POWERLINK im Detail

Topologie

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Ethernet – folglich von POWERLINK– ist die hundertprozentige Freiheit bei der Wahl der Netzwerktopologie. Stern-, Baum-, Bus- oder Ringstrukturen sowie beliebige Kombinationen dieser Topologien sind ohne Konfiguration im Netzwerk möglich. Außerdem gibt es keine Abhängigkeiten zwischen logischen Verknüpfungen in der Applikation und dem physikalischen Aufbau. Änderungen am Netzwerk, auch im laufenden Betrieb, können jederzeit und auf jede Weise implementiert werden, ohne die Applikation zu beeinflussen.

Eindeutige Adressierung

Knotenschalter am Gerät ermöglichen eine manuelle Konfiguration der eindeutigen Adressen. Diese gewährleistet eine transparente Zuweisung der IP-Adressen und eine einfache Softwarekonfiguration bei der Einrichtung eines Netzwerks. Speziell für eine rasche Erweiterung modularer Maschinen ist diese Methode der Adressierung ein wesentlicher Vorteil.

Hot Plugging

Hot Plugging bezeichnet das Verbinden oder Trennen von Netzwerk-Teilnehmern im laufenden Betrieb. Es erfolgt ohne Neustart jeglicher Komponenten und beeinträchtigt die Netzwerkfunktionen nicht.

POWERLINK bietet uneingeschränktes Hot Plugging. Jegliche Erweiterungen bzw. der Austausch von Komponenten beeinträchtigen das Echtzeit-Verhalten nicht. Ein Neustart des Systems ist daher nicht erforderlich. Das ermöglicht Anwendern den Austausch von Sensoren oder das Hinzufügen mechatronischer Einheiten, ohne das Netzwerkherunter zu fahren. Eine grundlegende Voraussetzung für den Einsatz in der Prozessindustrie und in modularen Maschinen und Anlagen.

Asynchrone Daten

Auf die isochrone Phase des POWERLINK-Zyklus für die Übertragung zeitkritischer Nutzdaten folgt die asynchrone Phase. Sie vervollständigt den Zyklus. In dieser Phase lassen sich nicht-zeitkritische Datenpakete in Standard-Ethernet-Frames übertragen. Während der asynchronen Phase kann jede Art von Daten übertragen werden, z.B. Servicedatenobjekte (SDO) für die Gerätekonfiguration und Diagnose, Anwendungsdaten wie die Aufzeichnungen einer Überwachungskameraund sogar Protokolle wie TCP/IP für die Konfiguration oder Wartung von Geräten über Webbrowser. So lassen sich auch nicht-echtzeitfähige Teilnehmer in das Netzwerk integrieren und mit anderen Komponenten mit Feldbusschnittstellen oder Anlagenabschnitten anschließen. Über ein Gateway mit einem POWERLINK-Knoten verbunden, sendet der Teilnehmer seine ‚fremdsprachigen‘ Feldbus-Daten in der asynchronen Phase des POWERLINK-Zyklus mit. Diese Datenübertragung ist eine entscheidende Voraussetzung für Hot Plugging. Neue oder getauschte Geräte werden während der asynchronen Phase identifiziert, indem ihre Daten an den Managing Node gesendet werden.

Direkter Querverkehr

Bei Ethernet – und damit auch bei POWERLINK – funktioniert die Kommunikation nach dem Broadcast-Prinzip: Jeder Teilnehmer hat die Freiheit, seine eigenen Daten in das Netz zu senden und jeder andere Knoten kann die Mitteilungen empfangen. Die Teilnehmer erkennen anhand der Zieladresse in den Datenpaketen, ob die Daten für sie bestimmt sind. Dieses Übertragungsprinzip ermöglicht den direkten Querverkehr zwischen Controllern, ohne dass die Kommunikation über den Master oder einen Managing Node geleitet werden muss. In synchronisierten Produktionssegmenten ermöglicht dieses Feature zum Beispiel die Synchronisierung der Drehgeber mit einem Leitgeber (in allen Antrieben). Für dezentrale Safety-Architekturen ist direkter Querverkehr zwischen den Sicherheitskomponenten eine Grundvoraussetzung. Die Vorteile sind zahlreich: Zeitersparnis, vereinfachte Systeme und eine Entlastung der Steuerung, die in vielen Bereichen eine Verwendung preisgünstigerer Steuerungshardware ermöglicht.

Das Mulitiplex-Verfahren

Das Multiplex-Verfahren optimiert die Nutzung der Bandbreite in der isochronen Phase. Da sich die Anforderungen an die Daten-Abfrageintervalle von Applikation zu Applikation unterscheiden, müssen nicht alle Controlled Nodes in jedem Zyklus abgefragt werden. Während beispielsweise viele Anwendungen der Antriebstechnik die Antriebe mit Information versorgen und Rückmeldungen in jedem Zyklus abfragen müssen, müssen Sensordaten für die Temperaturmessung lediglich in jedem dritten Zyklen abgefragt werden.

Mit dem Multiplex-Verfahren teilen sich Controlled Nodes mit Daten niedriger Priorität ein Zeitfenster innerhalb der isochronen Übertragungsphase. Sie wechseln sich ab, sodass ein Gerät den ersten, ein weiteres Gerät den zweiten und ein nächstes Gerät den dritten Zyklus (in jedem dritten Zyklus) zur Übertragung der jeweiligen Daten nutzt. Dazu vergibt und verwaltet der MN gemeinsam genutzte Zeitschlitze für diese Knoten-Gruppen.

