Ethernet zet aandrijftechniek in beweging Veldbussen zijn in de automatisering technisch gezien up-to-date en inmiddels over een breed toepassingsgebied ingevoerd. Nu rijst de vraag: Wat is de beste implementatiestrategie mét betrekking tot de Ethernet-technologie? Deze bijdrage geeft een inschatting van de actuele situatie, gezien vanuit het oogpunt van SEW-EURODRIVE, en toont dat bijvoorbeeld Profinet een aanzet is voor de oplossing bij het opnemen van aandrijfcomponenten in een op Ethernet gebaseerde communicatiestructuur. Raphael Dunker en Manfred Gaul, SEW-EURODRIVE M oderne aandrijfsystemen onderscheiden zich, naast hun regeltechnische eigenschappen, in toenemende mate door hun communicatiefuncties en integratiemogelijkheden in verscheidene automatiseringsnetwerken. Naast de horizontale communicatie tussen besturing en veldapparatuur ontstaan nieuwe eisen met betrekking tot de verticale communicatie tussen veld- en besturingsniveau: ofwel uitvoerende productiesystemen. Met de stijgende functionaliteit en flexibiliteit van productiemachines en installaties worden engineering en diagnose steeds belangrijker. De focus verplaatst zich van een snelle diagnose en het verhelpen van storingen naar preventief onderhoud, respectievelijk het voorkomen van storingen.naast een snelle inbedrijfstelling wint ook een betrouwbaar bedrijf van de installatie bij de eindgebruiker aan betekenis voor de machinebouwer en de fabrikant van de aandrijf- en besturingstechniek. Internettechnologie en het communicatiemedium Ethernet zijn in deze samenhang niet meer weg te denken (afbeelding 1). Keuze Voor alle betrokkenen geldt dat de vraag kan worden gesteld welk Ethernetsysteem de beste functionele eigenschappen heeft om de productiewereld te verbinden met de kantoorwereld. In de aandrijftechniek hebben zowel de gebruikers als de componentenleveranciers vandaag de dag de keuze tussen Afbeelding 1. Betrouwbaar functioneren en een snelle inbedrijfname zetten Inter- en Ethernet vol in de schijnwerpers bij de machinebouwer en zijn leveranciers. minstens zeven verschillende systemen. Beschouwt men de verschillende varianten, dan wordt snel duidelijk dat in veel gevallen de technische eigenschappen niet wezenlijk verschillen. Natuurlijk vereist iedere gebruiker het transport van TCP/IP-communicatie op een Ethernet gebaseerd veldbussysteem. Cyclische procesdata, zo mogelijk synchroon real time, alarm- en diagnosefuncties, alsook de mogelijkheid van datakruisverkeer tussen de deelnemers wordt door bijna alle systeemconcepten ondersteund, evenals het thema mediumredundantie. Doorslaggevend Waarvoor moet nu worden gekozen? Doorslaggevend zal uiteindelijk zijn welk spectrum aan veldapparatuur voor de verschillende Ethernet-systemen kan worden geleverd. Terwijl de gevestigde veldbussystemen zoals Profibus en Interbus vandaag de dag nagenoeg door 22
Webdiagnose Moderne diagnose op het gebied van aandrijftechniek, bijvoorbeeld de homepage van een applicatieregelaar van de MOVI- DRIVE(r) B serie met optiekaart DFE11B voor MODBUS-TCP. Voor diagnose via een webserver is het niet nodig dat de gebruiker over kennis beschikt van leverancierspecifieke software. Hij werkt in zijn gewone omgeving met Internet Explorer. Doorgaans wordt via deze webpagina s alleen informatie over actuele proceswaarden, status en productdocumentatie doorgegeven. Dat wil zeggen: de webserver dient voor het overdragen van informatie en in mindere mate als platform voor de programmering van het apparaat. Dit blijft nog steeds voorbehouden aan de engineeringssoftware MOVITOOLS(r), die in dit geval via Ethernet TCP/IP met de aandrijvingen communiceert. alle automatiseringscomponenten worden ondersteund, is dit bij de Ethernet-varianten allerminst het geval. Echter, volgens de inschatting van SEW, is MODBUS-TCP op dit moment het meest bekend en toegepast. Daarnaast zullen naar alle waarschijnlijkheid de systemen Profinet en in het bijzonder in de Amerikaanse markt Ethernet zich gaan vestigen als installatie-bussystemen. Als het gaat om echt realtime data, dan zijn er nog meer concepten zoals CIPsync en ODVA en Powerlink die door de Ethernet Powerlink Standardisation Group worden ondersteund, de Sercos-III variant en Ethercat. Als favoriet mogen op zijn minst die systemen in