Communicatie standaardisatie in diverse protocollen is niet nodig.die is er al

Februari 2007

Communicatie standaardisatie in diverse protocollen is niet nodig….die is er al

Machines “praten” verder dan hun snoer lang is

Agenda

Machine communicatie met ethernet • Geschiedenis en onwikkeling • Apparatuur in een passend jasje • Visualisatie van het configuratiemanagement • Toegevoegde protocollen

Fred Weggelaar

Ethernet ontsnapt uit het kantoor

IEC/SP50 H2

Profibus PA

IEC/SP50 H1

HART

LonWorks

ETHERNET

ControlNet

CCLink

DeviceNet

CAN

Profibus FMS

Profibus DP

Interbus

WorldFIP / FIP

SDS

Seriplex

ASI

Interbus Loop

Ethernet

Control Enterprise-level I/O-level Device Control-level

Machine- en Procescommunicatie

1980-2007

Ethernet ontsnapt uit het kantoor ERP

Office Network

Ethernet

MES Plant Network

Industrial Ethernet

Supervision INFORMATIE Firewall

DATA Control Network

Industrial Ethernet

Control Level Universal repeater several protocols Device en Remote I/O Network wordt vaker Ethernet

Veldbus

Veldbus

Veldbus

Ethernet

Field Devices i R -V I P T

x

PO W +24V

ER

+2 4 V*

F AUL T DA E th e rn e t LS

OM C

P H IL IP S

LTC 0xxx

T ra n s p a r e n t D a ta

UT O

UT O

A - l a rm - IN

I N

OUT - AU D I O - IN I DEO V

V ID E O IN

Uitbreiding van applicaties

Wereldwijde totale inzet van Ethernet appartuur in industriele toepassingen

Groei per jaar: ca.50 %

(x 1000 Units)

bron:

2005

Ethernet, het “grijze” verleden Ethernet is “pas” ca. 20 jaar een standaard Coax transceiver Indicatie: 500 gulden

1983-2002

19” hub chassis Elke kaart max. 6 poorten Indicatie: 24 poorten 10baseT Toen ca. 10.000 gulden

1983-2002

19” switch chassis 10Mbps Elke kaart heeft 1 poort max. 8 kaarten Indicatie: 8 poorten 10baseT Toen ca. 50.000 gulden

1988-2000

GL

-40 Ù +70°C

Approvals

EN 50121-4

Ethernet, de bonte actualiteit nu

Kapersky

Anti Virus

Industriele protcollen USB-stick config.file back-up

VP N

Firewall / VPN server / Virus scanner

Grote diversiteit in poortaantal en -types binnen 1 apparaat, of modulaire Opbouw

M12-D als RJ45 niet meer voldoet

Total Ethernet solution - 1 ERP

Office Network

Ethernet

Office-, plant- & controlroom netwerken

MES Plant Network

Industrial Ethernet

Supervision INFORMATIE Firewall

DATA Control Network

Industrial Ethernet

Control Level

Device en Remote I/O Network wordt vaker Ethernet

Veldbus

Veldbus

Veldbus

Field Devices i R -V I P T

x

PO W +24V

ER

+2 4 V*

F AUL T DA E th e rn e t LS

OM C T ra n s p a r e n t D a ta

P H IL IP S UT O

LTC 0xxx

UT O

A - l a rm - IN

I N

OUT - AU D I O - IN I DEO V

V ID E O IN

19“ - Control Room Switches Desktop graded

Modulair graded

Layer-2 Layer-3

Modulair Layer-2 modulair Layer-3

10/100/1000 Mb/s Txpoorten Gigabit uplink modules 10-Gigabit uplink modules

10/100/1000 Mb/s FE & GbE modules 10-Gigabit uplink modules

Total Ethernet solution - 2 ERP

Office Network

Ethernet

MES Plant Network

Industrial Ethernet

Supervision INFORMATIE Firewall

DATA Control Network

Industrial Ethernet

Control Level

Device en Remote I/O Network wordt vaker Ethernet

Veldbus

Veldbus

Veldbus

Field Devices i R -V I P T

x

PO W +24V

ER

+2 4 V*

F AUL T DA E th e rn e t LS

OM C T ra n s p a r e n t D a ta

P H IL IP S UT O

LTC 0xxx

UT O

A - l a rm - IN

I N

OUT - AU D I O - IN I DEO V

V ID E O IN

Control netwerken

Machine besturings netwerken: Bundelbandjes(!?) of DIN Rails in de kast

GL

-40 Ù +70°C

Approvals

EN 50121-4

DinRail apparatuur in 1000 varianten

Kapersky

Anti Virus

Industriele protcollen

VP N

Firewall / VPN server / Virusscanner

USB-stick config.file back-up Grote diversiteit in poortaantal en -types binnen 1 apparaat, of modulaire Opbouw

