Real-Time in Industriëel Ethernet

Transcriptie

1 Infosessie okt. 26 Real-Time in Industriëel Ethernet De toekomst start met de kennis van vandaag Geert Bracke Account Manager BeLux Hirschmann Automation & Control

2 Ethernet in industriële omgeving (Petro)chemie (Pharmaceutische) Chemie Olie- en gas raffinaderijen IJzer- en staalproduktie Voedingsmiddelen (Medisch)voedsel productie en verpakking Frisdrank & Bierbrouwerijen Zuivelindustrie Machine control Automotive Koppeling van samengestelde machines HM interface Lasrobots Productiestraat automatisering Component traceerbaarheid Infratechniek Verkeerautomatisering, Tunnel- en brug bewaking Rail- en waterwegbewaking Openbaar vervoer infosystemen Water Ruwwater transport Drinkwater Afval water

3 Industriëel Ethernet in het bedrijf ERP Kantoor Netwerk Ethernet MES Fabrieksnetwerk Industrial Ethernet Supervisie INFORMATIE DATA Controle Netwerk Industrial Ethernet Controle Laag Apparaatnetwork wordt vaker Ethernet Veldbus Veldbus Veldbus Veld i R-VIPT x P OW E R +24V F AUL T V* DA E t h e rn e t PHILIPS LTC xxx LS T ra n s p a re n t D a ta COM OUT OUT - Al a r m - I N IN OU T - AUDI O - IN V I DE O V I DE O I N

4 GL C Approvals EN Wat maakt switches industrieel? Kapersky Anti Virus USB-stick aansluiting voor config.file back-up M12-D als RJ45 niet meer voldoet VPN Firewall / VPN server / Virus scanner voor beveiligde koppelingen Grote diversiteit in aantal en poorttypes binnen 1 apparaat, of modulaire opbouw leidt (binnenkort) tot >1 modelvarianten

5 Industriële Ethernet (IE) structuren

6 Netwerk management - SNMP Netwerkstatus in stand- alone Windows of Linux programma Netwerkstatus in SCADA-OPC procescontrol display

7 IEC/SP5 H2 Profibus PA IEC/SP5 H1 HART LonWorks ETHERNET ControlNet CCLink DeviceNet CAN Profibus FMS Profibus DP Interbus WorldFIP / FIP SDS Seriplex ASI Interbus Loop Ethernet Control Enterprise-level I/O-level Device Control-level Industrieel ethernet vs. veldbussen

8 Real-time en Industriëel Ethernet Is Ethernet Real-time geschikt? Een definitie : Als de eisen qua timing voor een applicatie gehaald worden dan kan het sturing, voor deze toepassing, real-time genoemd worden. Voor real-time gedrag is het noodzakelijk dat een systeem (sturing) een duidelijk gedefinieerde, onder alle omstandigheden gegarandeerd, gedrag in de tijd vertoont. (Determinisme)

9 Good Old Ethernet CSMA-CD volgens IEEE82.3 is per definitie niet deterministisch Half Duplex hub technologie Full Duplex switch technologie Lijn-, Ster-, Ring- en vermaasde topologien Eisen opdat Ethernet vr. Real-time kan ingezet worden : 1. Segmentering 2. Kloksynchronisatie 3. Tijdsleuf gedrag

10 Real-time toepassingen met Ethernet 4 criteria voor Real-time gedrag: 1. Cyclustijd (Reactietijd, Looptijd) => Gedefiniëerde timing bovengrens, die in geen geval overschreden mag worden 2. Jitter => timing onzekerheid, afwijking van de standaard 3. Synchronisatie => Behoud van relatief tijdsverband ts. acties 4. Troughput => Over te dragen datahoeveelheid binnen een tijdsinterval De beste, hoogste RT performanties worden geëist door applicaties in Motion Control

11 Segmentering 1ste stap = segmentering (clustering) Creëer logische groepen van gebruikers achter een switch en houd zicht op de verbinding naar de backbone Gecontroleerde data stroom => Gedefinieerde overgang Netsegment met Real Time eis

12 Tijd synchronisatie 2de stap = Tijdsynchronisatie Preciese gesynchroniseerde klokken in iedere deelnemer ontkoppelen de processturing van de bus looptijd => Precision Time Protocol IEEE1588 (IEC 61588) Master klok Slave klok Slave klok Slave klok Netsegment met Real Time eis

