ENGINEERINGNET.BE -- De verschillende merken en versies maken tevens gebruik van prestatiecijfers om beslissingen in hun voordeel te laten uitvallen. Aangezien de diverse systemen substantieel verschillende benaderingen hebben bij deterministisch realtime gedrag, zijn deze cijfers moeilijk met elkaar te vergelijken. Ze moeten met een korrel zout worden genomen. Hieronder volgen enkele aandachtspunten om in overweging te nemen voor het nemen van een beslissing.
Geen enkele visvrouw heeft ooit geroepen “Stinkende vis!”. Het moge duidelijk zijn dat leveranciers en begunstigers van de diverse industriële ethernetprotocollen, die momenteel op de markt zijn, cijfers laten zien die een gunstig licht werpen op hun eigen systeembenadering.
Dit doet menig gebruiker en integrator duizelen, omdat de verschillende invalshoeken die worden gebruikt, het moeilijk maken om prestatie en andere aspecten van de verschillende protocollen op zinvolle wijze met elkaar te vergelijken. Een van de duidelijkste voorbeelden is snelheid. De meeste oudere engineers kunnen zich de situatie in de tweede helft van de jaren tachtig waarschijnlijk nog wel herinneren, toen ethernet terrein won in de kantoorwereld doordat de grotere communicatiebandbreedte werd gepromoot.
Hoewel deze tienmaal zo groot was als die van concurrent ARCnet, was de gegevensdoorvoer ongeveer gelijk en had ethernet het nadeel dat onregelmatige schommelingen konden optreden door een nogal ingewikkelde ‘collision handling procedure’.
Ethernet
Ethernet heeft duidelijk de oorlog gewonnen en domineert nu al ruwweg 25 jaar het verkeer van kantoorgegevens. Rond de wisseling van het millennium waren leveranciers van automatiseringsuitrustingen voor de industrie op zoek naar een krachtiger en flexibeler alternatief voor de vroegere veldbustechnologie.
Om realtime prestatie te bereiken moest de netwerkstandaard echter worden aangepast. Harde, realtime overdrachtstijden van signalen moeten namelijk nauwgezet een bepaald tijdschema volgen, anders wordt een storingssignaal gegenereerd. Voor zachte realtime is enige afwijking binnen een beperkte tijdspanne toelaatbaar.
Waar cyclustijden van maximaal een paar honderd milliseconden goed genoeg zijn voor zachte realtime toepassingen, bijvoorbeeld voor temperatuurbewaking, zijn voor digitale controlesystemen of toepassingen voor bewegingscontrole vaak cyclustijden van minder dan één milliseconde nodig.
Het gebruik van standaard TCP/IP of soortgelijke protocollen was daarom uitgesloten. Sommige bedrijven zetten hun oudere veldbusprotocollen eenvoudigweg over op ethernethardware. Industriële ethernetprotocollen zijn echter nog tot op zekere hoogte compatibel met standaard ethernet voor open gegevensuitwisseling, maar voorzien preventieve maatregelen om de botsingen te voorkomen waar ethernet bekend om is.
Verschillende benaderingen
Ruim een decennium na de millenniumwisseling hebben ongeveer 30 industriële ethernetprotocollen hun intrede op de markt gedaan. Ze volgen verschillende benaderingen bij het verschaffen van realtime, reden waarom hun prestatiecijfers moeilijk te vergelijken zijn.
Twee van de vijf belangrijkste systemen die effectief de meeste toepassingen wereldwijd delen, bieden alleen zachte realtime en beweren ook niet anders. Hoewel dit voor veel toepassingen volstaat, is dit op zich een nadeel in een tijd waarin steeds meer toepassingen harde realtime nodig hebben. Daarom is een van de twee ook beschikbaar als variant voor harde realtime, maar deze is niet compatibel met de oorspronkelijke versie.