Poll Respones-Verkettung

Das POWERLINK-Protokoll bietet die Möglichkeit des „Poll Response Chaining“.

Statt die CN mittels PReq-Frames nacheinander abzufragen, werden durch den als Multicast gesendeten PResMN-Frame alle MN zugleich abgefragt. Das erhöht die Performance, wenn zahlreiche Knoten mit einemgeringen Prozessdaten-Aufkommen angeschlossen sind.

Dieses Feature eignet sich optimal für zentrale Regelfunktionen, etwa in Roboteranwendungen mit einem zentralen geschlossenen Geschwindigkeits- oder Stromregelkreis.

Redundanz

Mit POWERLINK lassen sich mehrere Arten der Redundanz realisieren, darunter die Ring-, Medien- und Masterredundanz.

Ringredundanz

Die klassische Ringredundanz ist eine einfache und wirtschaftliche Vernetzungsmöglichkeit für den Maschinenbau. Die Teilnehmer werden ringförmig angeschlossen und die beiden Enden der Datenleitung mit der Steuerung verbunden. Ein einziges zusätzliches Kabel genügt, um aus einer Linie einen Ring zu machen, sofern die Steuerung über zwei Schnittstellen verfügt, die sie redundant bedienen kann. Wird ein Leitungsausfallerkannt, erfolgt die Umschaltung von der ausgefallenen auf die redundante Datenleitung innerhalb eines einzigen Zyklus. Diese Art der Redundanz kommt meist bei Lösungen zum Einsatz, die starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

Vollständige Medienredundanz

Kritische Systeme erfordern höchste Verfügbarkeit, einschließlich einer vollständigen Medienredundanz.

Bei POWERLINK wird diese vollständige Medienredundanz durch Verwendung zweierunterschiedlicher physikalischer Netzwerke erreicht. Identische redundante Daten werden zeitgleich über beide Netzwerkeübertragen. Im Fall eines Netzwerkausfalls erfolgt die Umschaltung ohne Verzögerung und ohne Stillstand oder Neukonfiguration. Jeder Knoten ist über einen Link-Selector an beide physikalischen Netze angeschlossen.

Masterredundanz

Eine weitere Redundanzvariante ist die vollständige Master- bzw. Managing Node-Redundanz. Diese spielt eine wichtige Rolle in Hochverfügbarkeitssystemen und wird beispielsweise in der Prozessindustrie für Energiesysteme eingesetzt. Bei der Master-Redundanz stehen zwei oder mehr redundante Managing Nodes am Kopf der Netzwerkhierarchie. Nur einer davon dient als aktiver Managing Node, der oder die andere(n) laufen im Hot Standby-Betrieb und verhalten sich aus der Sicht des aktiven Managing Nodes wie Controlled Nodes. Der einzige Unterschied zwischen einem Standby-MN und einem CN besteht darin, dass der Standby-MN kontinuierlich alle Netzwerk- bzw. CN-Funktionen überwacht, sodass er jederzeit ohne neuerliches Booten die Funktion des aktiven MN übernehmen kann. Im Ernstfall wird die vom MN reservierte POWERLINK Node-ID 240 an den nächstgelegenen redundanten MN weitergegeben. Diese Art der Redundanz eignet sich für unterschiedlichste Topologien. Alle grundlegenden Eigenschaften von POWERLINK wie minimale Reaktionszeiten, Echtzeit-Synchronisation, hohe Übertragungsbandbreite und einfache Diagnose bleiben vollständig erhalten.

Elektromagnetische Unempfindlichkeit

Neue Maschinen enthalten zahllose Leistungselektronik-Bauteile. Diese sind nicht nur leistungsstark, sondern auch eine Quelle breitbandiger elektromagnetischer Störungen. Im selben Ausmaß, wie Industrial Ethernet-Netzwerke ein integraler Bestandteil von Maschinen und Industrieanlagen werden, kann die Nähe zwischen Leistungselektronik und Netzwerkleitungen Probleme verursachen, die nur mit robuster Kommunikationstechnologie zu lösen sind. Als Nervensystem der Maschine ist das Kommunikationssystem wesentlich für einen korrekten Betrieb. Daher ist für Maschinenbauer ein Netzwerk mit hoher EMV-Unempfindlichkeit ein entscheidendes Kriterium. Theoretische Studien, die im Industrial Ethernet Book veröffentlicht wurden, zeigen, dass POWERLINK ein exzellente Robustheit gegenüber EMV-Störungen aufweist. Zahlreiche Berichte aus dem Feld verifizieren die Ergebnisse der Studien.

Diagnose

In der Systemdiagnose bietet POWERLINK Anwendern zahlreiche Vorteile, indem beispielsweise das Einzeltelegramm-Verfahren zur Datenübertragung angewendet wird. Die eindeutige Knotenadressierung und die Verfügbarkeit sämtlicher Daten im gesamten Netzwerk gewährleisten eine transparente Diagnose in POWERLINK-Netzwerken.

Das erlaubt die Verwendung beliebiger Ethernet-kompatibler Diagnosetools. Zudem stellt POWERLINK durch seine Kommunikationsstruktur eine ausschließlich für Diagnosezwecke reservierte Bandbreite zur Verfügung und sichert damit volle Servicefunktionalität mit höchster Performance - auch während des Betriebs.