13 Alle 5 profiteren deze protocollen van de voordelen en ontwikkelingen vanuit de kantoor automatisering Ethernet /IP en EPL zijn hardware onafhankelijk en dus geschikt voor migratie naar Gigabit Ethernet Standaardconform 5 actuele protocollen ingedeeld naar Hardware en Software aanpassingen Ethernet / IP Profinet IRT (v3) Proprietair Software (OSI laag 3 & 4) Classificatie van Real-Time Protocollen Sercos-III Eth. Power Link EtherCAT Proprietair Standaardconform Hardware

14 Tijdslot mechanisme Deterministisch Ethernet-gedrag volgens tijdsleuf (time-cycle) toegang Op deze wijze werken : Cycle PowerLink Profinet IRT (v3) Sercos-III Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Cycle i n asyn c Slot as. n Slot Cycle i+1 n a n a

15 Ethernet PowerLink (EPSG) Cyclus gebaseerd Real Time systeem met Tijd slots, geintegreerd in het CSMA-CD model Master polt de slaves Standaard Ethernet frames met type aanduiding PowerLink of IP Cyclustijd = n slots voor synchrone data + resterende tijd voor asynchrone data Segmentering d.m.v. PowerLink Bridge Powerlink Segment Powerlink Node Application cycl. Data acycl. Data Powerlink Node Powerlink Bridge TCP/IP Host Application cycl. Data acycl. Data TCP UDP TCP UDP IP IP Application acycl. Data TCP UDP Bridging Powerlink Powerlink Powerlink Ethernet CSMA/CD Ethernet CSMA/CD Ethernet Ethernet CSMA/CD CSMA/CD IP Ethernet CSMA/CD

16 Profinet-IRT (PNO) Cyclus gebaseerd hardware Real-Time systeem, met Tijdslots Koppeling via speciale Chip (ASIC) in netwerk apparatuur en speciale switches in field devices Master polt de slaves Cyclustijd = n slots voor isochrone data + resterende tijd voor asynchrone data PROFInet v3 IRT

17 Sercos III (IGS) Maakt gebruik van de fysieke Ethernet apparatuur en Sercos mechanisme Hardware gebaseerde synchronisatie en ring topologie Sercos III werkt zonder hubs of switches Doorlus systeem met speciale chip in alle apparaten Cyclustijd = n slots voor isochrone data + resterende tijd voor asynchrone data Segmentering d.m.v. Real-Time Bridge

18 EtherCAT (ETG) Gebruikt de frame structuur van Ethernet met hardware protocol processing Frames gaan niet naar alle slaves, maar frames gaan van slave tot slave Speciale Chip converteert het Ethernet signaal in een zgn. E-bus Real Time data gaat in EtherCAT frames, IP-data wordt getunneld in EtherCAT frames Tunneling vindt plaats in virtuele Ethernet Switches

19 Frame structuur Framestructuur van de tijdslot systemen : Ethernet- Header on hro er c o s e i k Ver Source Destin. Ethertype MAC MAC = Realtime n Ve chro rke on er Source Destin. Ethertype = IP MAC MAC EPL Profinet IRT Sercos-III asy Realtime-Data TN x IP-Header IP-Data FCS FCS (TCP-Header, TCP-Data) Ethernet-TCP/IP Telegram EtherCAT Realtime- & algemeen Verkeer Source Destin. Ethertype HDR MAC MAC = EtherCAT TN 1 Data HDR TN 1 TN 2 Data TN 2... getunneld Ethernet-TCP/IP Telegram FCS

20 Ethernet/IP (ODVA) Volledig gebaseerd op de Ethernet standaard Niet cyclus gebaseerd maar tijdgebaseerd. Real-Time door 3 standaard mechanismen : UDP, Prioriteit-QoS en IEEE1588 Master zendt stuurcommando s met exacte uitvoeringstijd Semiconductors Pneumatic valves AC drivers Position controls Other device profiles CIP application layer Application object library FTP SNMP HTTP SMTP CIP CIP data management services Explicit messages, I/O messages CIP message routing, connection management ControlNet Transport DeviceNet Transport Encapsulation CPF TCP UDP IP ControlNet CTDMA DeviceNet Phys. layer EtherNet CSMA/CD ControlNet Phys. layer DeviceNet Phys. layer EtherNet Physical layer Possible future alternatives: other networks

