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EF 2015

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Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2015

Kommunikation/Steuer-

Kommunikation/Steuer- und Datentechnik Skalierbarkeit mit EtherCAT Bewährte Perspektive nach vorne Die stetig steigenden Anforderungen in der flexiblen Automatisierungstechnik können heute nur noch PC-gestützt umgesetzt werden. Als bevorzugtes Betriebssystem setzt Windows dabei ein leistungsfähiges Echtzeitsystem voraus, um auch industrielle Standards erfüllen zu können. Im Folgenden sollen anhand des Ether- CAT Masters der Kithara »RealTime Suite« die umfassenden Möglichkeiten der Skalierbarkeit von Ether- CAT-Lösungen beleuchtet werden. Schon heute sind viele automatisierte Anlagen technologisch wegweisende Projekte, mit denen Autoren: Martin Ebert (links) und Uwe Jesgarz, Geschäftsführer der Kithara GmbH mechanische und informationstechnische Vorgänge hochgradig effizient, sicher und qualitätsoptimiert durchgeführt werden können, und doch steigen Automatisierungsgrad und Leistungspotential stetig weiter. In den vergangenen Jahren hat bei den verwendeten Bussystemen vor allem die schnelle, offene und kostengünstig anwendbare Industrial-Ethernet-Variante Ether- CAT große Sprünge bei der Weiterentwicklung gemacht und rasanten Zulauf bekommen, da sie nicht nur gegenwärtige Bedürfnisse optimal erfüllt, sondern durch hohe Skalierbarkeit bereits auf künftige Anforderungen vorbereitet ist. Die Echtzeitfähigkeit von EtherCAT ist hierbei besonders relevant, da sich in der Industrie, vor allem für zeitkritische Anwendungen, ein explosionsartiger Bedarf nach leistungsstarken Echtzeitsystemen entwickelt hat. Um die Wettbewerbsfähigkeit, beispielsweise von automatisierten Produktionsanlagen, auch in Zukunft zu erhalten, muss neben der erbrachten Leistung zudem fortan noch schneller auf Änderungen des Marktes sowie auf individuelle Kundenbedürfnisse eingegangen werden, womit Anpassungsfähigkeit und Modularität von Ether- CAT eine zentrale Rolle einnehmen. Allgemein zusammengefasst sind diese Anforderungen und deren Lösungsansätze bekanntermaßen im Konzept Industrie 4.0 formuliert, welches die Umsetzung unabhängig funktionierender Fabriken verfolgt, die mit Anbindung an erweiterte Informationssysteme eigenständig auf sich ändernde Bedingungen reagieren. Weiterhin nach oben skalierbar Allein durch eine Vielzahl verwendbarer Softwareprotokolle und Hardwarekomponenten, welche einzeln optimal auf individuelle Funktionen spezialisiert sind, (z.B. digitale oder analoge I/O-Klemmen, Servo- Verstärker, etc.) vereint EtherCAT bereits einen hohen Grad an Flexibilität und Spezialisierung. Das Zugriffsverfahren der EtherCAT- Komponenten funktioniert, wie bei vielen anderen verbreiteten Bussystemen, nach dem Master/Slave- Prinzip. Bei EtherCAT-Netzwerken wird dabei ein PC-basierter Master eingesetzt, der mit den verschiedenen Hardware-Slaves per Standard Ethernet Frame kommuniziert, wobei Informationen bereits während des Zyklus-Durchlaufs ausgetauscht und verarbeitet werden. Durch die von Ethernet bekannte Voll-Duplex-Kommunikation sind fast alle Topologien (Linie, Baum, Ring, Stern) einsetzbar und können somit auf die meisten Aufgaben und Projekte individuell angepasst werden. Zudem sind individuelle Maschinensegmente innerhalb eines EtherCAT-Systems dank Hot- Connect-Feature modular einsetzbar, um Zeiten für Wartung, Austausch und Inbetriebnahme zu minimieren. Trotz dieser universellen Anwendbarkeit und Flexibilität existieren bereits verschiedene Ansätze zur fortgeschrittenen inneren und äußeren topologischen Erweiterung, die darauf abzielen, EtherCAT-Lösungen auch darüber hinaus adaptiv und zugänglich für neue Funktionen zu machen. Zum einen eröffnet der Einsatz von PCs als EtherCAT-Slaves das Potential zur erhöhten Skalierbarkeit und zur verbesserten Gliederung von EtherCAT-Topologien. Zum anderen erlaubt die Verwendung des EtherCAT Automation Protocol (EAP) die vertikale Integration höherer Unternehmensebenen in den Automatisierungsprozess und kommt damit einer vollständigen dezentralen Anlagenvernetzung einen Schritt näher. Topologien öffnen durch flexible EtherCAT-Schnittstellen Wie bei den meisten Feldbussen sind auch EtherCAT-Slaves klassischerweise spezielle Hardware-Klemmen, die zwar, wie erwähnt, hochspezialisiert sind, jedoch ohne erweiterte graphische Oberfläche oder einfache Eingabemöglichkeiten auskommen müssen. Unter Verwendung von PCIe- EtherCAT-Slave-Karten der Hersteller Beckhoff oder ESD können jedoch selbst handelsübliche PCs als Slaves in eine EtherCAT-Topologie integriert werden, wobei die bekannten Vorteile von EtherCAT, wie Übertragungsraten von bis zu 100 MBit/s und Kabellängen bis zu 100 m, erhalten bleiben. Die Karten besitzen einen EtherCAT-Kanal mit 6 Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2015

