einzige Open-Source-Software für Sicher-heitskommunikation. Technisch wie rechtlich betrachtet ist openSAFETY völlig Technologieunabhängig.

Integration


Stack-Kom-patibilität o o + –

Leistung o o + o

Adressierung + – + –Sichere Reaktionszeit o o + o

Zur Sicherstellung der Kompatibilität zwischen Safety-Produkten unterschiedli-cher Hersteller ist die Kompatibilität aller Stacks auf dem Markt essentiell.

Da es für openSAFETY nur einen Stack gibt, steht die Kompatibilität außer Frage.

Für FSoE Slave-Implementierungen ist kein Stack verfügbar.

In einem Sicherheitsnetzwerk müssen alle Knoten eindeutige IDs haben. Zur Vermeidung von Parametrierfehlern sollte die Adressierung automatisiert erfolgen. Die Protokolle PROFIsafe und FSoE erfordern jedoch eine manuelle Adresseinstellung jedes Safety-Gerätes mittels DIP-Schalter. Irrtümer können – vor allem in Wartungssituationen – leicht zu fehlerhafter Parametrierung führen. Auch ist es sehr schwierig, unter Verwendung von Hardwareschaltern modulare Maschinenkonzepte zu entwickeln, da diese Form der Adressierung stets starr ist. Zudem können im Fall einer Fehlbedienung die Sicherheitskomponenten falsche Parameter erhalten.

openSAFETY folgt dem Producer/Consumer-Prinzip und unterstützt direkte Querkommunikation. Das führt zu außerordentlich kurzen Reaktionszeiten. Alle Sicherheitsmeldungen wie bei PROFIsafe und FSoE über den Master zu leiten verlängert die Zykluszeiten. Dadurch geht wertvolle Zeit für sichere Reaktionen verloren. Da CIP Safety zur Unterstützung von Querkommunikation Originator-Funktionen benötigt, ist eine Querkommunikation zwischen Slaves (Targets) nicht möglich.

34



Performance Da es sich bei Safety-Protokollen um Applikationsprotokolle handelt,

ist die Performance eines Sicherheits-Netzwerks vom darunterliegen-

den Datenübertragungsprotokoll abhängig. Die Wahl des Basisproto-

kolls bestimmt die verfügbare Kommunikationsbandbreite und die

Zykluszeiten, aber auch funktionale Merkmale wie die Hotplug-Fähig-

keit oder Datenkommunikation über Querverkehr.

Der Querverkehr hat entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähig-

keit sicherheitsgerichteter Systeme. In Netzwerken, die Querkommuni-

kation unterstützen, können Signale von jedem Safety-Knoten ohne

den Umweg über einen Master direkt an einen oder mehrere andere

Safety-Knoten übertragen werden. Das ermöglicht in gefahrvollen

Situationen optimierte Reaktionszeiten. In Netzwerken ohne Unterstüt-

zung für Querverkehr senden die Safety-Knoten ihre Signale an einen

Feldbus-Masterknoten, der diese zur Bestätigung an den Safety

Master des Netzwerks weiter leitet. Es wird daraufhin an den Feldbus-

Masterknoten zurück übertragen, der es schließlich dem empfangen-

den Safety-Knoten weiterreicht. Im Vergleich zum direkten Daten-

austausch per Querverkehr verursacht dieser Prozess die vierfache

Signalverzögerung – wertvolle Reaktionszeit verstreicht. Da der Not-

Anhalteweg einer Bewegungsachse mit dem Quadrat der Fehler-Reak-

tionszeit und der negativen Beschleunigung zunimmt, führt die Vervier-

fachung der Signalübertragungszeit zu einer 16-fachen Verlängerung

des Anhaltewegs im Notfall.


CRC-Bereich 8-32 Bit 24-32 Bit 8-16 Bit 16 Bit

Erforderliche CRC-Berechnun-gen pro 20 Byte Nettodaten

2 1 2 10

Anzahl unterschied-licher CRC

5 2 2 1

Die erforderliche Anzahl unterschiedlicher Prüfsummen erhöht die Komplexität der Implementierung und führt in Folge zu erhöhten Entwicklungskosten. Zu-sätzlich kann die Berechnung multipler CRCs zu deutlich langsameren Reaktio-nen auf Sicherheitsverletzungen führen.

openSAFETY Failsafe over EtherCAT

POWERLINKMaster

SafePLC

SafeSensor

SafeMotion1

X

SafePLC

SafeSensor

SafeMotion1

X

23

EtherCATMaster

4

Aufgabe: (X) Sicherer Sensor muss Daten an sichere Bewegungssteuerung senden

Lösung: (1) Sicherer Sensor sendet Daten an sichere Bewegungssteuerung

Aufgabe: (X) Sicherer Sensor muss Daten an sichere Bewegungssteuerung senden

Lösung:(1) Sicherer Sensor sendet Daten an EtherCAT Master (2) EtherCAT Master gibt Daten weiter an Safety Master (3) Safety Master sendet Daten an EtherCAT Master (4) EtherCAT Master reicht Daten weiter an Safe Motion

Beispiele für kürzere Datenübertragungs-zeiten durch Querverkehr: Die Querkom-munikation ermöglicht Safety-Knoten, direkt miteinander zu kommunizieren (links), während in einem System, das Querverkehr nicht unterstützt, die Signal-wege viermal länger sind (rechts).

35

2nd Edition


Impressum

„INDUSTRIALETHERNETFACTS“ ist eine Information der EPSG – ETHERNET POWERLINK STANDARDIZATION GROUP.

POWERLINK-Office Bonsaiweg 6 15370 Fredersdorf · Germany Fon: +49 33439 539 270 Fax: +49 33439 539 272 [email protected] www.ethernet-powerlink.org

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SYSTEMVERGLEICH Die 5 wesentlichen Systeme...EPSG_IEF2ndEdition_de_140416.indd 1 16.04.14 16:00 Vorwort Die Industrial-Ethernet-Welt ist nicht nur für Außenstehende ziemlich unübersichtlich