Profinet, Powerlink oder Ethercat? Industrial Ethernet-Busse für komplexe Antriebsaufgaben

Nicht weniger als 26 verschiedene Industrial Ethernet-Lösungen exis­tieren derzeit nebeneinander. Trotz dieser großen Auswahlvielfalt stellt sich die Frage nach dem \’besten\‘ Bus in der Praxis nicht so häufig. Sie hat eher akademischen Charakter. Neben der Aufgabenstellung und den daraus resultierenden technischen Anforderungen reduzieren die Faktoren Kosten, Verfügbarkeit, Verbreitung, die Risikobereitschaft des Anwenders und die gewünschte bzw. vorgeschriebene Steuerungsplattform die in Frage kommenden Bustechnologien schnell auf eine übersichtliche Zahl. In der Praxis hat sich eine Führungsgruppe unter den Echtzeitbussen auf Ethernet-Basis herauskristallisiert, die die überwiegende Mehrheit der Applikationen bedienen kann und den Markt unter sich aufteilt. Der hohe Pflegeaufwand der Anbieter für derartige Technologien wird diese Konzentration weiter vorantreiben. Die Protagonisten sind sich weitgehend einig bei der Argumentation pro Industrial Ethernet: Die aus der Bürowelt abgeleitete Technik soll mehr Offenheit und (TCP/IP-) Transparenz bringen, die vertikale Integration voranbringen sowie den Zugang zu neuen Technologien wie Web- oder Wireless-Technologien erleichtern. Und nach der Einführungsphase soll Industrial Ethernet auch billiger als Feldbusse sein. In der Praxis steht dagegen meist ein konkreter und greifbarer Nutzen im Vordergrund: Die Leistungsfähigkeit der Feldbusse, wie des CAN-Busses, stößt in komplexen Anwendungen an ihre Grenzen. Das Transportprotokoll des verbreiteten Feldbusses bietet eine begrenzte Bandbreite von maximal 1MBit/s. Das gilt auch nur, wenn dabei die Leitungslänge zwischen zwei Teilnehmern 25m nicht überschreitet. Das Beispiel zeigt, dass sich ausgedehnte Anlagen, z.B. in Druckbetrieben, Automobilwerken oder Nahrungsmittel verarbeitenden Betrieben mit zahlreichen Netzwerkknoten und einem großen Datenaufkommen nicht mehr (ökonomisch) mit konventionellen Feldbussen realisieren lassen. Hier haben Profinet, Powerlink und Ethercat in Europa gute Chancen, die Feldbusse zu ergänzen und langfristig abzulösen. Einfache Antriebsaufgaben: Der SPS-Hersteller legt vor Im Falle von Maschinen und Anlagen, bei denen eine zentrale Ablaufsteuerung mehrere Antriebe steuert, die voneinander unabhängige Bewegungen ausführen, erfüllen alle Ethernet-Derivate für den industriellen Einsatz die erforderlichen technischen Voraussetzungen. Die Steuerung sendet entsprechende Befehle an den jeweiligen (intelligenten) Antrieb, der dann selbstständig die eigentliche Bewegung ausführt. Das erfordert weder eine besonders hohe Bandbreite noch die härteste Echtzeit. Das Kommunikationssystem orientiert sich daher bei dieser Anwendungskategorie an der vom Steuerungshersteller präferierten Lösung. Deshalb wird sich in diesen Bereichen – wie schon ehedem Profibus – Profinet IO von Siemens mit seinen Untervarianten Profinet (S)RT und Profinet IRT durchsetzen. Der größte Unterschied: RT ist eine reine Softwarelösung, während IRT spezielle Hardware voraussetzt (Siemens-Asic). RT erreicht dabei etwa die Leistung von Profibus. Die dritte Industrial-Ethernet-Lösung aus dem Hause Siemens, Profinet CBA, ist auf das Siemens-Konzept Component Based Automation abgestimmt, konnte sich aber im Markt bisher nicht durchsetzen. Zudem ist sie für Echtzeit-Anwendungen ungeeignet. Hohe Anforderungen bei synchronisierten Antrieben Wesentlich höhere Anforderungen muss das Kommunikationssystem für die Synchronisierung vieler Achsen erfüllen. Diese Form der Gleichlaufanwendungen ist häufig in Kunststoffverarbeitungs-, Verpackungs- und Druckereimaschinen anzutreffen. Hier hat sich eine dezentrale Architektur bewährt, bei der ein intelligenter Antrieb als Master fungiert und die Leitbewegung erzeugt. Die Position des Masters muss dann zuverlässig und in harter Echtzeit an die im Slave-Modus arbeitenden Antriebe übermittelt werden. Für die erforderliche Querkommunikation – also ohne Zwischenschaltung der übergeordneten (Ablauf-) Steuerung – eignet sich das Publisher-Subscriber-Konzept. Das schon von CAN her bekannte Prinzip verwendet auch der Industrial Ethernet-Bus Powerlink. Er bietet eine Bandbreite von 100MBit/s und ermöglicht Leitungslängen bis zu 100m zwischen zwei Netzwerkknoten. Powerlink unterstützt sämtliche CANopen-Geräteprofile, sodass eine Migration in Richtung Ethernet einfach ist. Wer mit CANopen vertraut ist, der findet sich daher auch bei Powerlink schnell zurecht. Wer die Unabhängigkeit vom Lieferanten schätzt, wird eine weitere Eigenschaft von Powerlink gerne sehen: Der Bus benötigt keine spezielle Hardware, sondern nutzt Standard-Ethernet-Controller. Powerlink profitiert unmittelbar und ohne große zeitlichen Verzögerungen von