De overige drie industriële ethernetprotocollen, die wel beweren over harde realtime-capaciteit te beschikken, lijken sterk op elkaar gelijkende cyclustijden te hebben, maar dit is slechts schijn. Een van hen communiceert op basis van de ‘summation frame’-methode: in elke cyclus worden de gegevens voor alle netwerknodes in één telegram verzonden dat van de ene node naar de andere reist via de ringtopologie van het netwerk, waarbij het onderweg tevens noderesponsen verzamelt. POWERLINK en het overgebleven systeem verzenden daarentegen afzonderlijke telegrammen naar de nodes, die ook afzonderlijk antwoorden in gescheiden telegrammen.
Hoewel dit in kleine installaties met slechts een beperkt aantal I/O-apparaten nauwelijks verschil maakt, worden de propagatievertragingen van het summation frame dat via de afzonderlijke stations reist, in grotere netwerken substantieel. Dit effect wordt sterker naarmate het volume van de overgedragen gegevens toeneemt.
Bovendien duurt het in geval van gegevensverlies langer voordat herstelprocedures zijn voltooid, omdat summation frame-protocollen altijd een volledige cyclus verliezen als een frame vernietigd raakt.
In geval van hoge eisen, wat realtime betreft, is de ondersteuning van directe cross-communicatie een van de factoren die van invloed zijn op de feitelijke gegevensdoorvoer en de responstijd. Dit betekent dat elk telegram dat op reis is naar of afkomt van één van de 'slaves’ door alle andere nodes kan worden waargenomen, hoewel deze niet bevoegd zijn om te reageren.
Met name in bewegingstoepassingen die gebruikmaken van snelle drive controllers zorgt deze factor voor eenvoudige en uiterst nauwkeurige synchronisatie van grote aantallen assen, aangezien alle positiewaarden direct kunnen worden verdeeld zonder dat ze via een 'master' moeten gaan.
Dat resulteert in een lagere netwerkbelasting en zorgt er tevens voor dat de gegevens beschikbaar zijn voor alle relevante nodes binnen de huidige cyclus. Bij een industrieel ethernetprotocol waarbij het vereist is dat de gegevens eerst langs een ‘master’ gaan, neemt het algemene gegevensverkeer op het netwerk toe en wordt de snelle cyclustijd feitelijk gehalveerd aangezien de synchronisatiegegevens met één cyclus worden vertraagd. POWERLINK is één van de twee protocollen die cross-communicatie vanuit alle nodes toestaat.
POWERLINK ondersteunt tevens priorisatie van gegevens, waardoor gegevens met hoge prioriteit elke cyclus worden gelezen terwijl gegevens met een lagere prioriteit slechts elke zoveelste cyclus worden verwerkt.
Topologie
Duurzame systeemprestatie is slechts één van de criteria die aandacht verdienen in industriële ethernetprotocollen. Netwerktopologieën moeten zijn afgestemd op architecturale vereisten zoals de steeds vaker modulair ingerichte ontwerpen van productiemachines. Waar alle belangrijke industriële ethernetprotocollen ring- en daisy chain-topologieën aankunnen, is POWERLINK een van de slechts drie protocollen die ook ster- en boomtopologieën ondersteunen.
Het vervangen van nodes in een netwerk kan ook een zinvol aandachtspunt zijn. Van de grote vijf biedt één protocol slechts beperkte ‘hot plug’-capaciteiten. Wat een andere soort betreft, vormen de topologiebeperkingen eveneens een belemmering voor deze essentiële mogelijkheid tot snel systeemonderhoud. Drie protocollen kunnen met behulp van ringredundantie een redelijk niveau van hoge beschikbaarheid bereiken. Redundante netwerkmasternodes en lijnredundantie zijn echter eigenschappen die alleen POWERLINK bezit.