aanmerking komen, waarbij het communicatieconcept kan worden gebruikt als installatiebus en ook systemen die motion control toepassingen ondersteunen Volgens SEW zijn dit in het bijzonder Profinet IRT en Ethercat. Prestaties Vanuit het performance -standpunt gezien is Ethercat duidelijk het krachtigste concept. De technologie dekt een breed spectrum aan varianten af en is derhalve zeer flexibel inzetbaar. De interesse van leveranciers van veldapparatuur hiervoor is groot. Ontwikkelingsversies zijn reeds verkrijgbaar en binnen de Ethercat Technology Group wordt de technologie zeer efficiënt verder ontwikkeld. Nu al is te overzien dat vele leveranciers van veldapparatuur, waaronder SEW, deze technologie onderzoeken, respectievelijk zullen gaan toepassen. De voor de applicatieregelaar en veldapparatuur ontworpen 2 port switch ASIC voor Profinet IRT zal pas eind 2005 beschikbaar zijn, zodat veldapparatuur die niet direct van de technologieleveranciers komt, vermoedelijk niet eerder dan 2006 kan worden ingezet. Profinet Isosynchroon RealTime (IRT) staat voor synchrone realtime communicatie en een synchrone I/O data-uitwisseling met een cyclustijd kleiner dan 1 ms. Deze derde uitbreidingslaag van Profinet is beschikbaar op het communicatiemechanisme van Profinet IO RT (RealTime 1-10 ms), zodanig dat een vermenging van RT en IRT apparatuur mogelijk is. Tot IRT beschikbaar is, concentreert SEW zich met betrekking tot het thema Profinet allereerst op de integratie van Profinet IO, waarop hieronder nader wordt ingegaan. Waarom Profinet IO? In tegenstelling tot MODBUS-TCP of ook Ethernet/IP vindt bij Profinet IO de cyclische I/O data-uitwisseling plaats direct via de Ethernet laag. Aan de hand van een speciaal Ethertype in het Ethernet-telegram kunnen de deelnemers aan de onderste protocollaag herkennen dat het om een Profinet I/O-telegram gaat. Samen met de telegramprioriteit en het gebruik van een switched Ethernet wordt een communicatiewijze met cyclustijden van 1 tot 10 ms bereikt, hetgeen met TCP/IP gebaseerde systemen in de regel alleen door optimalisatie mogelijk is. Omdat de Profinettechnologie door de Profibus gebruikersorganisatie (PNO) wordt ondersteund, is in de toekomst een breed spectrum aan veldapparatuur voor Profinet IO te verwachten. Reeds nu al werken vele werkgroepen binnen de PNO aan de profielomzetting van Profinet IO, en SEW is hierin een actief deelnemer. Een bijkomend aspect is de veiligheidsgerichte communicatie. Hier weerspiegelt zich het veelvoud aan veldbusprotocollen, die door standaard communicatie worden getunneld. Met aanzienlijke investeringen voor test en certificering moeten de componentenleveranciers de busspecifieke veiligheidsprotocollen kwalificeren. Ook hier biedt Profinet de kans, gebaseerd op de ontwikkelingen en ervaringen op het gebied van Profibus DP, de Profisafe technologie op het medium Ethernet aan te passen. Van veldbus naar Profinet Installatiegebruikers hebben in de afgelopen jaren ten dele aanzienlijke investeringen in de veldbustechnologie gedaan. Een overschakeling naar de nieuwe Profinet-technologie zal daarom in vele sectoren stapsgewijs verlopen. 23
Het Profinet IO-profiel is gebaseerd op slot- en subslotmechanismen, waarmee zich modulaire apparaten met steekplaatsen voor modules en submodules laten realiseren. Zo functioneert Profinet IO Profinet IO is na Profinet CBA de tweede Profinet functieklasse. Terwijl de CBA variant de componentgebaseerde automatisering ondersteunt, wordt met Profinet IO de klassieke veldbuscommunicatie op de fast-ethernet - technologie als fysiek overdrachtsmedium geplaatst. Profinet IO ondersteunt zowel de real-time procescommunicatie alsook de open communicatie via Ethernet TCP/IP en maakt onderscheid tussen de drie apparaattypen: IO-controller, IO-device en IO-supervisor. IO-controller De IO-controller neemt de masterfunctie over voor de cyclische I/O-data-uitwisseling met de decentrale veldapparatuur en zal in de regel als besturingscommunicatie-interface worden uitgevoerd. Hij is vergelijkbaar met een Profibus DP master klasse 1. IO-device Als IO-device wordt alle veldapparatuur aangeduid aan Profinet IO die door een IO-controller worden aangestuurd, zoals bijvoorbeeld I/O s, aandrijvingen of ventieleilanden. IO-devices zijn zodoende