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Folie 9-1
Design Feldbus über Ethernet
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Folie 9-2
Inhalt
Ethernet/IP
IDA
ModBus/TCP
Powerlink
PROFINET
SERCOS III
EtherCAT
JetSync
MasterBus 300
DeltaV
Vnet/IP
Studie von ARC 2009: Unterstützte Industrial-Ethernet-Protokolle(Umsatz-Anteil von Switches)
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Folie 9-3
Ausgangssituation Feldbusse
ARCNETAS-i
Bitbus
CAN
ControlNet
DeviceNet
cc-link
MelsecNet
DIN-Messbus
EIB
FIP
Foundation Fieldbus H1 Genius
HART
Interbus S
LON
MasterBus300
Modbus
Modbus +
P-NetProfibus DPProfibus PA
Profibus FMS
SDS
SERCOS
Suconet
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Folie 9-4
Etablierte Standards der IT-Welt
Data Link (2)Physical (1) Ethernet IEEE 802.3
ARP ICMP
UDP
SNMPHTTP DNS FTP
Network(3)
Transport(4)
Middleware(5-7)
Neue Industrial-Ethernet-Protokolle
Application Programming Interface (API)
TCP
IP
???
???
???
Standard Ethernet und Automatisierungsprotokolle
L5-Protokoll für Automatisierungskommunikation nötig,L3- und L4-Protokoll für Echtzeitanwendung nötig.
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Folie 9-5
Applikation
TCP UDP
IP
Echtzeit-erweiterung
Media Access Control CSMA/CDEthernet
Applikation
Echtzeiterweiterung
TCP UDP
IP
Media Access Control CSMA/CDEthernet
TCP UDP
IP
Echtzeit-erweiterung
Media Access Control CSMA/CDEthernet
Applikation
Echtzeiterweiterung
Steuerungsdaten über Ethernet
3 generelle Implementierungsansätze:
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Folie 9-6
®
PROCESS FIELD BUS
Lösungsansätze
ODVA (Open DeviceNet Vendor Association ) Technik: In den höheren Protokollschichten wird
EtherNet/IP/ControlNet/DeviceNet übernommen
Lösungsansatz von: Rockwell Automation, Allen-Bradley, Honeywell, Mitsubishi, ABB, ControlNet International (CI), Industrial Ethernet Association (IEA), IAONA
IDA (Interface for Distributed Automation) Organisation mit modbus.org verschmolzen (11/2003) Technik: kompatibel zu ModBus/TCP
Lösungsansatz von: Schneider, Jetter, Phoenix, Kuka, RTI (Real-time Innovations), Lenze, Sick, Modconnect Gruppe, AG-E, IAONA
PROFINET Technik: Übernahme des kompletten Profibus
Lösungsansatz von: Siemens / PI
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Folie 9-7
Lösungsansätze
Bernecker & Rainer (B&R) Technik: Industrie Elektronik
Lösungsansatz von: B&R
EtherCAT von Beckhoff
JetSync von Jetter
SERCOS III
Delta V von Emerson
VNET/IP von Yokogawa
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Folie 9-8
Übung
EtherCAT
EtherNet/IP
IDA
JetSync
Modbus/TCP
Powerlink
PROFINET
SERCOS III
Beckhoff
EPSG
IGS
Jetter
modbus-ida
ODVA
Phoenix Contact
PI
Rockwell
Schneider
Siemens
Ordnen Sie die Ethernet-Lösungen den Unternehmen/Vereinigungen zu!
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Folie 9-9
IAONA – ODVA – IDA Kooperation
IAONA – neutrale Organisationsplattform für Industrial Ethernet: angleichen der IDA- und ODVA-Standards und künftige Entwicklungen, so dass Interoperabilität gewährleistet ist.
