Konsequente Standardisierung: Sercos III als universelles Automatisierungsnetzwerk

In klassischen Steuerungslösungen werden abhängig von den jeweiligen Anforderungen einer Automatisierungsanwendung mehrere Bussysteme verwendet, die sich nicht nur in der Physik und den Protokollen, sondern auch in der Handhabung unterscheiden. Typischerweise übernehmen die klassischen Feldbusse die Anschaltung von dezentraler Peripherie, Antriebsbusse die Anschaltung von Servoantrieben. Ein zusätzlicher Sicherheits-Feldbus realisiert die Anbindung von \’sicheren\‘ Peripheriekomponenten. Die Steuerungen werden mithilfe übergeordneter Netzwerke eingebunden. Die Folge: Für den Anwender entstehen zusätzliche Aufwände, da verschiedene Netzwerktechnologien in den Anlagen implementiert und unterstützt werden müssen. Betrachtet man die Total Costs of Ownership, verursachen solche heterogenen Netzwerkstrukturen neben Material- und Installationskosten vor allem Kosten für Schulung, Wartung und Service. Abhilfe können nur eine konsequente Standardisierung und einfache Regeln schaffen, damit Systeme problemlos adaptiert und ohne große Verluste genutzt werden können. Je mehr Teilnehmer die Grundsätze übernehmen und an das Netzwerk angeschlossen sind, desto größer wird der Nutzen für alle. Der sogenannte Netzwerkeffekt erklärt die rasante Verbreitung des Internets, nachdem das ursprünglich akademische Netzwerk für die Allgemeinheit geöffnet wurde. Konsequente Standardisierung Industrial Ethernet ermöglicht eine einheitliche Infrastruktur zur Kommunikation über alle Ebenen der Automatisierungspyramide hinweg. Die vertikale Integration vom Sensor bis zur Buchhaltungssoftware eröffnet neue Möglichkeiten in der Betriebssteuerung. Gleichzeitig ermöglichen moderne Netzwerke im Vergleich zu konventionellen Feldbussen mehr Flexibilität im Aufbau und in der Erweiterung der Steuerungstopologien innerhalb der Produktionskette. Mithilfe des flexiblen Designs und des hohen Datendurchsatzes können dieselben Daten ohne Systembruch innerhalb einer Maschine, in der Produktionskette oder in der weltweiten Vernetzung für Wartung und Diagnose genutzt werden. Sicherheitsrelevante Daten Anders als bei Feldbussen ist bei Real-Time-Ethernet-Lösungen wie Sercos III auch die Übertragung sicherheitsrelevanter Daten über dasselbe Netzwerk möglich. Ein zertifiziertes Safety-Protokoll macht zusätzliche Hardware überflüssig, weil systemkritische Informationen wie das Drücken des Not-Aus-Schalters garantiert übermittelt werden. Mit Sercos III genügt ein Kabel, um alle Kommunikationszwecke im Maschinenbau einfach abzudecken (Bild 1). Das ist möglich, weil Sercos III alle entscheidenden Aspekte in einem Standard vereint und nicht verschiedene Technologie-Ausprägungen für verschiedene Einsatzzwecke kennt. Die Grundlage bilden die Zuverlässigkeit und Performance der Echtzeit-Ethernet-Lösung. Sercos III vereint einen Datentransfer von 100MBit/s mit einer Zykluszeit von 31,25µs. Neben Real-Time-Daten (RT) können zeitunkritische Non-Real-Time-Daten (NRT) über dasselbe Netz­werk verschickt werden, weil beide Verfahren das Ethernet-Protokoll verwenden. In einem Sercos-III-Netzwerk kann ein Service-Techniker also ein Notebook mit einem handelsüblichen Ethernet-Kabel mit einem Sercos-Knoten verbinden und das Netzwerk ohne proprietäre Hard- und Software nutzen. Die Standardisierung darf sich jedoch nicht nur auf die Kommunikation (Physik und Protokoll) beschränken. Auch die Funktionen der verschiedenartigen Automatisierungsgeräte müssen vereinheitlicht werden, damit Geräte unterschiedlicher Hersteller ohne Engineering-Aufwand miteinander kombiniert werden können. Interoperabilität ermöglichen Auf der Geräteprofil-Seite von Sercos stand in den vergangenen 15 Jahren das standardisierte und praxiserprobte Kommunikations- und Applikationsprofil für elektrische Servo-Antriebe im Mittelpunkt. Es weist durch seinen Einsatz in verschiedenen Applikationsfeldern einen großen Funktionsumfang auf. Im Zuge der Übertragung dieses Geräteprofils auf Sercos III wurde