Die nach dem internationalen Standard IEC 61491 spezifizierte digitale Antriebsschnittstelle Sercos (SErial Real-time COommunication System) hat sich im letzten Jahrzehnt zum weltweit akzeptierten Standard für anspruchsvolle Anwendungen der Bewegungsführung entwickelt. Sercos ist besonders interessant wegen seiner technischen Eigenschaften, wie Echtzeitfähigkeit, hoher Leistung, Störunempfindlichheit und nicht zuletzt wegen seiner Vielfalt an Produkten und Lieferanten. Nun vereinigt die dritte Generation die bewährten Mechanismen der Sercos-Schnittstelle mit der Ethernet-Physik und den Ethernet-Protokollen. Diese Kombination bietet neuartige Optionen für die Automatisierungstechnik der Zukunft (Bild 1). Wozu Ethernet und Sercos kombinieren? Industrielles Ethernet hat sich zum Defacto-Standard für die Vernetzung von Fertigungsinformationssystemen entwickelt und der Markt fordert in zunehmendem Maße auch Ethernet-Verbindungen für Servo-Antriebe. Dabei ist Ethernet durch hohe Bandbreite und niedrige Hardware-Kosten gekennzeichnet, verhält sich aber prinzipiell nicht deterministisch. Die Sercos-Schnittstelle hingegen ist für schnelle, deterministische Antriebsregelungen optimiert, bei denen es besonders auf die exakte Synchronisierung mehrerer Antriebe ankommt. Die zweite Generation des Sercos-Interface mit der Bezeichnung Sercos II leistet bis zu 16Megabit/s, was für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend ist (auch wenn es immer die Forderung nach höherer Geschwindigkeit gibt). Ihr Einsatzschwerpunkt lag bei Antriebsleistungen oberhalb 1kW, denn die Kosten ihrer optischen Komponenten begrenzten die Akzeptanz bei leistungsschwächeren Antrieben, die aber ein großes Marktsegment ausmachen. Die Sercos-Schnittstelle legt aber nicht nur die Protokollstruktur fest, sondern umfasst noch eine Vielfalt an Profildefinitionen (Parameter und Funktionalität), die bereits in einer großen Anzahl von Anwendungen erfolgreich genutzt wurden. Dies förderte die Idee einer Kombination der bewährten Mechanismen und Eigenschaften des Sercos-Interface mit der Ethernet-Physik, realisiert in Sercos III, was die Kosten reduziert und eine fortschrittliche Version der erfolgreichen offenen Kommunikations-Schnittstelle für die Antriebssteuerung schafft. Wie arbeitet Sercos III? Die Herausforderung bestand darin, das Beste beider Welten zu kombinieren: Das deterministische Verhalten von Sercos mit den niedrigen Kosten und der hohen Bandbreite des nichtdeterministischen Ethernet. Genauer gesagt läuft das standardmäßige Ethernet-Protokoll unter der Regie des Motion-Bus ab und nutzt weiterhin die Ethernet-Hardware. Dies bewahrt die deterministische Antriebssteuerung von Sercos, erlaubt aber auch eine Ankopplung an die vorhandene Kommunikations-Infrastruktur der Fertigung mit der Möglichkeit, neue Eigenschaften zu ergänzen und die Hardware-Kosten zu verringern. Das Echtzeit-Ethernet-Konzept basiert auf folgenden Mechanismen: – Seine Ring- oder Linienstruktur verbindet einen Master mit meh- reren Slaves; das können An- triebe, Ein/Ausgänge und Senso- ren sein. Zu einem Netz können mehrere Ringe bzw. Linien ge- hören. – Die Kommunikation basiert auf einem Zeitscheiben-Protokoll mit getrennten Kommunikations-Zyklen für die Übertragung von Echtzeit- und anderen Daten. Ein Kommunikations-Zyklus setzt sich damit aus zwei Kanälen mit einer Zeitsteuerung zusammen. – Im Echtzeit-Kanal werden ge- sammelte Sercos III-Telegramme als Rundsendung übertragen. Dies steigert die Bandbreite und verbessert die Protokoll-Effizienz. Die Adressierung der Sercos III- Komponenten erfolgt über vorde- finierte Adressen oder solche, die vom Master zugewiesen wur- den. Durch die Verarbeitung der Sercos III-Telegramme \’on the fly\‘ verringern sich die Verzöge- rungen im Netzwerk. – Im nicht