IAONA, IDA und ODVA unterschrieben ein „Memorandum of Understanding“
ODVA / IDA stellten ihre Spezifikationen (EtherNet/IP/Modbus) der IAONA zur Verfügung Objekt Modelle, Protokolle,
Geräte-Profile
ODVA / IDA beteiligten sich an den IAONA-Aktivitäten
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Folie 9-10
ODVA – Ansatz
Ethernet Industrial Protocol (EtherNet/IP) / DeviceNet / ControlNet
Offener Standard für die Applikationsschicht. Seit April 2001 kann die komplette Spezifikation und Source Code kostenlos von der ODVA Homepage geladen werden (EtherNet/IP Spezifikation ist seit Dez. 99 verfügbar).
Am weitesten entwickelt, Produkte verfügbar
Das gemeinsame Kommunikationsprotokoll für DeviceNet (EN 50325) und ControlNet (EN 50170) heißt Control and Information Protocol (CIP) Objektmodell
Ethernet/IP bildet die CIP-Dienste auf TCP/IP und UDP/IP ab Protokollmodell
Da Objektmodell und Protokollmodell weitgehend identisch sind, lassen sich einfache Router zwischen den Techniken einsetzen
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Folie 9-11
ODVA – EtherNet/IP / ControlNet
ControlNetPhys. Layer
DeviceNetPhys. Layer
EtherNetPhysical Layer
ControlNetCTDMA
DeviceNetPhys. Layer
EtherNetCSMA/CD
ControlNetTransport
DeviceNetTransport
IP
TCP UDP
Encapsulation CPF
Möglichekünftige
Lösungen:andereNetze
CIP
syncCIP Message Routing, Connection Management
CIP Data Management ServicesExplicit Messages, I/O Messages
CIP Application LayerApplication Object Library
Semi-conductor
Pneumatik-Ventile
AC AntriebePositionControls
andere DeviceProfile
FTPSNMPHTTPSMTP
CIP
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Folie 9-12
ODVA – ControlNet / Ethernet/IP
Zeitkritische implizite Nachrichten werden mit UDP übertragen. Dabei wird die schnellere Übertragungsgeschwindigkeit des UDP genutzt. Außerdem wird sichergestellt, dass zeitkritische Daten, die nach verloren gegangenen Daten eingehen, trotzdem noch verarbeitet werden
Explizite Nachrichten werden mit TCP übertragen. Dabei wird die Zuverlässigkeit von TCP genutzt. Gleichzeitig wird akzeptiert, dass die Nachrichten nicht zeitkritisch sind
Ethernet
CIPsync
ControlNetDeviceNet
Deterministische Nachrichten werden mit CIPsync übertragen. Dies garantiert die schnelle und pünkt-liche Zustellung der Daten für isochrone Anwendungen.
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical
Ethernet(IEEE 802.3)
TCP/IP
ControlNetDeviceNetProtocol
ExplicitMessa-gingServices
OSI-Modell
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical
Ethernet(IEEE 802.3)
UDP/IP
ControlNetDeviceNetProtocol
ImplicitMessa-gingServices
OSI-Modell
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Folie 9-13
ODVA – Ansatz
System-Überblick
Leit
Steuerung
Sensor/Aktor DeviceNet
EtherNet/IP
ControlNet - EtherNet/IP
Ethernet/IP Trace über CIPAlyser von Control Technology Inc.
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Folie 9-14
ODVA – Ansatz
Einfach in Ethernet einzubinden
Andere Protokolle SNMP, FTP, HTTP werden unterstützt
CIP (Control and Information Protocol) ist in industrieller Umgebung bekannt und kommt in DeviceNet- als auch ControlNet-Netzen zum Einsatz. Die jeweiligen Endgeräte “sprechen die gleiche Sprache” über CIP.