Compatibiliteit en onafhankelijkheid
Alle versies van industrieel ethernet zijn oorspronkelijk ontworpen door leveranciers van automatiseringssystemen voor gebruik binnen hun eigen systemen. Integrators en gebruikers hebben echter een bepaalde onafhankelijkheid ten opzichte van hun leveranciers nodig en de zekerheid dat het voor fabrikanten van hulpuitrustingen eenvoudig is voor compatibiliteit te zorgen. Ze hebben bovendien bescherming van hun intellectuele eigendom nodig, waarbij ze tegelijkertijd de volledige controle over hun implementaties van industrieel ethernet moeten hebben.
Het beheer van het gebruik van de netwerktechnologie wordt uitgevoerd door gebruikersorganisaties van de afzonderlijke technologieën. Deze vragen allen lidmaatschapskosten voor integrators van de technologie, behalve één. Deze enige uitzondering is echter een ongeregistreerde club zonder juridische status.
Deze kan daarom de rechten voor de octrooien in verband met de vertegenwoordigde technologie niet bezitten en doorgeven aan de gebruikers. Dit is bovendien het enige systeem dat de aankoop vereist van een ASIC van de systeemleverancier die ooit het protocol uitvond om een interface voor ‘slave’-apparaten te ontwerpen.
In twee andere gevallen is het lidmaatschap van de gebruikersorganisaties geen vereiste voor het ontwerpen van producten met gebruik van hun technologie, maar wordt dit wel aangemoedigd omdat het bepaalde andere voordelen biedt. Het moge geen verrassing zijn dat POWERLINK met zijn gebruikersgroep, de EPSG (Ethernet POWERLINK Standardization Group), één hiervan is.
In dit specifieke geval omvatten gebruikersvrijheid en leveranciersonafhankelijkheid veel meer dan wat hierboven is beschreven, omdat POWERLINK volledig geïmplementeerd is in software en alleen voor deze standaard zijn zowel ‘master’- als ‘slave’-implementaties beschikbaar als open source-software.
Aangezien de EPSG alle auteurs- en octrooirechten bezit, kan het rechtmatig een BSD-licentie verlenen die ontwerpers van toepassingen volledige en onbeperkte controle over de gebruikte technologie geeft zonder dat ze gebonden zijn aan enige andere verplichtingen die daar tegenover staan.
All OpenSAFETY
Vervanging van vastbedrade veiligheidscircuits door de verwerking van veiligheidsgegevens via het netwerk van veldapparaten (‘field device network’) vermindert bedrading en bekabeling en maakt de opbouw van een veilig modulair machinesysteem mogelijk.
Dit vereist een veiligheidsprotocol dat de integriteit van de gegevensoverdracht garandeert door voortdurend te controleren of overdrachten volledig en op tijd zijn. Met het oog op de hoge prestatie, de absolute betrouwbaarheid en de vergaande openheid van POWERLINK is het niet verrassend dat het veiligheidsprotocol dat door de EPSG wordt beheerd het enige op de markt is dat zowel in technisch als in juridisch opzicht gebruikt kan worden met alle andere versies van industrieel ethernet en met de meeste veldbussen.
Daarom is de vorige merknaam POWERLINK Safety vervangen door de huidige merknaam openSAFETY. Dit veiligheidsprotocol biedt fabrikanten van productiemachines de mogelijkheid hun veiligheidsoplossingen onafhankelijk van het gebruikte automatiseringssysteem te ontwerpen, en het vergemakkelijkt het ontwerp van veiligheidsoplossingen voor clusters van meerdere machines die elk in potentie zijn uitgerust met de PLC van een ander.
Voor meer informatie:
Ninovesteenweg 198 - B-9320 Aalst
Tel. (0)53 21 20 01 - Fax (0)53 21 20 14
office.be@br-automation.com -www.br-automation.com
B&R Automatisering
Bericht van de redactie: dit is een ingezonden mededeling, die mogelijk niet vrij is van commerciële invloeden. De verantwoordelijkheid voor de verstrekte technische en andere gegevens berust volledig bij de vermelde leverancier of fabrikant.