Applicaties DIN Rail switches (Petro)chemie

• olie overslag • Aardgas stations • Pijpleidingen • Rubberinsdustrie

Machine control

• Inter-machine koppeling • Eenheden koppeling • ERP koppeling

Voedingsmiddelen

• Zuivelfabrieken • Bierbrouwerijen • Voedselindustrie • Tabaksindustrie

Process control

• Staalindustrie • glasindustrie • en velen anderen

Infratechniek

• OV dynamische rijtijden • Railtrajectbewaking • Station informatiedisplays • Tunnelbesturing & -bewaking • Luchthavens

Water

• Drinkwater productie • Afvalwater • Bescherming tegen water

54

4

5

76

byP1RM

P2Stand

FAULT

by

Stand

6

+24V*

+24V*

1

V.24

Fault

Fault

1

V.24

by

Stand

by

Stand

10 RM

+24V

+24V

10 RM

2

3

1

7

7

2

3

1

5432

4

5

76

/FX-SM

RS2-FX-SM

X-SM

4

5

76

RS2-FX-SM/F

5432

i

2

321

6

by

Stand

i

3

10 RM

FAULT

by

Stand RM

by

Stand RM

P2 P1

P2 P1

6

FAULT

6

FAULT

6

FAULT

+24V*

+24V*

+24V*

Fault

Fault

Fault

+24V

+24V

+24V

7

7

7

FX-SM

RS2-FX-SM/

X-SM

RS2-FX-SM/F

X-SM

RS2-FX-SM/F

by

Stand

by

Stand

by

Stand

V.24

V.24

V.24

1

1

1

by

RMStand

by

RMStand

by

RMStand

1

32

32

32

by

Stand RM

by

Stand RM

by

Stand RM

by

Stand RM

P2 P1

P2 P1

P2 P1

P2 P1

FAULT

FAULT

FAULT

FAULT

6

+24V*

6

+24V*

6

+24V*

6

+24V*

Fault

Fault

Fault

Fault

7

+24V

7

+24V

7

+24V

7

+24V

-SM

S2-FX-SM/FX

R

/FX-SM

S2-FX-SM

R

FX-SM

S2-FX-SM/

R

-SM

S2-FX-SM/FX

R

by

Stand

by

Stand

V.24

V.24

1

by

Stand

1

by

Stand

by

Stand

by

Stand

1

32

32

54

by

RMStand

10

54

P2 P1

5432

4

5

4

5

76

76

+24V*

P1

P2

+24V*

P1

P2

Fault

FAULT

Fault

FAULT

6

+24V*

6

+24V*

+24V

Fault

+24V

Fault

7

7

+24V

+24V

-SM

RS2-FX-SM/FX

7

/FX-SM

RS2-FX-SM

7

/FX-SM

RS2-FX-SM

/FX-SM

RS2-FX-SM

by

Stand

by

Stand

V.24

V.24

by

Stand

1

by

Stand

1

by

Stand

by

Stand

1

1

by

Stand

32

by

Stand

32

10 RM

54

10 RM

54

2

3

1

4

5

by

Stand RM76

2

3

1

4

5

by

Stand RM76

P2 P1

P2 P1

5432

5432

4

5

76

4

5

76

by

Stand RM

FAULT

by

Stand RM

FAULT

6

6

P2 P1

+24V*

P2 P1

+24V*

FAULT

Fault

FAULT

Fault

6

+24V*

6

+24V*

Fault

Fault

+24V

+24V

7

7

+24V

+24V

7

-SM

RS2-FX-SM/FX

7

/FX-SM

RS2-FX-SM

/FX-SM

RS2-FX-SM

FX-SM

RS2-FX-SM/

by

Stand

by

Stand

by

Stand

by

Stand

V.24

V.24

V.24

V.24

1

1

1

1

by

RMStand

by

RMStand

by

RMStand

by

RMStand

10

10

10

10

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

32

32

32

32

54

54

54

54

4

5

by

Stand RM76

4

5

by

Stand RM76

4

5

by

Stand RM76

4

5

by

Stand RM76

P2 P1

P2 P1

P2 P1

P2 P1

FAULT

FAULT

FAULT

FAULT

6

6

6

6

+24V*

+24V*

+24V*

+24V*

Fault

Fault

Fault

Fault

+24V

+24V

+24V

+24V

7

7

7

7

-SM

RS2-FX-SM/FX

RS2-FX-SM /FX-SM