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Folie 9-15
Modbus/TCP-Architektur
Das weitest verbreitete Ethernet-Automatisierungsprotokoll
Modbus/TCP bettet serielles Modbus-Protokoll (Modbus Rahmen) in ein TCP-Paket ein Vorteil: sichere Verbindung
Nachteil: langsame Kommunikation
TransactionIdentifier
ProtocolIdentifier
LängeModbus-
Paket
AdresseFunktions-
Code Daten (Prüfsumme)
TCP-Paket
Modbus-Paket
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Folie 9-16
Modbus/TCP-Architektur
Modbus/TCP arbeitet nach dem Master/Slave Prinzip: Master sendet Anfrage an den Slave und kann hierbei
Ausgangsdaten mitschicken
Slave antwortet mit Eingangsdaten
Das Polling-Verfahren ist überschaubar und nutzt die Verbindungsüberwachung von TCP
Nur wenig Dienste sind erforderlich und für viele Applikationen genügt die Performance
Einfach zu integrieren
Modbus Application Layer
Modbus auf TCP
TCP
IP
Ethernet-II/802.3Ethernet-PHY
Master / SlaveRS 232 oder
RS 485
Modbus+/HDLCPHY-Layer
andereandere
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Folie 9-17
Powerlink von Bernecker & Rainer (B&R)
Lösung heute am Markt erhältlich Hub, Bus, Interface für ACOPOS Servoantriebe - I/O Controller,
EX282 Schnittstellenmodule - PCI Schnittstellenkarten
Zeitschlitzverfahren
Offene, kompatible und transparente TCP/IP Lösung
Definition für (Konfiguration, Parametrierung, Diagnose, Administration und Wartung
Parallele Lösung für real-time und non-real-time Kommunikation
Synchronisation: Ein Powerlink Segment über mechanische, elektronische und
datenverarbeitenden Komponenten
zwischen verschiedenen geschützten, synchronisierten Ethernet-Segmenten mit IEEE 1588
Alle Stationen sind am Netz zueinander, bzw. zum Programm in der SPS synchronisierbar
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Folie 9-18
Powerlink – Zeitschlitzverfahren
Deterministisch
Zykluszeit Anzahl und Laufzeit der
Zeit-Slots konfigurierbar
Zykluszeit < 200 µs
Zur Synchronisierung PLCs, Antriebe, I/O
PLC Programme etc.
Jitter < 1 µs
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Folie 9-19
Asynchron-Period
Powerlink – Zeitschlitzverfahren
Zyklus-Periode
Poll Req.1
Tom, du bist dran
Poll Resp.1
Meine Rotationsgeschwindigkeit
beträgt 250 U/min
Poll Req.2
Peter, hast du einenneuen Wert?
Poll Resp.2
Nein
Poll Req.3
Paul, hast du einenneuen Wert?
Poll Resp.3
Meine Temperatur ist 70 0C
Ende des Zyklus
Ok, das war’s
Start-Periode
Start des Zyklus
Alle aufpassen,wir starten nun!
Idle
Invite
Marie, hast du auch noch etwas?
Send
Ja, hier ist mein Update• Poll Request• Poll Response
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Folie 9-20
Powerlink – Protokoll-Stack
Auf Applikationsebene werden CAN-Profile benutzt
Cyclic-Datentransfer via neuem Stack
asynchrone Daten via TCP/IP
Ethernet
CSMA/CD
Powerlink
IP
UDPTCP
Azykl. DatenZyklische
Daten
Applikation
Schicht 1
Schicht 2
Schicht 4
Schicht 3
Schicht 5
Schicht 7
Schicht 6
Powerlink
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Folie 9-21
Powerlink – Protokollstack
EthernetCSMA/CD
PowerlinkEthernet
CSMA/CD
IP
TCP UDP
Applikationazykl. Daten
Powerlink Node Powerlink-Bridge TCP/IP-Host
EthernetCSMA/CD
Powerlink
EthernetCSMA/CD
BridgingIP
TCP UDP
Applikationzykl. Daten azykl. Daten
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Folie 9-22
Powerlink – Synchronisierung von Segmenten
(switched) Ethernet
Ctr
Mgr1588
Ctr
Ctr
Mgr1588
Ctr
Ctr
Ctr
Ctr
IEEE 1588 Time Synchron.