Kommunikation/Steuer- und Datentechnik jeweils einem RJ45-Input- und -Output-Port, werden im flexibel programmierbaren Slave Stack Code ET9300 unterstützt und können mit den bekannten EtherCAT-Protokollen (z.B. CoE, EoE, FoE, AoE) verwendet werden. Es ist also festzuhalten, dass PC-basierte EtherCAT- Slaves vollwertige EtherCAT-Komponenten sind, die sich, genau wie klassische Hardware-Slaves, nahtlos in das System integrieren lassen. Wo genau aber liegt nun der Mehrwert dieser Alternative und was sind konkrete Anwendungsmöglichkeiten? Die Vorteile PC-gestützter Ether- CAT-Slaves begründen sich auf die Bedienungsfreundlichkeit von PCs selber: Durch den simplen Anschluss eines Bildschirms und Eingabegeräten im System wird eine hochflexible Benutzerschnittstelle geschaffen, mit der Daten anschaulicher ausgewertet und zielgerichteter verarbeitet werden können. EtherCAT-PC- Slaves sind so auf eine Vielzahl von gesonderten Aufgaben spezialisierbar. Beispielsweise wird mit einem PC natürlich auch zusätzliche Rechenleistung zur Verfügung gestellt, die für anspruchsvolle Applikationen ausgelagert werden kann und je nach konkreter Leistungsanforderung individuell skalierbar ist. Darüber hinaus eignen sich PC-Slaves besonders zur erweiterten hierarchischen Staffelung von Ether- CAT-Netzwerken. So bilden sich Untergruppen für spezielle Aufgabenbereiche heraus, indem komplexe Baum-Topologien entstehen, bei denen, über die Master-Seite hinaus, auch slave-seitig kritische Knotenpunkte PC-basiert operieren. Gerade für Aufgaben künftiger technologischer Konzepte, wie sie schon im Industrie-4.0-Projekt benannt werden, sind PC-Slaves so bereits optimal geeignet, da die quantitative sowie qualitative Erweiterung der entstandenen Schnittstellen innerhalb des Netzwerks auch die Anbindung an hochentwickelte Informationsstrukturen überhaupt erst ermöglicht. Hierdurch wird schon jetzt die Grundlage für cyberphysische Systeme gelegt, welche in Verbindung mit einem Echtzeitsystem anspruchsvolle Aufgaben wie schnelle und autonome Selbstanalyse und -optimierung erfüllen können. Die Skalierbarkeit von PC- Slaves ermöglicht so die Modernisierung vorhandener EtherCAT- Anwendungen, ohne das gesamte Netzwerk komplett neu konzipieren zu müssen. Abteilungen und Segmente wachsen zusammen Wo PC-Slaves die horizontale wie auch vertikale Skalierbarkeit in der Feldebene erhöhen, besteht für die Umsetzung cyberphysischer Systeme natürlich auch der Bedarf zur ebenenübergreifenden Vernetzung von automatisierten Anlagen, um nahezu alle relevanten Teilfunktionen und Abteilungen in den Gesamtprozess einzubeziehen. Die hierfür notwendige Ausweitung der vertikalen Integration wird dabei mit dem EtherCAT Automation Protocol realisiert, welches verschiedene Dienste und Protokolle zum gleichberechtigten Austausch von Variablen und Daten für Betriebsleit-, Prozessleit- und Steuerungsebene mit der Feldebene bereitstellt. Über zyklische Prozessdaten-Kommunikation, azyklische