echtzeitfähigen Kanal lassen sich alle nicht an eine Echtzeitbedingung gebundenen Ethernet-Frames als individuelle Telegramme an jede Komponente im Netzwerk senden. Die zugehörige Adressierung erfolgt direkt durch die MAC-Adresse, wie sie den Master- und Slave-Komponenten zugewiesen wurde. – Damit kann jedes Gerät individu- ell verbunden oder in ein Netz- werk durch jede standardmäßige Ethernet-Hardware, wie etwa ein Notebook-Computer, integriert werden. Dazu dienen übliche Protokoll-Stacks wie TCP/IP. Dies funktioniert sowohl im Offline-Be- trieb (ohne laufendes Sercos III- Protokoll) als auch im Online- Modus während des Echtzeit- Betriebs mit Sercos III. Da die Hardware von Sercos III sicher- stellt, dass der Echtzeit-Kanal von asynchroner Ethernet-Kommuni- kation nicht gestört werden kann, lässt sich jede \’nicht Sercos III\‘- Ethernet-Komponente direkt an jeden freien Sercos III-Port ohne zusätzliche Hardware und ohne speziellen Software-Treiber an- koppeln. Eigenschaften von Sercos III Sercos III ist genauso wie das herkömmliche, auf Glasfaser basierende Sercos-Interface als Ringstruktur ausgeführt. Allerdings ist dies wegen der Voll-Duplex-Charakteristik der Ethernet-Physik eine Doppelring-Anordnung, welche die Möglichkeit eines redundanten Datentransfers bietet. Sollte der Ring an irgendeiner Stelle brechen, läuft die Kommunikation dennoch weiter. Der nötige Umschaltvorgang benötigt längstens 25µs, so dass nur ein Kommunikations-Zyklus verloren gehen kann. Während das integrierte Diagnose-Tool den Bruch meldet, kann die Fertigung wie gewohnt weiterlaufen. Auch die Reparatur der Bruchstelle beeinflusst den Fertigungsablauf in keiner Weise. Außer der Ringstruktur sind auch lineare Topologien möglich. Diese bieten zwar nicht den Vorteil der Redundanz, sparen aber eine Drahtverbindung ein. Sercos III nutzt aber nicht die Stern-Topologie des standardmäßigen Ethernet. Damit entfallen Hubs und Switches, was die Verzögerungszeiten und auch die Kosten reduziert. Sercos III halbiert die minimale Zykluszeit der gegenwärtigen Sercos-Schnittstelle: 31,25µs statt 62,5µs (für 7 Achsen mit 8Byte übertragener Daten). Wegen der größeren Bandbreite der Ethernet-Physik ist es weiterhin möglich, trotz der kurzen Zykluszeit eine adäquate Anzahl von Slaves anzukoppeln. Damit sind vor allem sowohl verteilte Antriebskonzepte als auch eine zentralisierte Signalverarbeitung möglich. Ein verteiltes Antriebskonzept ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Regelkreise innerhalb eines Antriebs geschlossen werden. Bei den zentralisierten Strukturen ist lediglich der Stromregelkreis innerhalb des Antriebs geschlossen, für alle anderen Regelkreise von diversen Achsen erfolgt dies in der zentralen Steuerungselektronik. Darüber hinaus bietet Sercos III noch weitere interessante Merkmale: – hohe Kompatibilität zu bisherigen Sercos-Schnittstellen (Topologie, Profile, Telegramm-Strukturen, Synchronisation) sichert das be- stehende Investment – verringerte Hardware-Kosten durch Nutzung lagermäßiger Ethernet-Hardware und FPGA-Bauteile – Verträglichkeit mit jedem Ethernet- basierten Protokoll, wie UDP/IP, TCP/IP, HTTP – Direkter Datenquerverkehr zwischen Slaves (Bild 2) – Synchronisation mehrerer Bewe- gungssteuerungen – gesicherte und ungesicherte Datenübertragung durch ein Netzwerk. – Ziehen und Stecken von Kompo- nenten und Geräten während des laufenden Betriebs – Fehlertoleranz bei Unterbrechung des Ringes. CIP-Sicherheit bei Sercos CIP (Control Information Protocol)-Safety on Sercos ist ein Sicherheits-Konzept für zentrale und dezentrale Safety-Anwendungen, die zu den eingeführten Übertragungsmechanismen von Sercos kompatibel sind. Es basiert auf einem Producer/Consumer-Modell, das Einfach- und Mehrfach-Cast-Verbindungen unterstützt. Wegen der Routing-Fähigkeit des