Ethernet-Powerlink-Router sorgt für Transparenz und Durchgängigkeit

Redakteur: Reinhard Kluger

Ein Industrial-Ethernet-System, das sich bereits vielfach in der Praxis bewährt hat, ist Ethernet Powerlink. Für die nahtlose Integration von Ethernet Powerlink in übergeordnete Ethernet-TCP/IP-Netzwerke sorgt ein entsprechender Router.

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Ethernet Powerlink ist eine Protokollerweiterung zum Ethernet-Standard nach IEEE 802.3, um Echtzeitdaten im Mikrosekundenbereich zu übertragen. Es wurde mit Rücksicht auf Standard-Konformität entwickelt und erweitert Ethernet durch einen gemischten Polling- und Zeitscheibenmechanismus. Damit erreicht man die garantierte Übertragung von zeitkritischen Daten in kurzen isochronen Zyklen mit konfigurierbarem Zeitverhalten sowie die zeitliche Synchronisation aller Netzwerkknoten im Sub-Mikrosekundenbereich. Die Übertragung des weniger zeitkritischen Datenaufkommens verläuft im reservierten asynchronen Kanal. Aktuelle Implementierungen von Ethernet Powerlink erreichen Zykluszeiten von unter 200 μs und eine zeitliche Präzision (Jitter) von kleiner als 1 μs.

Nahtlose Integration in der Fabrik

Damit die Echtzeit garantiert wird, müssen Kollisionen auf dem Ethernet vermieden werden. Dazu wird die Datenübertragung durch einen speziellen Knoten, dem „Managing Node“ (MN), gesteuert. Die anderen Geräte, die sogenannten „Controlled Nodes“ (CN), dürfen nur senden, wenn sie durch den MN dazu aufgefordert werden. Jeder Zyklus beginnt mit einem speziellem Telegramm, dem „Start of Cyclic“ (SoC). Danach wird jeder Knoten vom MN mit einem „Poll Request“ (PReq) abgefragt, worauf der CN mit einer „Poll Response“ (PRes) antwortet. Die PRes werden per Ethernet-Multicast gesendet, so können alle anderen die Antwort mithören. Ein Querverkehr ist zwischen den CNs möglich. Es muss nicht jedes Gerät in jedem Zyklus abgefragt werden. Telegramme können per PDO und SDO übertragen werden.

Das ursprünglich von B&R entwickelte EPL wurde 2001 offen gelegt und in die Anwender- und Anbietergruppe EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group) eingebracht. Dort wird es als offener Standard weiterentwickelt und spezifiziert. Es befindet sich seit 2003 im Serieneinsatz. Weltweit bei tausenden Endkunden sind derzeit bereits mehr als 210.000 Knoten in mehr als 28.000 Maschinen installiert. Über 200 Maschinenbauer setzen auf Ethernet Powerlink. In Kürze wird EPL Bestandteil der Normen IEC 61748-2 und IEC 61158 sein. Die ursprüngliche physikalische Ebene ist 100Base-X Fast Ethernet (IEEE 800.3). Seit Ende 2006 unterstützt Ethernet Powerlink mit Gigabit Ethernet eine zehnmal höhere Übertragungsrate (1000 Mbit/s). Die Migration auf Gbit-Ethernet stellt kein Problem dar – Ethernet Powerlink benötigt keine proprietären ASICs. Ethernet Powerlink kommt überwiegend dort zum Einsatz, wo schnelle Maschinenkommunikation erforderlich ist. Es eignet sich für alle kritischen regelungstechnischen Anforderungen. Als übergeordnetes Fabriknetz wird meistens Ethernet TCP/IP verwendet. Da Powerlink auch die weniger zeitkritische asynchrone Übertragung zusätzlicher Informationen zulässt, liegt es nahe, es auch für die Informationsübertragung zum Beispiel für Diagnose- und Parametrierungszwecke zu nutzen. So benötigt der Maschinenbauer nur ein Kommunikationsmedium, basierend auf Standard-Komponenten.

Industriegerechter Router für die Fabrik

Um ein Ethernet-Powerlink-Segment innerhalb einer Maschine nahtlos in das Fabriknetz integrieren und somit von einer entfernten Station transparent auf die Echtzeitsteuerungen mit Ethernet Powerlink zugreifen zu können, wurde der Powerlink-Router von Deutschmann Automation entwickelt. Er ist damit ein wichtiger Baustein, um komplette Durchgängigkeit auf Basis von Ethernet zu schaffen.

Der Powerlink-Router ist mit zwei Ethernet-Ports ausgestattet und verbindet zwei Netzwerke auf IP-Ebene. Dazu benötigt er zwei IEEE-802.3-konforme Netzwerkzugänge. Der Echtzeit-Port wird mit einem Ethernet-Powerlink-Segment verbunden. Der zweite Port ist die Schnittstelle zu einem IP-Netzwerk, dem sogenannten generischen oder legacy Ethernet. Auf der Powerlink-Seite verhält sich der Router wie jeder andere Powerlink-Teilnehmer und hat das Kommunikationsprofil für einen Controlled Node (CN) implementiert. Der Router arbeitet mit dem 4NetOS-Betriebssystem von SND und dem EPL V2.0 Protokollstack. Über eine integrierte HTML-Seite lässt sich über jeden Webbrowser das NAT-Routing einstellen. Mit der „Powerlink Device Monitor“-Software von port wird der Router zu einem leistungsfähigen Managing Node, mit dem man Konfigurationsaufgaben am Netzwerk oder den CNs komfortabel durchführen kann. Das Konfigurationswerkzeug besitzt eine ausgezeichnete graphische Bedienerführung und ist darüber hinaus programmierbar.

Das Modul lässt sich einfach in jeden Schaltschrank unterbringen: Dafür sorgen die kompakten Abmessungen von 23 mm x 115 mm x 100 mm (b x t x h), die DC-24-V-Versorgung und die einfache Montage auf DIN-Hutschienen. Der Router hat eine integrierte Erdung und hat eine typische Stromaufnahme von 120 mA. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 0 °C und +55 °C.

Speziell zur Anlagendiagnose kann der Powerlink-Router mit einer anderen Firmware, zusammen mit dem EPL-REport der port GmbH, zum Einsatz kommen. In dieser Betriebsart wird das Powerlink-Netzwerk nicht beeinflusst, es werden wichtige Kennwerte, vor allem Zeiten, erfasst, statistisch aufbereitet und angezeigt. Dadurch wird die im Powerlink Protokoll schon vorgesehene Selbstdiagnose im Sinne der Anlagensicherheit wirksam erweitert.

Michael M. Reiter, Geschäftsführender Gesellschafter der Deutschmann Automation:

„Die Anwendungsmöglichkeiten des Powerlink-Routers sind vielfältig. Zum Beispiel lässt sich mit dem Router ein Ethernet-Powerlink-Netzwerk in ein Intranet oder in das Internet integrieren. Auf Powerlink-Geräte kann so von jedem PC im Büro zugegriffen werden. Der PC kommuniziert mit beliebigen Powerlink-Knoten über TCP/IP (ping, HTTP, FTP usw.), ohne den Echtzeit-Zyklus zu stören. Damit lassen sich einfach Fernwartungskonzepte für die mit Ethernet Powerlink ausgerüsteten Maschinen umsetzen.“

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