Weiterentwicklungen des Büro-Ethernets wie Gigabit-Ethernet. Die Leistungsfähigkeit hängt allerdings, wie bei allen reinen Softwarelösungen, zu einem guten Teil von den eingesetzten Prozessoren und der Speicherausstattung der Automatisierungskomponenten ab. Bei modernen intelligenten Antrieben, die üblicherweise in den oben geschilderten Applikationen eingesetzt werden, sind die entsprechenden Ressourcen bereits vorhanden bzw. werden z.T. auch für andere Aufgaben genutzt. Zudem kann dedizierte Hardware auf Basis von Standard-FPGAs dabei helfen, die Leistungsgrenzen weiter nach oben zu verschieben. Ein asynchroner Kommunikationskanal bietet die Möglichkeit, alle Teilnehmer mit TCP/IP-Paketen zu erreichen und damit die vertikale Integration auf Basis von Ethernet durchgängig umzusetzen. Lösung für koordinierte Bewegung im Raum Zu den Königsdisziplinen der Antriebstechnik gehört zweifelsohne die Bewegung im dreidimensionalen Raum. Hier bietet sich eine zentrale Steuerungsarchitektur an, bei der eine leistungsfähige Steuerung die Bahn für alle zu koordinierenden Achsen berechnet (interpoliert). Auch hier ist eine Echtzeitkommunikation zur exakten Synchronisierung aller Achsen gefragt. Die beim Drive-based-Ansatz entscheidende Querkommunikation wird dagegen nicht benötigt. In dieser Konstellation kommen die Vorzüge von Ethercat besonders zur Geltung, speziell dann, wenn leistungsstarke Industrie-PCs als Steuerung verwendet werden. Spezielle Asics verkürzen die Datenverarbeitungszeiten und reduzieren Knotenkosten. Allerdings müssen sich Anwender bei der Adaption z.B. von Gigabit-Ethernet bis zur Verfügbarkeit einer neuen Asic-Version gedulden, die die neue Technologie unterstützt. Für die Asic-Lösung spricht, dass die Ressourcen z.B. des Slave-Systems durch die Integration einer Ethercat-Schnittstelle im Gegensatz zur reinen Softwarelösung minimal belastet werden. Ethercat nutzt das Summenrahmenverfahren, bei dem der in einem Frame übertragene Datenblock Daten für alle Teilnehmer enthält. Deshalb kann Ethercat eine effiziente Datenübertragung realisieren. Dieses Verfahren bedingt auch, dass eine Datenmanipulation im Durchlauf (ohne Zwischenspeicherung des Telegramms) möglich ist, sodass nur geringe Verzögerungszeiten auftreten. Die exakte Synchronisierung der Teilnehmer findet über ein verteiltes Uhrenprotokoll statt (Distributed Clock). Selbst bei kleinen zu übertragenden Datenmengen kann die hohe von Ethernet bereitgestellte Bandbreite ausgeschöpft werden, da beim Summenrahmenverfahren der Overhead-Anteil klein ist. Ethercat eignet sich für Linien- und Baum-Topologien, auch wenn sich dahinter immer eine Ringstruktur verbirgt. Praxisrelevant ist die mögliche Kombination aus Linien und Abzweigen bzw. Stichleitungen (Kammstruktur) bei der Verdrahtung komplexerer Anlagen. Für Motion-Control-Anwendungen bietet auch Ethercat die Möglichkeit, das CANopen-Protokoll zu nutzen. Damit ist ein Umstieg von CAN­open zu Ethercat möglich. Antriebslösungen für unterschiedliche Architekturen Als Anbieter kompletter Automatisierungssysteme und Antriebstechnik bietet Lenze für unterschiedliche Architekturen und Antriebsaufgaben Lösungen an. Damit erhalten Anwender Freiheit bei der Wahl der Steuerungsarchitektur und des Kommunikationsbusses. Die Antriebs- und Automatisierungsplattform L-force von Lenze umfasst nicht nur Visualisierungs- und Steuerungstechnik-Lösungen, sondern bietet auch unterschiedliche Kommunikationsmöglichkeiten für die Antriebslösungen. Für Applikationen, bei denen keine koordinierten Bewegungen benötigt werden, eignen sich Kommunikationsmodule für Profinet RT. Ein entsprechendes Modul steht z.B. für die Servoumrichterfamilie 9400 zur Verfügung. Für die Umrichtereihe Inverter Drives 8400 sehen dies die Planungen ebenfalls vor. Auch ein Powerlink-Modul wird es für diese Umrichterfamilie geben. Verfügbar sind bereits Schnittstellen-Module für diesen Bus als Zubehör für Servo Drives 9400 und 8200 vector. Damit können Anwender elektrische Königswellen realisieren. Für seine PC-basierenden Steuerungssysteme, die sich für den Aufbau von Motion-Control-Systemen eignen, hat Lenze vorrangig Ethercat-Schnittstellen umgesetzt. Ethercat-Lösungen stehen für die Umrichterfamilie 9400 sowie weitere Gerätereihen und zukünftig auch für die Umrichterserie 8400 zur Verfügung. Grundlage für neue Automatisierungskonzepte Die Industrial-Ethernet-Busse Profinet, Powerlink und Ethercat bilden die Grundlage für neue Automatisierungskonzepte im Maschinen- und Anlagenbau. Die bisher vorhandenen Leistungsgrenzen etablierter Feldbussysteme fallen. Die Bandbreite der modernen Busse ermöglicht es, Sicherheitsfunktionen in das Protokoll zu integrieren. Mit Ethernet rückt der Wunsch nach einer durchgängigen Integration und Reduzierung der Kosten in greifbare Nähe.