CIP-Safety-Protokolls kann sich ein Safety-Netzwerk über mehrere untergeordnete und unterschiedliche Kommunikations-Netzwerke erstrecken: DeviceNet, Ethernet/IP, Sercos III und Sercos II. Nach der Spezifikation von CIP-Safety kann der sichere Daten-Container, der in den Sercos-Frame eingebettet ist, zwischen 2 und 250Byte sicherer Anwenderdaten umfassen. Damit läßt sich das Sercos-Interface im Rahmen von Safety-Anwendungen bis zur Stufe SIL 3 (Safety Integrity Level 3) nach IEC 61508 einsetzen, auch bei der kürzesten Zykluszeit. Unabhängig vom Datentyp Sollwerte, logische Signale, gesicherte Logik oder Prozessinformation bietet das Sercos-Interface eine homogene, durchgängige Lösung für moderne Automatisierungs-Konzepte. Leistungsdaten Wie weiter oben bereits beschrieben, erreicht Sercos III wegen seiner Protokoll-Effizienz und dem möglichen, direkten Datenquerverkehr zwischen Slaves ausgezeichnete Leistungsmerkmale. Dies hat den großen Vorteil, dass Daten auch im Falle längerer Zykluszeiten jederzeit zwischen Slaves innerhalb eines Kommunikationszyklus mit minimaler Verzögerung ausgetauscht werden können. An zeitlich äquidistenten Synchronisationspunkten werden Sollwerte in synchroner und simultan gültiger Weise sowie die Istwerte über das gesamte Netzwerk, ebenfalls in synchroner und simultaner Weise gesammelt. Damit erreicht Sercos III eine Synchronisiergenauigkeit innerhalb 20ns und die Abweichungen von der Gleichzeitigkeit bleiben unter 100ns. Darüber hinaus sind Echtzeitdaten gleichzeitig in Bezug auf einen verbundenen Kommunikationszyklus an jedem Punkt des Netzes verfügbar. Dies ermöglicht unter anderem eine sehr effiziente und flexible Netzwerküberwachung und Diagnose. Flexible FPGA-Implementierung von Sercos III Das ursprüngliche Sercos-Interface wurde durch ein spezielles Kommunikations-Asic unterstützt. Für Sercos III gibt es jetzt eine wesentlich flexiblere und kostengünstigere Hardware-Lösung: Ein Sercos-Core (Sercos III IP) erlaubt den Einsatz von FPGA-Bauteilen, um Automatisierungs-Ausrüstungen an ein Sercos III-Netzwerk anzukoppeln. Dabei können Sercos III-Controller auf der Master- und der Slave-Seite eingesetzt werden, was nicht nur die On-the-fly-Verarbeitung von Echtzeit-Telegrammen und die Ring-Redundanz unterstützt, sondern auch ein fehler- und jitterfreies Synchronisationssignal liefert (Bild 3). Der Migrationsweg vom bisherigen Sercos ist durch eine Ersatzlösung für das Asic Sercon 816 geebnet worden: Die Binärdatei Sercon 100M/S/SL lässt sich in Spartan-3-Bauteile von Xilinx laden und schafft damit einen Kommunikations-Controller für Automatisierungsbausteine, die als Master oder Slave in Sercos III eingebunden werden sollen. Darüber hinaus ist die Sercos III-Funktionalität auch als Netzliste verfügbar, mit der System- und Komponentenhersteller die Hardware von Sercos III und weitere Logikfunktionalität in einem FPGA integrieren können. Damit ist sogar eine Implementierung von Einchip-Lösungen für kostengünstige Automatisierungs-Peripherie möglich. Fazit Sercos III stellt eine wichtige Weiterentwicklung des Sercos-Interface dar. Experten der in der Sercos-Nutzerorganisation engagierten Mitgliedsunternehmen finden damit neue Wege für die Verbesserung und Erweiterung hochdynamischer Bewegungssteuerungen über diese Schnittstelle. So führte Sercos International kürzlich mit Easy-I/O einen freien IP-Core für den Typ XC3S250E der kostengünstigen FPGA-Serie Spartan-3 ein. Damit lässt sich die neue Schnittstelle mit geringem Entwicklungs- und Integrationsaufwand in einfache E/A-Slaves einbauen. Dies ist ein weiterer Meilenstein in der Etablierung von Sercos III als universeller, kostengünstiger Echtzeit-Ethernet-Lösung für Bewegungssteuerung und Prozessperipherie.
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Wittig MarCom Services