vergelijkbaar met Profibus DP slave deelnemers. IO-supervisor Als IO-supervisor worden programmeerapparaten/pc s met bijbehorende engineering/ diagnosetools bedoeld. De IO-supervisor heeft toegang tot proces- en parameterdata evenals alarm- en diagnose-informatie. Het communicatiemodel Het communicatiemodel van Profinet IO is, kort samengevat, gebaseerd op de jarenlange ervaring met Profibus DPV1. Het masterslave principe wordt op een provider-consumer model afgebeeld. Voor de data-overdracht tussen IO-controllers en IO-devices dienen verschillende communicatiekanalen. De overdracht van cyclische I/O-data, alsook de event gestuurde alarmen, geschieden over het real-time kanaal. Voor parametrering, configuratie en diagnose-informatie wordt gebruikgemaakt van het standaard kanaal op basis van UDP/IP. Het profiel Als profiel (zie afbeelding) wordt de van Profibus DP bekende zienswijze van decentrale periferie uitgebreid. Het is gebaseerd op sloten subslotmechanismen, waarmee zich modulaire apparaten met steekplaatsen voor modules en submodules laten realiseren. Modules worden daarbij door het slot en submodules door het subslot vertegenwoordigd. Deze mechanismen maken ook logische modularisering mogelijk voor bijvoorbeeld een aandrijfsysteem. Een enkele aandrijfas wordt bij Profinet IO als module voorgesteld. In deze modules zijn verschillende submodules te steken. De submodules definiëren hierbij de procesdatainterface naar de IO-controller, respectievelijk kruisverkeer. U heeft hiermede providerconsumer kwaliteit. Voor meerassige systemen, die over een gemeenschappelijke Profinet IO-interface beschikken, biedt het profiel de mogelijkheid om in een IO-device meerdere modules te steken. Ook hierbij stelt steeds elke module een as voor. Slot 0 is als Device Access Point (DAP) ontwikkeld en stelt in principe het IO-device zelf voor. De projectie Overeenkomstig als bij Profibus DP is voor elk IO-device een GSD (General Station Description) beschikbaar op basis van een XML-schema GSDML waarmee het apparaat in de IO-controller kan worden geprojecteerd. Deze GSD bevat alle IO-device specifieke beschrijvingselementen en maakt een 24
eenvoudige projectering mogelijk. Deze projectiegegevens worden samen met de netconfiguratie in de IO-controller geladen, zodat deze bij het opstarten van het Profinet IO-systeem de communicatie kan opbouwen en de cyclische data-uitwisseling kan starten met de IO-devices. IO-device Als IO-device wordt alle veldapparatuur aangeduid aan Profinet IO die door een IO-controller worden aangestuurd, zoals bijvoorbeeld I/O s, aandrijvingen of ventieleilanden. IO-devices zijn zodoende vergelijkbaar met Profibus DP slave deelnemers. IO-supervisor Als IO-supervisor worden programmeerapparaten/pc s met bijbehorende engineering/ diagnosetools bedoeld. De IO-supervisor heeft toegang tot proces- en parameterdata evenals alarm- en diagnose-informatie. Het communicatiemodel Het communicatiemodel van Profinet IO is, kort samengevat, gebaseerd op de jarenlange ervaring met Profibus DPV1. Het masterslave principe wordt op een provider-consumer model afgebeeld. Voor de data-overdracht tussen IO-controllers en IO-devices dienen verschillende communicatiekanalen. De overdracht van cyclische I/O-data, alsook de event gestuurde alarmen, geschieden over het real-time kanaal. Voor parametrering, configuratie en diagnose-informatie wordt gebruikgemaakt van het standaard kanaal op basis van UDP/IP. Het profiel Als profiel (zie afbeelding op pag. 24) wordt de van Profibus DP bekende zienswijze van decentrale periferie uitgebreid. Het is gebaseerd op slot- en subslotmechanismen, waarmee zich modulaire apparaten met steekplaatsen voor modules en submodules laten realiseren. Modules worden daarbij door het slot en submodules door het subslot vertegenwoordigd. Deze mechanismen maken ook logische modularisering mogelijk voor bijvoorbeeld een aandrijfsysteem. Een enkele aandrijfas wordt bij Profinet IO als module voorgesteld. In deze modules zijn verschillende submodules te steken. De submodules definiëren hierbij de procesdatainterface naar de IO-controller, respectievelijk kruisverkeer. U heeft hiermede providerconsumer kwaliteit. Voor meerassige systemen, die over een gemeenschappelijke Profinet IO-interface