Sercos III – Steuerungsvernetzung mit Echtzeit-Ethernet

Die Attraktivität von Sercos basierte auf den technischen Eigenschaften bezüglich Echtzeit, Performance und Störsicherheit in Kombination mit einem großen Produkt- und Anbieterspektrum. Produkte mit Sercos interface finden sich heute weltweit im Angebot von mehr als 50 Steuerungs- und 30 Antriebsherstellern. Bis zum heutigen Tage werden über 1,5 Mio. Knoten in über 300.000 Anwendungen eingesetzt. Im April 2003 entschloss sich die Interessengemeinschaft Sercos interface (IGS), die Sercos Technologie in Richtung Industrial Ethernet weiterzuentwickeln. In dieser dritten Generation (Sercos III) wird das bestehende Echtzeitkonzept von Sercos mit der Übertragungsphysik und dem Protokoll von Ethernet kombiniert. Die Spezifikationsarbeiten zu Sercos III wurden von einem herstellerübergreifenden Arbeitskreis unter Beteiligung mehrerer Mitgliedsfirmen der Sercos Organisation durchgeführt. Da man gegenüber anderen Echtzeit-Ethernetansätzen auf bewährte Profile und Synchronisationsmechanismen aufsetzte, beschränkten sich diese Arbeiten im Wesentlichen auf Anpassungen an die neue Übertragungsphysik bzw. das Ethernet-Protokoll. Um für Anwender und Hersteller eine einfache Migration zu ermöglichen, wurde eine bestmögliche Abwärtskompatibilität zur 2. Generation Sercos berücksichtigt. Die Sercos III-Protokollspezifikation wurde im November 2004 fertig gestellt und im März 2005 von der IEC als PAS 62410 (PAS=Public Available Specification) und IEC-Vornorm anerkannt. Komplettiert wird das Sercos III-Basisprotokoll durch Profil- und Protokollerweiterungen, die eine universelle Verwendung auch außerhalb der reinen Antriebskommunikation ermöglicht. Diese Erweiterungen beinhalten das Sicherheitskonzept Sercos safety, ein erweitertes Geräteprofil für dezentrale E/As (Sercos IO), sowie ein Kommunikationsprofil für die Vernetzung von Steuerungsfunktionen (Sercos C2C). Letzteres wird im folgenden Beitrag vorgestellt. Hintergrund C2C Seit April 2005 arbeitet ein herstellerübergreifender Arbeitskreis an der Spezifikation eines Profils zur Vernetzung von verteilten Steuerungsfunktionen für modulare Maschinen und Anlagen. Mit dieser Initiative wurde der zunehmenden Modularisierung im Maschinenbau Rechnung getragen werden, welche neuartige Automatisierungskonzepte erforderlich macht. Einzelne Maschinenmodule müssen nicht nur mechanisch miteinander verbunden werden, sondern auch informationstechnisch vernetzt und in Echtzeit gekoppelt werden. Typische Anwendungen für das C2C-Profil sind bei Druck-, Verpackungs- und Verarbeitungsmaschinen zu finden, sowie bei Werkzeugmaschinen mit speziellen Steuerungs- und Synchronisierungsanforderungen, z.B. Maschinenkonzepte mit Gantry-Achsen oder Rundtaktmaschinen. C2C steht dabei für \“Controller-to-Controller Synchronisation und Kommunikation\“. Controller bedeutet in diesem Zusammenhang nicht notwendigerweise eine \“traditionelle\“ Steuerung, die als zentrales, eigenständiges Gerät ausgeführt ist (z.B. CNC, SPS oder Motion Control). Es kann sich auch um einen intelligenten Servo-Antrieb handeln, der entsprechende Steuerungsaufgaben in einem Kommunikationsverbund übernimmt. Querverkehr zwischen dezentraler Peripherie Die Voraussetzung für eine effiziente Vernetzung von Steuerungsfunktionen ist – bedingt durch das Master-Slave-Prinzip von Sercos – eine direkte Querkommunikation zwischen Slaves. Bei einem direkten Datenaustausch werden Daten verzögerungs- bzw. totzeitfrei zwischen Geräten ausgetauscht, ein Umkopieren von Daten in einem zentralen Master entfällt. Die Möglichkeit eines direkten Austausches von Daten zwischen Slaves war bei der ersten und zweiten Generation von Sercos interface aufgrund der unidirektionalen Kommunikation auf Basis des Lichtwellenleiterrings nicht gegeben. Bei Sercos III hingegen – bedingt durch die Voll-Duplex Charakteristik von Ethernet – wird dieser schnelle Querverkehr (CC=Cross Communication) unterstützt (Bild 1, CC). Querverkehr zwischen Steuerungen (C2C) Bereits heute sind herstellerspezifische Lösungen zur Echtzeitkopplung von Steuerungen verfügbar, die teilweise aufbauend auf der Physik von Sercos I und II – eine Synchronisation zwischen verteilten Bewegungssteuerungen ermöglichen. Allerdings waren diese Konzepte nicht