dieses Geräteprofil erweitert und verallgemeinert, sodass neben reinrassigen Antriebs-, E/A- und Steuerungsgeräten auch Hybridgeräte unterstützt werden, die unterschiedliche Applikationen in einem Gerät vereinigen. Parallel zur Adaptierung der Sercos-Kommunikationsschicht auf die Ethernet-Physik wurde deswegen die Weiterentwicklung der Geräteprofil-Spezifikation vorangetrieben, um eine durchgängige Basisstruktur für alle Gerätetypen, vom einfachen Aktor oder Sensor bis hin zu komplexen Multifunktionsgeräten, zu schaffen. Das Gerätemodell Die vorhandene Sercos-Slave-Ge­räte­struktur wurde dahingehend verallgemeinert, dass sie eine tragfähige Grundlage für alle vorstellbaren Gerätetypen darstellt. Die logische Struktur eines Sercos-Gerätes besteht aus ein oder mehreren voneinander unabhängigen, technologischen Funktionen, z.B. Antriebs-, E/A- oder Nockenschaltwerks-Funktionen. Diese Funktionen (Ressourcen) sind einem Subdevice zugeordnet, das die für alle Gerätetypen allgemeingültigen Verwaltungsfunktionen für Initialisierung, Parameterverwaltung und Diagnose beinhaltet und jeweils einen eigenen Parameter-Adressierungsraum abdeckt. Geräteunabhängige Funktionen werden dabei im sogenannten Generic Device Profil (GDP) zusammengefasst. Jedem Subdevice ist genau ein Sercos III-Slave zugeordnet, über den die Sercos-bezogenen Kommunikationszugriffe organisiert sind. Die kommunikationsbezogenen Funk­tionen eines Geräts sind im sogenannten Sercos Communication Profile (SCP) gruppiert. In einem Sercos-Gerät mit einer Sercos-III-Schnittstelle können dabei mehrere Subdevice-Slave-Paare enthalten sein. Das ist die Voraussetzung dafür, dass komplexere Geräte durch Kombination verschiedenartiger und gegebenenfalls mehrfach vorhandener Gerätefunktionen gebildet werden können. Während einfache Sercos-Geräte aus einem Slave-Subdevice und einer Ressource bestehen (Bild 2a, b, d), können komplexe Geräte mehrere dieser Einheiten in herstellerspezifischer Kombinatorik beinhalten (Bild 2c). Funktionsspezifische Profile In den funktionsspezifischen Profilen (Function Specific Profile – FSP) werden die gerätespezifischen Funktionen zusammengefasst. Aktuell existieren in Sercos III die FSPs \’Drive\‘ und \’I/O\‘. Das FSP I/O eignet sich sowohl für kompakte E/A-Peripheriegeräte mit einem vordefinierten Funktionsumfang als auch für modulare E/A-Geräte, bei denen die Ein-/Ausgabebaugruppen beliebig zusammengestellt werden können. Das FSP Drive wird auf der Basis des ursprünglichen Sercos-Antriebsprofils weiterentwickelt, sodass weitere Aktorphysiken und Antriebstypen abgebildet und unterstützt werden. Ergänzt werden diese beiden Profile durch ein Funktionsprofil für Absolut- und Inkrementalgeber, das zurzeit von Anwendern und Herstellern gemeinsam spezifiziert wird. Es soll bis November 2009 zur Verfügung stehen. Zusammenfassung Mit Sercos III deckt eine Echtzeit-Ethernet-Lösung den gesamten Kommunikationsbedarf in der Produktion ab. Das kann die vertikale Integration mit den Bürosystemen oder die synchrone Steuerung von Mehrachssystemen sein, der Datentransfer zwischen dezentralen Steuerungen oder die garantierte Übermittlung sicherheitsrelevanter Informationen. Sercos III erledigt alle Aufgaben mit einem einzigen Standard (Physik, Protokoll und Funktionsprofile) und über ein einziges Kabel. Das fördert die nötige Effizienz, die eine wirtschaftliche Entwicklung moderner Maschinen und Anlagen verlangt. Denn Unternehmen müssen ihre Mitarbeiter nicht in verschiedenen Netzwerk-Technologien schulen, sondern können einen gemeinsamen, zukunftssicheren Know-how-Pool aufbauen. In der Logistik genügt die Bevorratung eines Standard-Kabeltyps, was die Versorgung mit Ersatzteilen und die Lagerhaltung preiswerter macht. Die Vorteile des gemeinsamen Standards wiegen alle Zweifel in Detailfragen auf. Wer einfach entwickeln möchte, kann sich mit Sercos III auf eine Lösung und ein Kabel für alle Einsatzzwecke beschränken, ohne Einbußen in puncto Flexibilität, Echtzeitfähigkeit, Performance und Sicherheit hinnehmen zu müssen.