Safetynet p: Echtzeit-Ethernet für die komplette Automatisierung

Safetynet p verwendet durchgängig im gesamten Netzwerk Standard-Ethernet nach IEEE802.3 und einer Bandbreite von 100MBit/s. Die von Ethernet bekannten Netzwerkkomponenten wie Kabel und Stecker sowie aktive Geräte wie Router und Switches sind in Safetynet p ohne Einschränkung verwendbar. Die Anwendung des Ethernet-Standards beschränkt sich jedoch nicht nur auf die unteren Protokollebenen; es können ebenso die aus der IT-Welt populären Anwendungsprotokolle wie z.B. http oder SNMP eingesetzt werden. Das ermöglicht den Einsatz von weitverbreiteten Standard-Komponenten und Tools. Mit Safetynet p sind garantierte Zykluszeiten von bis zu 62,5µs und ein Jitter von 100ns realisierbar. Damit ist die Performance ausreichend, um den Strom­regelkreis von Servo-Antrieben über das Netzwerk zu schließen und synchronisierte Mehrachsapplikationen zu realisieren. Mit Safetynet p sind hochperformante Regel- und Steuerungsanwendungen realisierbar, die mit klassischen Feldbussen nicht denkbar waren. Automatisierungssysteme mit über 65.000 Teilnehmern je Netzwerk und einer Ausdehnung von mehreren Kilometern sind möglich. Eine Lösung für die gesamte Automatisierungstechnik Die einzelnen Ebenen der industriellen Kommunikation stellen unterschiedliche Anforderungen an die Kommunikationssysteme. Diesem Umstand wurde mit Safetynet p Rechnung getragen. Es wurden zwei Protokolle entwickelt, die den Bedürfnissen der jeweiligen Ebenen gerecht werden. Das Real-Time-Frame-Network-Prinzip (RTFN) kommt zur Kommunikation zwischen dem Automatisierungsnetzwerk und dem Office-Netzwerk und zur Vernetzung von Maschinen bzw. Fertigungszellen zum Einsatz. Das sogenannte Real-Time-Frame-Line (RTFL) kommt innerhalb der Maschine für schnelle Steuerungs- und Motion-Control-Aufgaben zur Anwendung. Safetynet p ist eine durchgängige Kommunikationslösung, die für alle Automatisierungsgeräte und Kommunikationsebenen eingesetzt werden kann. Netzwerkübergreifende Kommunikation mit RTFN RTFN findet dort Anwendung, wo IP-basierte Kommunikation und Standard-Ethernet-Kommunikationsschnittstellen verwendet werden sollen. Das ist üblicherweise bei PCs oder Bedien- und Beobachtungsgeräten der Fall. RTFN benutzt UDP/IP und ist über Netzwerkgrenzen hinweg routingfähig. Durch den Einsatz von Ethernet-Switches ist die Basistopologie von RTFN die Sterntopologie. Harte Echtzeitkommunikation mit Real-Time-Frame-Line In Anwendungen, in denen höhere Echtzeit-Anforderungen vorhanden sind, wie z.B. zum Synchronisieren von mehreren Achsen in Motion-Control-Applikationen, kommt die RTFL-Kommunikation zum Einsatz. Zykluszeiten von 62,5µs und ein Jitter von bis zu 100ns sind mit RTFL erreichbar. In RTFL werden Ethernet-Telegramme von Gerät zu Gerät weitergegeben, die in einer Linie verbunden sind. Die Teilnehmer schreiben ihre Daten auf dem Hinweg in den Ethernet-Rahmen (Publish). Auf dem Rückweg lesen die Teilnehmer ihre Daten aus dem Telegramm (Subscribe). Auf diese Art kann innerhalb der Laufzeit eines Ethernet-Frames durch das Netz jeder Teilnehmer mit jedem anderen Teilnehmer seine Zustandsdaten austauschen. Da es hierbei keinen zentralen Master gibt, der die Daten umkopieren muss, wird ein effizienter Querverkehr zwischen den Geräten erreicht. Jeder Teilnehmer hat zwei Ethernet-Ports, damit die Geräte ohne zusätzliche Switches in einer Linie verbunden werden können. Die Teilnehmer verarbeiten den Ethernet-Rahmen im Durchlauf (Cut Through). Dadurch werden die in Linientopologien nachteiligen Verzögerungszeiten bei den Teilnehmern reduziert. Die Adressierung innerhalb der Linie geschieht über die MAC-Adressen der Geräte. Dadurch können sogar Standard-Ethernet-Switches in der Linie eingesetzt werden. Das exakt berechenbare zeitliche Verhalten und die einfache Daisy-Chain-Verkabelung gestalten die Planung und Installation von RTFL so einfach, wie es der Anwender von den Feldbussen gewohnt ist. Uhrzeitsynchronisation: Distributed Clocks Eine genaue Synchronisation der Netzwerkteilnehmer ist vor allem dann wichtig, wenn verteilte Prozesse Aktionen mit hoher Gleichzeitigkeit erfordern. Das ist z.B. der Fall, wenn mehrere Servo-Achsen koordinierte Bewegungen ausführen müssen. Die Güte dieser Synchronisation ist direkt abhängig von der Synchronisation der Uhrzeit der Teilnehmer. Das Maß für die Genauigkeit der Uhrzeitsynchronisation ist der Jitter. Er gibt die Abweichung der verteilten Uhren untereinander an. Ein