Powerlink Manager
Powerlink Controller
Powerlink to Ethernet Bridge
IEEE 1588 Messages
Asynchronic data (IP)
Realtime Data (Powerlink)
Open Ethernet
Powerlink Host
BrdgPLCPLC
Mgr
Ctr
1588
1588
1588
Brdg
1588
Brdg
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Folie 9-23
Powerlink – TCP/IP Connection
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Folie 9-24
PROFINET
Von SIEMENS und Profibus-Nutzergruppe ins Leben gerufen
Zur Integration von Ethernet in Profibus-Netzeund in Interbus (neue Absicht von Phoenix ab 2004)
Kommunikation bzw. Datenaustausch über DCOM (Distributed Component Object Model) / COM. DCOM vereinheitlichen die Kommunikation zwischen mehreren Komponenten
Verteilte Intelligenz, dezentrale Feldgeräte
Echtzeit, Motion Control 2 „Kanäle“ (Zeitbereiche) zur Übertragung von Echtzeit- und Nicht-
Echtzeit-Daten
Priorisierung
Isochronität durch Slots gewährleistet
Safety
Netzmanagement, Web-Management
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Folie 9-25
PROFINET-Entwicklung
2005
Hoch performantmit IsochronemRealtime IRT
Taktsynchronität
Motion Control-Anwendungen
2003 Leistungssteigerung
mitSoft-Realtime SRT
WEB-Integration
Netzmanagement
Dezentrale Feldgeräte
2002
Architektur für Kommunikation und Engineering
Verteilte Intelligenz
Standard TCP/ IP
Integration vonPROFIBUS
PROFINET v1
PROFINET RTv2
PROFINET IRTv3
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Folie 9-26
PROFINET-Entwicklung
Anwendung
2
3
4
7
Ethernet
IP
TCP
IRT (HW)
Standard-Daten
Realtime-Daten
ISRT(HW)
Industrial Ethernet
Spez. HW
Anwendung
2
3
4
7
Ethernet
IP
TCP
Standard-Daten
Realtime-Daten
SRT
Standard-Controller
Stufe 2 (2003)(reine SW-Lösung)
Stufe 3 (2005)(mit HW-Unterstützung)
SW
HW
Industrial Ethernet
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Folie 9-27
(Quelle: Siemens Präsentation)
Zeitschlitzverfahren
Echtzeit Ethernet Lösungen - PROFINET v3 (II)
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Folie 9-28
EtherCAT von Beckhoff
EtherCAT Technology Group ETG legt Technologie offen
www.ethercat.org
Setzt auf UDP auf
Daten werden in Echtzeit ein-/ausgelesen
nur 4 Bits zwischengepuffert
Jitter: < 1 µs
Zykluszeiten: 30 µs
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Folie 9-29
(Quelle: Beckhoff Präsentation)
Hardware basiertes „Low Level“ Verfahren
Echtzeit Ethernet Lösungen – EtherCAT
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Folie 9-30
(Quelle: Beckhoff Präsentation)
Benötigt speziellen ASIC
Echtzeit Ethernet Lösungen – EtherCAT
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Folie 9-31
SERCOS III
Weiterentwicklung des SERCOS-Interface (IEC/EN 61491) auf Ethernet-Basis
Linien- oder Doppelringstruktur ähnlich FDDI
Echtzeit-Kanal parallel zu Standard-IP-Kanal
Zykluszeit veränderbar zwischen 31 µs und 65 ms
Produkte ab Ende 2005
Master
Slave 2Slave 1 Slave 3
Master
Slave 2Slave 1 Slave 3
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Folie 9-32
(Quelle: IGS Präsentation)
Echtzeit Ethernet Lösungen – SERCOS III
Bewährte SERCOS-Mechanismen in Kombination mitweltweit bekannter Ethernet-Physik
Einsatz hardware-basierte Synchronisation und Ring-Topologie Erhöhen der Datenrate von 16 Mbit/s auf 100 Mbit/s Einfügen neuer Funktionen
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Folie 9-33
JetSync von Jetter
Kein IEEE 1588, aber ähnlich
Da Zykluszeit (5 ms) vergleichbar hoch wurde Intelligenz in Antrieb verlagert, damit ausreichend
Jitter < 10 µs
Quelle: Jetter AG
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Folie 9-34
Fieldbus Foundation: HSE und H1
Feldbus H1 mit High Speed Ethernet HSE in Kombination
Foundation Fieldbus FF-H1 eigensicherer Feldbus
Dienste und Objektmodell von Profibus FMS übernommen
Einsatz in Prozessleittechnik
eigensicherer Betrieb mit 4-8 Geräten, nicht eigensicherer Betrieb mit bis zu 32 Geräten möglichin der Praxis wegen Bandbreite meist mit weniger Geräten
Datenrate: 31,25 kbit/s
HSE gleiche Dienste und Objektmodell wie bei H1
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Folie 9-35
Fieldbus Foundation: HSE und H1
Linking-Device zwischen H1 und HSE bindet mehrere H1 an HSE an
Bridge-Funktion zwischen den H1
Gateway-Funktion zwischen H1 und HSE
Zeit-Synchronisation zwischen HSE (SNTP) und H1
Redundanz durch doppelte Ausführung von HSE und der Linking-Devices
Anschluss von Profibus DP und PA per Gateway an HSE
LD
HSE
H1H1H1H1
LDH1H1H1H1
Ctrl.