Mailbox-Kommunikation, per Routing-Verfahren oder sogar durch Übertragung ganzer Dateien können Geräte und ganze Segmente gleicher und verschiedener Ebenen, welche sonst unabhängig voneinander agieren, Daten untereinander transferieren. Auf diese Weise wird einerseits die Anbindung der Feldebene an übergeordnete Produktionsleit- (MES) und selbst Produktionsplanungssysteme (ERP) umgesetzt, zudem aber auch Master/Master-Kommunikation ermöglicht. Das Ergebnis ist bereits heute eine weitläufige und nahtlose Vernetzung mit Echtzeitfähigkeit, bei der Informationen mit hohen Übertragungsraten auf Ethernet-Basis transferiert werden. Die Anwendungsschnittstellen von EAP (z.B. PDO, SDO, CoE, FoE) sind dabei eine Teilmenge des EtherCAT Master-Protokolls, bieten also den gleichen Grad an Flexibilität und Effizienz. Auch die Implementierung des EAP mit der Echtzeitplattform »RealTime Suite« von Kithara Software ist nahezu identisch mit deren weit verbreitetem EtherCAT Master. Eine Besonderheit dieser Master- Stack-Software liegt in eigens entwickelten Netzwerkkartentreibern, mit denen Echtzeiteigenschaften bei Übertragungsraten von bis zu 10 GBit/s auch für das EAP bereitgestellt werden. Gerade für Entwickler stellt die offene Funktionsstruktur zudem eine effektive Möglichkeit zur flexiblen Umsetzung EAPgestützter Lösungen dar. Echtzeitfähige Rechner-zu-Rechner-Kommunikation ist so kaum noch einfacher oder komfortabler zu realisieren. Der praktische Nutzen für die Verwendung des EAP besteht z.B. in der Möglichkeit zur externen Analyse und Diagnose von Aktorenund Sensorengruppen durch Visualisierung sowie zur Konfiguration und Fernwartung von Teilsystemen. Somit können komplett automatisierte Anlagen ortsungebunden und dezentral, selbst über Mobile Devices, mit geringem Aufwand gesteuert, ausgewertet und überwacht werden. Auch die Verknüpfung von automatisierten Anlagen mit externen Abteilungen und Strukturen wie Vertriebs- und Logistikzentren bis hin zu ausgedehnten Informationsnetzen wie das Internet sind dadurch realisierbar. Es ist zu erkennen, dass für viele Konzepte, welche durch das Industrie 4.0-Projekt definiert sind, mit dem EAP nicht nur der Grundstein gelegt ist, sondern dass diese Technologie schon heute rentabel eingesetzt werden kann. Durch die Maximierung der Kommunikation von Geräten und Systemen untereinander, deren aufeinander abgestimmten, synchronisierten Arbeitsabläufe sowie der Zugriff von höheren Ebenen aus kann mit dem EAP ein Höchstgrad an Effizienz und Anpassungsfähigkeit aller betroffenen Abteilungen erreicht werden. Die gesamte Unternehmensstruktur wird so einerseits nach innen verstärkt, andererseits aber auch nach außen hin gegenüber Kunden und Partnern geöffnet, wodurch noch schneller und zielorientierter auf interne wie externe Einflüsse, Nachfragen und sich ändernde Anforderungen reagiert werden kann. Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2015 7

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