Nervenstränge aus Powerlink: Hochverfügbare Bühnentechniksteuerung

Bei Show-Events, Konzerten und Theatern kommt heute modernste Automatisierungstechnik zum Einsatz. Mit Datenübertragung in Echtzeit werden Spezial-Effekte, Scheinwerfer, Sound- und Videoanlagen synchronisiert, viele Antriebe sorgen für die Bewegungen von tonnenschweren Bühnenfragmenten und Deko-Elementen. Doch wo Antriebstechnik direkt über den Köpfen von Menschen schwere Lasten bewegt, gelten besonders hohe Sicherheitsanforderungen: Nicht nur Mechanik und Elektromotoren müssen einen sicheren Betrieb gewährleisten; auch im Datenverkehr, der der Ansteuerung elektrischer und elektronischer Komponenten dient, dürfen keine Übertragungsfehler auftreten. Mit dem Steuerungssystem Artea bietet EAE eine Lösung an, die den hohen Sicherheitsanforderungen gerecht wird. Je nach Bedarf lässt sich bei Artea der Sicherheitsgrad den Erfordernissen anpassen, bis zu drei getrennte Steuerungskanäle sorgen für Ausfallsicherheit und die sichere Erkennung von Datenübertragungsfehlern. \“Artea – das heißt: skalierbar, flexibel, erweiterbar, einfache Struktur, hochsicher (SIL3), redundant, hochverfügbar, höchste Zuverlässigkeit durch integrierte Hot-Standby Funktionen – und das alles zu vertretbaren Kosten\“, beschreibt Toralf Risse, stellvertretender Leiter des Geschäftsfeldes Bühnentechnik und Projektleiter für Artea bei EAE, die Kernanforderungen an das Bühnen-Steuerungssystem. Die Netzwerkarchitektur Die Analogie zu einem Organismus veranschaulicht die Funktionalität der Netzwerkarchitektur. Die Steuerung entspricht dem \’Großhirn\‘, das bei Artea von bis zu drei parallelen Industrie-PCs, den \’Showservern\‘, gebildet werden kann. Die Informationen werden von hier aus per Ethernet-Echtzeitbus Powerlink über die zentralen Nervenstränge mit den dezentralen Achscontrollern, gleichsam \’den Kleinhirnen\‘ in dieser Architektur, ausgetauscht. Diese übernehmen die Koordination der \’Muskeln\‘ – der Antriebe und Aktoren. Auch die Sensorsignale – die Sinne der Anlage – werden über die Achscontroller an die Showserver übertragen. Steuerungsarchitektur-Klassen Der Haupteil der Steuerungs- und Regelungsprogramme läuft zentral auf den Showservern. Sie sind untereinander und mit den Regiepulten über Standard-Ethernet TCP/IP vernetzt. Die Anbindung der Axis Control Units (ACU) erfolgt über das Echtzeit-Ethernet Powerlink. Zur Steuerung von jeweils rund 200 Achsen arbeiten im Showserver außerdem Powerlink-Master, die in Form von PCI-Boards eingesteckt sind. Mit dem Einsatz von nur fünf parallelen Mastern können 1.000 synchronisierte Achscontroller eingebunden werden. Die Grundstruktur der Artea-Netzwerks lässt sich auch doppelt ausführen und damit ein System mit dem Sicherheitsintegritätslevel SIL3 schaffen. Zwei Showserver binden also die Achscontroller über zwei voneinander unabhängige Powerlink-Netzwerke an. Durch diese doppelte Ausführung aller Netzwerk-Komponenten und die internen sicheren Hardwarearchitekturen der ACUs wird ein sicheres, der Kategorie SIL3 entsprechendes Steuerungssystem konfiguriert. In einer zweiten Ausbaustufe wird durch Erweiterung um ein weiteres paralleles Netz mit einem weiteren Hot-Standby-Showserver eine redundante und damit hochverfügbare Systemarchitektur erreicht. Diese Arteasr-Lösung (sicher & redundant) schaltet bei Ausfall eines Showservers oder eines Netzwerksegmentes automatisch auf die redundanten Komponenten. So sorgt sie dafür, dass sich der Ausfall außer durch eine Warnung auf dem Leitsystem nicht bemerkbar macht. Da Powerlink eine uneingeschränkte Hotplug-Fähigkeit vorsieht, kann der Tausch von Komponenten während des laufenden Betriebes (Hot Swap) vorgenommen werden. Standard- & Echtzeit-Ethernet Ethernetbasierte Infrastrukturen bieten