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Folie 9-36
Wissenskontrolle
Ordnen Sie bitte den Ethernet-Anwendungen die unterstützten Feldbusse (Profile) zu!
EtherCAT ________________________________
EtherNet/IP ________________________________
Modbus/TCP ________________________________
Powerlink ________________________________
PROFInet ________________________________
SERCOS III ________________________________
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Folie 9-37
Ethernet-Variante 2009 (Anteil installierter Geräte)
Ethernet TCP/IPEtherNet/IPPROFInetModbus TCPPowerlinkEtherCATHSEFL-NetSERCOS IIICC-Link IEandere
Installierte Industrial-Ethernet-Varianten (Automation)
Variante Tsd. Geräte Anteil2009 2013 2009
Ethernet TCP/IP 10.366 24.185 53.0 %EtherNet/IP 2.509 5.344 12.8 %PROFINET 2.080 4.993 10.6 %ModbusTCP 1.859 3.563 9.5 %Powerlink 686 1.067 3.5 %EtherCAT 310 1.222 1.6 %HSE 210 417 1.1 %FL-Net 133 195 0.7 %SERCOS III 43 308 0.2 %CC-Link IE 41 330 0.2 %andere 1.332 1.958 6.8 %
Quelle: IMS Research, August 2010
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Folie 9-38
Anhang
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Folie 9-39
Vergleich
CIPsync ODVA Rockwell 300 µs < 0,5 µs ? Plan EtherCAT ETG Beckhoff 10 µs x ns (?) plan
JetSync Jetter 5 ms (?) < 10 µs ?
Powerlink EPSG B&R, Lenze, x () 200 µs < 1 µs
PROFINET PNO Siemens 250 µs < 1 µs plan
SERCOS III IGS Bosch Rexroth 31 µs < 1 µs(?) ? plan
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Folie 9-40
Liste von URLs
http://ab.rockwellautomation.com/Networks-and-Communications, http://www.rockwellautomation.com/rockwellautomation/catalogs/overview.page
http://new.abb.com/de
http://www.dke.de/dke/img/aktuell/enetip.pdf
http://www.ethernet-ip.de
http://www.ethernet-powerlink.org
http://www.iaona.org
http://www.modbus.org
http://www.odva.org
https://www.phoenixcontact.com/online/portal/de
http://www.profibus.com
http://www.rockwellautomation.de
http://www.schneider-electric.com
http://www.sercos.de
http://www.real-time-ethernet.de
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Folie 9-41
Kontaktadressen
Modbus Organization Inc.PO-Box 628Hopkinton, MA 01748-0628www.modbus.org
Interbus Club Deutschland e.V.Postfach 1108D-32817 BlombergTel.: +49 (0) 5235 / 3-4 21 00Fax: +49 (0) 5235 / 3-4 12 34E-Mail: [email protected]: www.interbusclub.com
EPSG
Web: www.ethernet-powerlink.org
PI – PROFIBUS & PROFINET International
Web: www.profibus.com
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Folie 9-42
Glossar
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Folie 9-43
Glossar
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Folie 9-44
MasterBus 300
Systembus, entwickelt durch ABB
Übertragungsgeschwindigkeit 10 Mbit/s
MasterBus 300 ist redundant aufgebaut
Einige Systeme zeigen Kommunikationsengpässe bei über 10 % Netzlast in der PraxisHilfe: Broadcasts begrenzen, Last überwachen
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Folie 9-45
DeltaV