miteinander kompatibel, so dass Bewegungssteuerungen verschiedener Hersteller nicht kombiniert werden konnten. Mit dem C2C-Profil wird nun auch dieser Bereich der Kommunikation spezifiziert (siehe Bild 1, C2C). Bei der Spezifikation des C2C-Profils waren unter anderem folgende Punkte zu berücksichtigen: -Synchronisation mehrerer Sercos III Netzwerksegmente -Berücksichtigung unterschiedlicher Zykluszeiten im Automatisierungsverbund -Hochlauf des Systems -Konfiguration des Systems Funktionsweise C2C legt bezogen auf die verwendeten Kommunikationsmechanismen eine \“Producer-Consumer\“-Beziehung zu Grunde. Das bedeutet, es handelt sich zunächst um unidirektionale, \“multicast\“-fähige Verbindungen zwischen einer Quelle (dem \“Producer\“) und einer oder mehreren Senken (dem oder den \“Consumern\“). Diese Verbindung ermöglicht es, direkt, das heißt ohne kommunikative Totzeit, Daten zwischen den Teilnehmer der Kommunikationsbeziehung auszutauschen. Diese Daten, werden in den von Sercos III spezifizierten Echtzeit-Telegrammen ATs der Kommunikationsphasen 3 bzw. 4 eingebettet und jeweils während eines fest konfigurierten Kommunikationszyklusses in den Kommunikationsphasen 3 bzw. 4 (CP3/4) übertragen . Der grundsätzliche Aufbau eines Kommunikationszykluses ist in Bild 2 abgebildet. In einem Sercos III-Ring, in dem Querkommunikation unterstützt wird, ist ein AT wie in Bild 3 dargestellt aufgebaut. Das AT besteht aus dem \“AT Hot Plug\“-Datenfeld, das für die Aufnahme von neuen Geräten in den Ring im laufenden Betrieb vorgesehen ist, dem \“AT Service Channel\“ Datenfeld und dem \“AT Real Time\“-Datenfeld. Dieses Feld beinhaltet sowohl die Daten die zur klassischen Master-Slave-Kommunikation vom Slave an den Master geschickt werden, als auch die Daten, die ein Gerät per CC (Querverkehr) an andere Geräte im Ring schickt. Hierbei wird kein Unterschied gemacht, ob es sich bei dem sendenden Gerät um einen Master oder einen Slave handelt. Somit kann auch ein Master an solchen Querverbindungen als \“Producer\“ oder \“Consumer\“ teilnehmen. Konfigurierung Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten, die C2C Mechanismen zu konfigurieren: 1.über den Service-Kanal (Konfiguration ist in Form von Einzelparametern im Gerät abgelegt) 2.über ein XML-Dokument (Konfiguration ist in einer Datei abgelegt, die sich sowohl im Gerät selbst oder auf einem externen Datenträger befinden kann) Konfiguration über Service Kanal (Einzelparameter) Die Konfiguration über den Service-Kanal wird wie in Sercos üblich über so genannte Identification Numbers (IDNs) gemacht. Mittels der für C2C eingeführten IDNs können C2C-Verbindungen komplett beschrieben werden. Hierbei wird pro Knoten folgendes festgelegt: -die Rolle in der Verbindung (\“Consumer\“ oder \“Producer\“) -die Zykluszeit der Verbindung, das bedeutet die Zeit, mit der neue Daten übertragen werden (Update-Rate) -der Offset im Telegram, an dem die Daten liegen -der Inhalt der Daten (für einen \“Producer\“ wird dadurch festgelegt, welche Daten er zyklisch auflegen soll, für einen \“Consumer\“ wird dadurch festgelegt, wie er die Daten zu interpretieren hat) -der Name der Verbindung zur Darstellung im \“Engineering\“-Tool und zur Diagnose -die erlaubte Anzahl an Ausfällen der Daten bevor eine applikationsspezifische Fehlerreaktion eintreten soll. Konfiguration mittels eines XML Dokuments Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit, die Konfiguration über ein XML Dokument durchzuführen. Dieses Dokument kann über den Service Kanal in dafür vorgesehene IDNs oder vor dem Hochlauf im so genannten Offline-Mode mittels eines Datentransferprotokoll wie ftp, http oder CIFS/SMB an den Teilnehmer übertragen werden. Um Konsistenzproblemen entgegen zu wirken, die bei einer solchen Offlinekonfiguration auftreten können, wurden zwei Mechanismen zur Konsistenzprüfung eingeführt, zum einen die \“RingConfigurationID\“ zum anderen die \“XMLChecksum\“. Die \“RingConfigurationID\“ beschreibt das Erstellungsdatum des XML Dokuments und ist Teil des Dokumentes. Bei der \“XMLChecksum\“ handelt es sich um eine 16-Bit Prüfsumme (CRC16) über das Dokument. Diese wird bei Erhalt des Dokumentes im Slave berechnet. Beide sind beim Hochlauf über den Service Kanal abfragbar, damit der Master beim Hochlauf die