die Vorteile der weitreichenden Standardisierung, kostengünstige Komponenten sowie die Möglichkeit, eine durchgängige Kommunikationslösung für unterschiedliche Anwendungsbereiche zu schaffen. Da Ethernet für die schnelle Übertragung großer Datenmengen bekannt ist, stellt sich die Frage: Wozu Powerlink zur Datenübertragung einsetzen? Hätte nicht normales Ethernet gereicht? Ein Blick auf die Grundlagen der Datenübertragung veranschaulicht, wieso das einfache Standard-Ethernet für bestimmte Bereiche nicht geeignet ist. Das Stichwort lautet \’Echtzeit\‘. Der Definition nach bedeutet \’Echtzeit\‘ in der Datenkommunikation, dass der Zeitraum zwischen dem Befehl von einer Steuerung und der Reaktion eines ausführenden Gerätes extrem kurz und exakt vorherbestimmbar ist. Von \’weicher\‘ Echtzeit wird bei Anwendungen gesprochen, die in einem vorgegebenen Rahmen nach menschlichem Ermessen \’schnell genug\‘ arbeiten und bei denen geringfügige Verzögerungen – z.B. noch im Bereich von Zehntel- oder Hundertstelsekunden – immer noch zum gewünschten Ergebnis führen. Bei vielen industriellen Anwendungen aber würden Verzögerungen, die nicht exakt vorherbestimmbar sind, zu unberechenbaren Ergebnissen führen. So werden heute Servoachsen typischerweise mit 16kHz getaktet. Bei Signalen, die nur noch wenige hundert Mikrosekunden dauern, würden sogar noch Verzögerungen im Millisekundenbereich eine präzise Steuerung unmöglich machen. Deshalb werden für solche Bereiche Reaktionszeiten in \’harter\‘ Echtzeit gefordert: Die angeschlossenen Systeme müssen im absoluten Gleichtakt arbeiten, sämtliche Verzögerungen durch die Netzwerktechnik unbedingt bekannt und berechenbar sein. Doch beim Standard-Ethernet sorgt das sogenannte CSMA/CD-Verfahren zur Erkennung und Auflösung von Datenkollisionen dafür, dass die Geräte vor dem Senden ihrer Daten erst einmal in die Leitung \’horchen\‘, ob gerade kein anderer Netzteilnehmer sendet. Ein anderes Verfahren, mit dem Kollisionen vermieden werden, ist die heute gängige Segmentierung der Ethernet-Netzwerke mit Switches. Doch die Switches verzögern ihrerseits den Datenverkehr und verhindern damit harte Echtzeit. Das Ethernet-basierte Powerlink setzt das CSMA/CD-Verfahren außer Kraft, indem es Datenkollisionen von vornherein durch eine zeitlich streng reglementierte Kommunikation unmöglich macht. In einem Pollingverfahren wird jedem Gerät, wie z.B. Sensoren oder Antrieben, durch die Steuerung (bzw. den Master) ein fest definierter Zeitpunkt zum Senden zugewiesen. Aus Entwicklersicht wird das dadurch erreicht, dass in den Prozessoren der TCP/IP- und UDP/IP-Protokoll-Stack durch den echtzeitfähigen Powerlink-Stack ersetzt wird. Bei der Implementierung des Powerlink-Stacks wurde der Ethernet-Standard im Kern nicht angetastet, weshalb die Hersteller garantieren können, dass Powerlink auf jeder Standard-Ethernet-Hardware läuft. Datenaustausch – Organisation Um zu gewährleisten, dass immer nur ein Teilnehmer zur gleichen Zeit Zugriff auf das Netzwerk hat, erhält ein Industrie-PC, eine SPS oder ein Controller die Funktion eines \’Gesprächsmoderators\‘, des sogenannten Managing Nodes (MN), zugewiesen; alle andere Geräte fungieren als Controlled Nodes (CN). Der MN gibt den Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vor und steuert die zyklische Datenkommunikation. Innerhalb eines Taktzyklus, in dem alle Teilnehmer bedient werden, sendet der MN nacheinander Anfragen (Poll Requests) an alle CNs. Sie antworten mit Poll Responses unmittelbar auf die Anfragen im Broadcast-Modus. Ein Powerlink-Zyklus besteht aus vier Abschnitten: In der \’Start Period\‘ sendet der MN einen \’Start of Cycle\‘ Frame (SoC) an alle CNs, der die Geräte synchronisiert. Der Jitter – die zeitliche Ungenauigkeit – liegt dabei weit unter 