Prozessleitsystem entwickelt von Emerson (vormals Fisher-Rosemount)
Ziel: einfache Handhabung
Einfache Systemstruktur durch Ethernet-TCP/IP-Netz
Redundantes Bus-System
Einfache Installation, auch in existierenden Netzen
„Offenes“ System durch zahlreiche standardisierte Kommunikationsschnittstellen
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Folie 9-46
Vnet/IP
Prozessleitsystem entwickelt von Yokogawa
Legt Gigabit fest wegen geringer Delays
Redundante Linienstrukturen
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Folie 9-47
ControlNet
Control-Netz für Automation-Anwendungen mit hohem Durchsatz (im Vergleich mit DeviceNet)
Transfers mit 5 Mbit/s I/O-Daten,
SPS Locking-Signale,
Peer-to-Peer-Messages,
Online-Programmierung
Deterministisches Netz mit stabilen reproduzierbaren Übertragungsintervallen ideal für Anwendungen, die eine Vorhersagbarkeit (Kalkulierbarkeit) und Reproduzierbarkeit des Datentransfers brauchen
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Folie 9-48
Steuerungsdaten über Ethernet
Encapsulation:Informationsinhalt (z.B. Steuerungsdaten) verpackt in einem Ethernet-Paket
Vorteil: schnell
Nachteil: keine Kommunikation auf dem Kommunikationsweg- nur nachdem das Paket ausgepackt wurde
z.B. SteuerdatenHeader Steuerdaten
DATEN FCS MAC-EbenePräambel ZieladresseMAC
QuelladresseMAC
SFDTyp/Länge
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Folie 9-49
Steuerungsdaten über Ethernet
TranslationInformationsinhalt (z.B. Steuerungsdaten) übersetzt und mit Ethernet versendet
Vorteil: Kommunikation zwischen allen Teilnehmernmöglich
Nachteil: langsam
Echtzeiteigenschaften hinzufügenTCP/IP-Protokollstack wird kompatibel oder nicht kompatibel zum herkömmlichen TCP/IP-Protokollstack (oder auch höhere Schichten) ergänzt bzw. geändert
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Folie 9-50
IDA – Ansatz
Ziel: einheitliche, offene Schnittstelle (Applikations-Schicht) für die Automatisierung echtzeitfähig
hochgenaue Antriebssynchronisierung über Ethernet
Konfiguration über WEB
Maschienensicherheit und Plug-and-Play
Die komplette Spezifikation und Source Code soll kostenlos von der IDA Homepage geladen werden
IDA nutzt dabei mit der NDDS-Middleware ein Software-produkt, das ähnlich wie Ethernet/IP die Protokolldienste TCP/IP für Parameter- und UDP/IP nach dem Publisher/Subscriber-Prinzip für Prozessdatenkommunikation nutzt.
Integration von Modbus durch das Einpacken in Ethernet
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Folie 9-51
IDA Echtzeit WG definiert ein Echtzeitkommunikations-modell RTPS-Protocol (Real-Time Publish/Subscribe) NDDS-SW-
Produkt von RTI als Middleware
Regeln für: Netzmanagement, -design, network, - realtime service security
IDA – Ansatz
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Folie 9-52
Ethernet
IP
UDP
P/SNDDS 3.0
C/SMessaging
Opt.Stack
BootP
DHCP
BootP+
DHCP HTTPServer
FTPServer
SMTPClient
WebFile
TransMail
IDA Object Model
API
Applications
IDA – Integration von Modbus/TCP
ModbusTCP
TCP