M/FX-SM

RS2-FX-S

/FX-SM

RS2-FX-SM

i

1

V.24

2

3

10 RM

1

V.24

2

3

10 RM

by

Stand

by

Stand

by

Stand

by

Stand

V.24

V.24

V.24

V.24

1

1

1

1

by

RMStand

by

RMStand

by

RMStand

by

RMStand

2

3

10 1

2

3

10 1

2

3

10 1

2

3

10 1

32

32

32

32

4

5

7654

4

5

7654

4

5

7654

4

5

7654

by RM

Stand

by

Stand RM

by

Stand RM

by

Stand RM

P2 P1

P2 P1

P2 P1

P2 P1

FAULT

FAULT

FAULT

FAULT

6

+24V*

6

+24V*

6

+24V*

6

+24V*

Fault

Fault

Fault

Fault

+24V

+24V

+24V

+24V

7

7

7

7

RS2-FX-SM

RS2-FX-SM/

/FX-SM

FX-SM

X-SM

RS2-FX-SM/F

/FX-SM

RS2-FX-SM

i

6

FAULT

RM

by

Stand

6

FAULT

RM

by

Stand

i

4

P2 P1

5432

i

5

by RM76

Stand

2

3

1

4

5

by RM76

Stand

2

3

1

i

2

1

10 by

RMStand

i

3

10 RM

1

V.24

2

3

10 RM

1

V.24

i

4

5

7654

4

5

7654

4

5

7654

4

5

7654

i

2

1

1

32

i

3

10

2

3

10

2

3

10

1

by

Stand

by

Stand

V.24

V.24

1

1

10 by

RMStand

10 by

RMStand

by

Stand

2

3

1

by

Stand

2

3

1

5432

5432

1

V.24

4

5

76

1

V.24

4

5

76

by

Stand RM

by

Stand RM

by

Stand

by

Stand

10 RM

P2 P1

10 RM

P2 P1

2

3

1

FAULT

2

3

1

FAULT

5432

6

+24V*

5432

6

+24V*

Fault

Fault

4

5

76

4

5

76

by

Stand RM

by

Stand

by

Stand

by

Stand RM

by

Stand

by

Stand

P2 P1

+24V

P2 P1

+24V

V.24

V.24

V.24

V.24

FAULT

1

1

7

FAULT

1

1

7

6

+24V*

by

Stand

by

Stand

6

+24V*

by

Stand

by

Stand

Fault

2

3

10 1

RM

2

3

10 1

RM

/FX-SM

RS2-FX-SM

Fault

2

3

10 1

RM

2

3

10 1

RM

X-SM

RS2-FX-SM/F

32

32

32

32

+24V

54

54

+24V

54

54

7

76

76

7

76

76

4

5

4

5

4

5

4

5

byP1RM

P2Stand

byP1RM

P2Stand

byP1RM

P2Stand

byP1RM

P2Stand

X-SM

RS2-FX-SM/F

-SM

RS2-FX-SM/FX

6

FAULT

6

FAULT

6

FAULT

6

FAULT

+24V*

+24V*

+24V*

+24V*

Fault

Fault

Fault

Fault

+24V

+24V

+24V

+24V

7

7

7

7

FX-SM

RS2-FX-SM/

RS2-FX-SM /FX-SM

-SM

RS2-FX-SM/FX

X-SM

RS2-FX-SM/F

i

1

by

Stand

byP1RM

P2Stand

P1

P2

i

4

RM

by

Stand

2

3

10

i

5

4

5

76

X-SM

RS2-FX-SM/F

by

RMStand

i

76

2

3

1

5432

i

V.24

54

RM

7

1

i i

by

321

by

Stand

10

+24V

V.24

i

2

1

V.24

Fault

by

Stand

i

3

by

+24V*

i

Stand

6

7

-SM

RS2-FX-SM/FX

i

10

FAULT

7

-SM

RS2-FX-SM/FX

+24V

i

RM

byP1RM

P2Stand

+24V

Fault

321

54

4

5

76

byP1RM

P2Stand

6

FAULT

+24V*

Fault +24V

7

M/FX-SM

RS2-FX-S

by

Stand 1

V.24

by

Stand

by

Stand

V.24

RM

10

1

2

3

321

by

RMStand

54

1

2

3

10

4

5

76

32

byP1RM

P2Stand

7654

4

5

by

Stand RM

6

FAULT

P2 P1

+24V*

FAULT

Fault

6

+24V*

+24V

Fault

7

+24V

i

Stand

by

Stand

4

5

76

Fault

+24V*

i i

1

54

6

+24V*

6

FAULT

i

V.24

321

FAULT

P2 P1

2

3

10 RM

7

FX-SM

RS2-FX-SM/

FX-SM

RS2-FX-SM/