1s. Im zweiten Abschnitt, der \’Cyclic Period\‘, erfolgt der zyklische isochrone Datenaustausch. Durch Multiplexing kann in dieser Phase eine bessere Nutzung der Bandbreite erreicht werden: Dabei können sich z.B. drei Knoten mit weniger zeitkritischen Eigenschaften Zeitabschnitte eines Zyklus so teilen, dass ein Gerät nur den ersten, das zweite Gerät den zweiten und das dritte Gerät den dritten Zyklus in Folge nutzt, um seine Daten zu übermitteln. Die Zuteilung und Erkennung der von mehreren Knoten genutzten Zeitabschnitte erfolgt durch den MN. Mit dem dritten Abschnitt eines Zyklus beginnt die asynchrone Phase. Sie steht für die Übertragung größerer und nicht-zeitkritischer Datenpakete zur Verfügung. Diese Daten, z.B. Anwenderdaten, werden auf die asynchronen Phasen mehrerer Zyklen verteilt. Ebenso können Standard IP-Frames in den asynchronen Phasen übertragen werden. Die Kopplung von Powerlink Echtzeit-Domänen und Nicht-Echtzeit-Domänen (z.B. Intranet) erfolgt über Router. Sie ermöglichen den Austausch der in den asynchronen Phasen übertragenen Daten und IP-Frames zwischen den Domänen. Abgeschlossen wird ein Zyklus vom vierten Abschnitt, der \’Idle Period\‘. Die zeitliche Dauer eines Powerlink-Zyklus hängt von der Anzahl der Teilnehmer ab und kann eine \’Kürze\‘ von wenigen hundert µ-Sekunden erreichen. Der Achscontroller Vor Ort oder im Schaltschrank bildet die Axis Control Unit (ACU) die Schnittstelle zu den Antrieben und den Sensoren. Standardmäßig sorgen zwei 32Bit-CPUs für Rechenpower und Zweikanaligkeit und ermöglichen damit den Einsatz gemäß SIL3. Für jeden Powerlink Kanal (Artea=1, ArteaS=2 und ArteaSR=3) stehen je zwei Powerlink-Anschlüsse (RJ45) mit integ­riertem Hub zur Verfügung. Damit lassen sich die ACUs einfach in Reihe verkabeln. Die Geräteadresse der ACUs im Powerlink-Netzwerk wird über Dip-Schalter eingestellt. Neben 16 galvanisch getrennten digitalen Eingängen und zwei analogen Eingängen, die sich per Dip-Schalter für 0 bis 10V oder 4 bis 20mA einstellen lassen, bietet die ACU zwei Eingänge für absolute Winkelkodierer mit SSI-Interface. Darüber hinaus kann der zweite Eingang als Inkrementalgebereingang konfiguriert werden. Für die Schnittstelle zu den Aktoren und Antrieben stehen zwölf digitale überwachte Ausgänge und ein Analogausgang mit einer Auflösung von 12Bit (±10V) zur Verfügung. In der Ausführung ArteaSR sorgt eine zusätzliche CPU für Redundanz, sodass die volle Funktionalität des Netzwerks auch bei Ausfall eines der drei Showserver oder eines Kabelstrangs und damit die Hochverfügbarkeit gewährleistet ist. Kasten1: Warum Powerlink? \“Eine Bühnensteuerung muss gemäß Euronorm sicher im Sinne SIL3 sein. Und wir wollten zudem eine hochverfügbare Variante bieten können, damit der Zuschauer von einem Ausfall von technischen Komponenten nichts mitbekommt. Darüber hinaus sollten defekte Komponenten während des Betriebes ohne Beeinträchtigung der Steuerung austauschbar sein. Konventionell erreicht man das in der sicheren Variante mit einer zweikanaligen Ausführung; für die Hochverfügbarkeit braucht man dann eine dreikanalige Ausführung. Mit Powerlink konnten wir das umsetzen. Eigentlich haben wir bei EAE ja eine Affinität zu Siemens. Aber Profinet in der RT-Variante ist zu langsam für die Antriebssynchronisierung, die wir für unsere Lösung gebraucht haben. Und die Profinet IRT-Variante ist in absehbarer Zeit nicht verfügbar. Also haben wir nach Alternativen gesucht. Wenn man den Markt an Industrial-Ethernet-Systemen anschaut, bleiben eigentlich nur noch zwei Systeme: Ethercat und Powerlink. Also haben wir diese beiden Systeme verglichen und eine ganze Reihe von technischen und strategischen Kriterien abgewogen. Das Ergebnis sprach eindeutig für Powerlink.\“ Kasten2: \“Applikation besser machen\“