niedriger Jitter bedeutet also in der Anwendung schnellere und präzisere Fertigungsprozesse. Innerhalb von RTFL kommt der dafür entwickelte Mechanismus PCS zum Einsatz. Mit PCS ist ein Jitter von <1µs möglich. Um RTFL-Linien netzwerkübergreifend sowie RTFN-Geräte zu synchronisieren, kommt der von vielen Switches unterstützte Standard IEEE1588 zum Einsatz. Verteilte Steuerungstechnik für modularen Maschinenbau In Safetynet p kommt durchgängig das Publish-/Subscribe-Kommunikationsprinzip zum Einsatz. Im Gegensatz zu dem bei herkömmlichen Feldbussystemen häufig angewandten Master-/Slave-Prinzip gibt es bei Publish/Subscribe keinen zentralen Master für die Verarbeitung der Prozesssignale und die Steuerung der Kommunikation. Die Publisher veröffentlichen Daten auf dem Netzwerk, die von den Subscribern abonniert werden können. Ein Netzwerk dieser Art ist für verteilte Steuerungstechnik geeignet, da die intelligenten Teilnehmer direkt miteinander kommunizieren können, ohne über eine zentrale Instanz - einen Master - gehen zu müssen. Des Weiteren lässt sich die Software der Teilnehmer standardisieren, da die verteilten Steuerungen im Gegensatz zur Master-/Slave-Kommunikation nicht die Gesamtkonfiguration der Anlage kennen müssen. Zuverlässige Übertragung sicherheitsgerichteter Daten Die sichere Applikationsschicht von Safetynet p ermöglicht die Übertragung von sicherheitsgerichteten Daten über das gleiche Buskabel, über das auch die nicht sicherheitsgerichteten Da­ten kommuniziert werden. Das Protokoll von Safetynet p ist für die Kommunikation von Daten bis SIL3 nach EN IEC61508 ausgelegt. Unabhängige Prüfins­titute wie TÜV und Berufsgenossenschaft bestätigen die Einsetzbarkeit von Safetynet p in sicherheitsgerichteten Applikationen bis Kat.4 nach EN954-1 und Performance Level \'E\' nach EN ISO13849 bzw. SIL3 nach EN/IEC62061. In einem Safetynet-p-Segment können sich bis zu 512 sichere Teilnehmer befinden. Durch die kurzen Zykluszeiten von bis zu 62,5µs lassen sich die sicheren Reaktionszeiten so reduzieren, dass Safetynet-p-basierte Sicherheitssysteme den ständig steigenden Prozessgeschwindigkeiten auch in Zukunft gerecht werden. Das System arbeitet nach dem Black-Channel-Prinzip: Bis auf die eigentlichen sicheren Busteilnehmer wie sichere Sensorik, sichere SPS oder sichere Aktorik werden sonstige Netzwerkkomponenten wie Switches und Ka­bel als nicht sicherheitsrelevant betrachtet und können Standardgeräte sein. Bei Safetynet p wurde das Publish-/Subscribe-Prinzip der Standardkommunikation konsequent auch in der sicherheitsgerichteten Kommunikation umgesetzt. Somit kann der Gedanke von verteilten Steuerungen auch in der Sicherheitstechnik verwendet werden. CANopen-Applikationsschicht vereinfacht Handhabung Safetynet p benutzt die weit verbreitete CANopen-Anwendungsschicht. Aus Sicht des Anwenders ist die Handhabung der Safetynet-p-Kommunikation ähnlich der von CANopen-Geräten. Die CAN­open-Kommunikations- und Geräteprofile, z.B. für E/A-Geräte oder Servoantriebe, sind in Safetynet p verwendbar. Anwender können ihr vorhandenes CAN­open-Know-how nutzen. Gerätehersteller profitieren von einer einfachen Safetynet-p-Integration, da sie ihre existierende CANopen-Implementierung wiederverwenden können. Installation mit verschiedenen Technologien und Toplogien Die einfache Handhabung und die Zuverlässigkeit der Anschlusstechnik sind entscheidende Faktoren für den Erfolg eines industriellen Kommunikationssystems. Safetynet p nutzt Standard-Ether­net nach IEEE802.3. Dabei können alle üblichen Medien wie elektrische Verbindungen (100BASE-TX), fiberoptische Strecken (100BASE-FX) oder drahtlose W-LAN-Verbindungen (IEEE802.11) eingesetzt werden. Für die elektrische Verkabelung kommen Twisted-Pair-Kabel zum Einsatz, die Category 5 nach ISO/IEC11801 entsprechen. Für Safetynet p sind drei Steckverbindertypen spezifiziert. Im IP20-Bereich kommt der aus dem Office-Umfeld bekannte RJ45-Stecker in robuster, industrieller Ausführung zum Einsatz. Für den IP67-Bereich sind ein RJ45-Push-Pull und ein M12-Stecker spezifiziert. Da mit Safetynet p verschiedene Topologien realisiert werden können, wird eine flexible Anpassung an das Maschinen- oder Anlagenlayout ermöglicht. Mit Safetynet p sind Linien-, Stern-, Baum- sowie Ringtopologien möglich. Außerdem werden dynamische Strukturen unterstützt. Dadurch können im laufenden Betrieb des Netzwerks Teilnehmer entfernt oder hinzugefügt werden. Netzwerkstrukturierung nach Sicherheits-Aspekten