Konsistenz der Konfigurationen in den verschiedenen Slaves testen kann. Beispielszenarien Zur Veranschaulichung der praktischen Anwendung von C2C werden im Folgenden zwei einfache Beispielszenarien beschrieben: -Momentenkopplung -Gantry Achse Momentenkopplung Eine Momentenkopplung kann mittels einer einzigen C2CVerbindung realisiert werden. Hierbei legt der \“Producer\“ seinen Momentenistwert mit einer Zykluszeit von typischerweise 125µs 500µs auf. Der \“Consumer\“ interpretiert den aufgelegten Wert als Momentensollwert. Gantry Achse Die Realisierung einer Gantry Achse kann beispielsweise mit zwei C2C-Verbindungen realisiert werden. Die erste Verbindung hat die Master-Achse als \“Producer\“ und die Slave-Achse als Consumer. Die Master-Achse legt ihren Positionssollwert auf, dieser wird in der \“Slave\“-Achse ebenfalls als Positionssollwert interpretiert. Die zweite Verbindung wird dazu verwendet, dass die \“Master\“-Achse die \“Slave\“-Achse überwachen kann. Die \“Slave\“-Achse legt hierzu ihre Diagnosenummer und den Positionsistwert zyklisch auf. Diese Werte werden in der \“Master\“-Achse der SPS zugänglich gemacht, damit diese auf Abweichungen und Störungen in der \“Slave\“-Achse reagieren kann. Aktueller Stand und Ausblick Seit April 2005 arbeitet ein herstellerübergreifender Arbeitskreis an der C2C-Profilspezifikation. Diese Spezifikationsarbeiten sind in der Zwischenzeit abgeschlossen, sodass die Spezifikation wie geplant zur Hannover Messe 2006 veröffentlicht werden kann. Eine Live-Demonstration mit 3 vernetzten Steuerungen und jeweils 8 unterlagerten Servo-Antrieben wird auf dem Sercos Gemeinschaftsstand auf der Hannover Messe gezeigt. Kasten1: Entwicklung Sercos interface 1985 Gründung eines Arbeitskreises, um einen offene, digitale Antriebschnittstelle für numerische Steuerungen zu entwickeln (in Zusammenarbeit mit dem ZVEI und dem VDW) 1989 Vorstellung der Sercos Schnittstelle auf der EMO (European Machine Tool Show) in Hannover 1990 Gründung der Fördergemeinschaft Sercos interface(FGS) 1990 Ein internationaler Normentwurf wird der International Electrotechnical Commission (IEC) vorgelegt. 1993 SGS Thomson (jetzt: STMicroelectronics) entwickelt den Sercon410B (2/4 Mbit/s), der die Einbindung der Sercos-Schnittstelle vereinfacht und kostengünstig macht. 1994 Gründung von Sercos North America (Sercos N.A.) 1995 Sercos interface wird als internationaler Standard IEC61491 anerkannt 1998 Sercos interface wird als europäischer Standard EN61491 anerkannt. 1998 Sercos Japan wird gegründet. 1999 STMicroelectronics entwickelt den Sercon816ASIC, der mit 2/4/8/16Mbit/s arbeitet, viele neue Features beinhaltet und gleichzeitig kostengünstiger ist (Abwärtskompatibilität zum Sercon410B). 2000 Entwicklung eines neuen Prüfsystems (Master/Slave Conformizer), Einrichtung eines neuen Prüflabors am ISW an der Universität Stuttgart. 2001 Version 2 des IEC61491 wird veröffentlicht, Angleichung des IEC und des EN-Standards 2002 Abkündigung des Sercon410B ASICs, Der SERcon816 wird allen Herstellern zur Verfügung gestellt. 2003 Ankündigung von Sercos III, der Dritten Generation von Sercos interface auf der Basis von Industrial Ethernet 2004 Verabschiedung der Sercos III Spezifikation 2005 Vorstellung des Sicherheitskonzepts Sercos safety und erster Sercos III-Produkte Kasten 2: Sercos Safety Das Sicherheitskonzept Sercos safety, das eine zu Sercos III kompatible Protokollerweiterung darstellt, erlaubt den Einsatz von Sercos III in Sicherheitsapplikationen bis SIL3 nach IEC 61508. Die sicherheitsrelevanten Daten werden dabei gemeinsam mit den Echtzeitdaten und anderen Standard Ethernet Protokollen über ein einziges physikalisches Medium übertragen. Die Konzeptprüfung von Sercos safety erfolgte durch den TÜV Rheinland im Dezember 2005. Ein erweitertes Geräteprofil für E/A-Module auf der Basis des Kommunikationsprotokolls von Sercos interface wird zur Zeit von einem herstellerübergreifenden Arbeitskreis konzipiert und spezifiziert (Sercos IO). Es werden dabei sowohl modulare E/A Baugruppen mit Buskopplern, wie auch Block-E/As berücksichtigt. Die Sercos IO-Spezifikation soll bis Mitte 2006 vorliegen. Parallel hierzu werden ein Low-Cost Controller, sowie entsprechende Produktimplementierungen vorangetrieben. Hannover Messe: Halle 9,Stand A43