beschikken, biedt het profiel de mogelijkheid om in een IO-device meerdere modules te steken. Ook hierbij stelt steeds elke module een as voor. Slot 0 is als Device Access Point (DAP) ontwikkeld en stelt in principe het IO-device zelf voor. De projectie Overeenkomstig als bij Profibus DP is voor elk IO-device een GSD (General Station Description) beschikbaar op basis van een XML-schema GSDML waarmee het apparaat in de IO-controller kan worden geprojecteerd. Deze GSD bevat alle IO-device specifieke beschrijvingselementen en maakt een eenvoudige projectering mogelijk. Deze projectiegegevens worden samen met de netconfiguratie in de IO-controller geladen, zodat deze bij het opstarten van het Profinet IO-systeem de communicatie kan opbouwen en de cyclische data-uitwisseling kan starten met de IO-devices. De aandrijving aan Profinet IO De afbeelding toont de communicatielijnen waarmee binnen een Profinet IO-systeem met een applicatieregelaar van het type MOVIDRI- VE(r)-B als IO-device kan worden gecommuniceerd. De IO-controller neemt bij het opstarten van het Profinet IO-systeem de configuratie van de applicatieregelaars voor zijn rekening en brengt de cyclische I/O-datacommunicatie tot stand. Gelijktijdig worden over dit kanaal de alarm- en diagnosefuncties aan de IO-controller gemeld en de acyclische toegang tot de parameters gerealiseerd. In tegenstelling tot Profibus DP kan een IOdevice volgens specificatie ook door meerdere IO-controllers tegelijkertijd worden bediend. Het datakruisverkeer tussen IO-devices wordt door de betreffende configuratie van provider/consumer submodules gerealiseerd. De IO-supervisor neemt de projectie van het gehele systeem over en is verantwoordelijk voor de diagnose en up- en downloaden van de projectiedata van de IO-controllers. De IO-supervisor heeft toegang tot de alarm- en diagnoseinformatie zoals parameters van de applicatieregelaar. Engineering tools, zoals bijvoorbeeld MOVITOOLS(r) van SEW, kunnen via de standaard TCP/IP verbinding van de IPsupervisor pc s met de applicatieregelaars communiceren. Ook op pc s met standaard Ethernet interface zonder IO-supervisor functie kunnen de engineeringtools respectievelijk Internet Explorer voor het bekijken van de webpagina s van de applicatieregelaar worden gebruikt. Via proxy-concepten zijn ook bestaande automatiseringscomponenten met Interbus of Profibus interface integreerbaar in Profinet IO. 25
Totdat een groot aantal van de vandaag de dag verkrijgbare automatiseringscomponenten voor Profibus en Interbus ook voor Profinet IO inzetbaar zijn, zal het in veel toepassingen combinaties van Profinet IO en Profibus respectievelijk Interbus betreffen. Voor de integratie van veldbussystemen in Profinet IO worden de uit Internet bekende proxy -concepten ingezet. Deze gateways hebben een plaatsvervangende functie en integreren de op de onderste lagen van de veldbus aangesloten deelnemers in het bovengelegen Profinet IO-systeem. De veldapparatuur wordt via gevestigde mechanismen zoals GSD-files voor Profibus DP, of een deelnemersbeschrijving voor Interbus, of via de mogelijkheden van GSDML in de Profinet IO engineering, gedefinieerd. De systeemdefinitie van de veldbusdeelnemers van deze Proy-gateways worden via Profinet IO in de systeemdefinitie van de besturing overgedragen. Aandrijfsystemen, zoals bijvoorbeeld de applicatieregelaars van de MOVIDRIVE(r) B serie van SEW-EURODRIVE, die zowel via Interbus en Profibus en binnenkort ook via Profinet IO aan te sturen zijn, ondersteunen dit meerfasige implementatieconcept. Omdat het profiel van de applicatieregelaar voor alle bussystemen hetzelfde wordt afgebeeld, is een nieuwe functiebouwsteen niet noodzakelijk voor de aansturing van de aandrijving, die of direct via Profinet IO of via overeenkomstige Proxy-gateways met Interbus of Profibus DP communiceren. v www.vector.nu w info@vector.nu S +31 (0)10 446 38 95 Dit artikel verscheen eerder in de jongste novembereditie van Computer & AUTOMA- TION (WEKA Fachzeitschriften-Verlag, Poing (D)). Raphael Dunker is hoofd systeemtechnologie bussystemen bij de elektronica-ontwikkeling van SEW-EURO- DRIVE. Manfred Gaul is productmanager elektronica bij SEW-EURODRIVE. De vertaling is verzorgd door Willem Jan van Gulik, projectingenieur bij Vector Aandrijftechniek. 26