21 Vergelijking van Real-Time protocollen Wat is Real Time - Het is geen absoluut gegeven, maar afhankelijk van de applicatie - 2 prestatieparameters : cyclustijd en jitter Organisatie cyclustijd (voor 1 assen) Jitter Data rate Ethernet/IP CIPSync ODVA 1 ms < 1 µs 1 Mbit/s Ethernet Powerlink EPSG < 1 ms < 1 µs 1 Mbit/s Profinet v.3 PNO < 1 ms < 1 µs 1 Mbit/s Sercos-III IGS <.5 ms <.1 µs 1 Mbit/s EtherCAT ETG.1 ms <.1 µs 1 Mbit/s Conclusie: hoe meer proprietair, hoe sneller!?

22 Vergelijking met veldbussen Transfer rate Packet size (met 8 bytes user data) Theoretische packet overdracht Profibus DP 12 Mbit/s 19 bytes 79 packets/ms Sercos-II 16 Mbit/s 14 bytes 142 packets/ms Ethernet 1 Mbit/s 72 bytes 174 packets/ms Ethernet is even snel/sneller dan de traditionele veldbussen vanwege hoge kloksnelheid (1 Mb/s) Er is 1 technologie te beheersen Er is 1 soort infrastructuur nodig (Ethernet) Gebruik van Web based HMI s Verticale integratie van real-time netwewrksegment zonder protocol omzetters (gateways)

23 PTP IEEE Implementatie Boundary Clock Master Clock Slave Clock Test opstelling Full Network Traffic up to 1MBit/s GPS ref. clock PPS Out PPS Out Gemeten kloktijd synchroniteit (Master Clock -> Switch (Boundary Clock) -> Switch (Slave Clock) ±12ns (gemeten over 84h)

24 PTP IEEE Implementatie Synchronisatie Snelheid n o ti la il c s O t n ie s n ra t e ffs t u O I- P ft -1 ] [s e m ti Drift / rate [ns/s] ri D O 5 O ffs e t [n s ] T - Tijdsduur totdat 2 klokken gelijk lopen (hersync. elke 2 sec.)

25 Voorbeeld (1) Applikationsbeispiel Ferromatik Milacron 1% Electrische spuitgiet machine Goedkoper dan hydraulische machines Sturing over ETHERNET Powerlink Kracht, snelheid en positionering Transparantheid van data voor kwaliteitssysteem ETHERNET Powerlink ist das ideale Vehikel für Spritzgießmaschinen. Man kann Alles mit nur einem Netzwerk verbinden. Dr. Kalis, Leiter Entwicklung/Konstruktion

26 Voorbeeld (2) Bystronic Automobiel-Glasbewerking (snijden, slijpen, boren) Snijden = kerven & Breken 15m/min kerf snelheid 5/1mm nauwkeurigheid X-Y-tafel met tangentiale snijdraden 15 Assen en meer 8µs cyclustijd ETHERNET Powerlink soll der Feldbus der Zukunft werden. Ing. Deprato, Development Engineer Controls

27 Voorbeeld (3) KMK Maschinen AG Tube vulmachine Korte omsteltijden (<1min) 12 Tubes/minuut Eisen Eenvoudige bekabeling Dynamisch Flexible visualisiering Bewaking over internet Implementatie ETHERNET Powerlink 8µs cyclustijd 15 aandrijvingen verspreide I/Os

28 Conclusie Om Ethernet Real-Time te maken is geen een afwijking van de standaard nodig. Het hangt van de applicatie af. De cyclustijd wordt bij veel processen elders bepaald dan in het netwerk Ethernet Standaard mechanismes die vandaag de dag beschikbaar zijn: Geswitched Full Duplex netwerk Fast Ethernet of Gigabit Ethernet Transport protocol in UDP in plaats van TCP Quality of Service ( prioritisatie) Netwerk segmentatie (VLAN) Tijd synchronisatie via IEEE1588 (PTP) Ethernet is een open standaard, dus geen strikte fabrikant afhankelijkheid Haal voordeel uit de snelheid van ontwikkelingen op IT gebied die in de markt plaatsvinden (oa. Gigabit techniek in industriële netwerken!)

29 Vragen? Dank voor uw aandacht