RS2 FX- SM/F X-SM

by

2

3

10 RM

byP1RM P2Stand

by

Stand RM

by

Stand

by

Stand

V.24

1

by

RMStand

1

2

3

10

23 kmglasvezelkabel

Stand

by

Stand

4

5

76

4

5

76

i

1

54

i

V.24

321

5432

i

by

2

3

10 RM

2

3

1

i

1

by

Stand

10 RM

i

1

by

Stand

1

V.24

i

Stand

by

Stand

V.24

by

Stand

V.24

by

Stand

32

4

5

7654

by

Stand RM

P2 P1

FAULT

6

+24V*

Fault +24V

7

/FX-SM

RS2-FX-SM

Ring netwerken voor redundantie

R S2 F X- SM/F X-SM

i

RS2 F X-SM/ FX-SM

RTU 560 RS2 FX/F X SM

Sing le mod e g lasveze l i

RS2 FX-SM /F X- SM

i

i i i

i

Hirschmann Hiper-Ring

Vergelijking: STP: omsch.tijd ca 30 s. RSTP: omsch.tijd ca 1- 30 s. (IEEErecomm.: max 7 switches) Hiper Ring: omsch.tijd 50 ms. ( 50 switches per ring)

met redundante ring koppeling

Total Ethernet solution - remote I/O-

ERP Ethernet

Office Network

MES Plant Network

INFORMATIE

Industrial Ethernet

Security

DATA Control Network

Industrial Ethernet

Control Level

Wordt vaker Ethernet

Veldbus

Veldbus

Ethernet

Veldbus

Field Devices x

i R -V IP T

O WE R P +2V 4 FA UL T

+ 2 4 V* DA

E th e rn e t

LS

COM T ra n s p a re n t D a ta

PHIL IPS

LTC 0xxx

OUT

IN OU T - A la rm - IN

OUT - A U D IO - IN V ID E O

VI D E OI N

IP67 switch: Als het echt robuust moet • • • • •

De nieuwe system oplossing voor IP67 Industrial Ethernet Voor remote I/O met directe Ethernet interface Als het waterdicht moet zijn Maar ook als het contactzeker moet zijn: RJ45 en trillingen à 4-pin M12 is “proven technology” in sensor aansluittechniek.

nee

M12 „D“ versus sealed RJ45

IAONA Planning & Installation Guide (Version 4.0)

D - Code

IEC 61076-2-101

Installation Guideline PROFInet (Version 1.8)

Ethernet/IP Media Planning and Installation Manual (Draft 2.0)

Waarom RJ45 niet altijd voldoet

Foto 1: RJ45 in een agressieve omgeving

Foto 2 en 3: Röntgen opnamen van mechanisch zwaar beschadigde RJ45 contacten: gold plating is verdwenen

M12: Proefbalonnen in 2004 Eerste hardware: Unmanaged switch: • IP67 unmanaged Industrial Ethernet switch • store and forward switching mode • 5 x 10/100-TX poorten • afstand: 0 - 100m • lijn of ster topologie • Ethernet poorten: 4 - pin M12 “D” gecodeerd • autocrossing, -polarity, -negotiation • power: 24VDC - M12 “A” • industriele specificaties en certificaties Connector: • IP67 • “Fast Connection” technologie • zonder strippen of schroeven • voor STP and UTP kabels • Datasnelheid tot 100Mbit/s • voor 2-aderpaar Industriele Ethernet kabels • Gestandaardiseerd (IEC 61076-2-101)

Product ontwikkeling

M12 voor Fiber

M12 voor Twisted Pair

OCTOPUS 16M (2FX)

OCTOPUS 8M

OCTOPUS 5TX (EEC) FE-IP67-4TX OCTOPUS 24M (2FX)

2003

2004

2005

2006

2007

Octopus: de eerste systeem componenten

microFX optische M12 connector •

Bewezen IP65/IP67 technologie M12

•

Koppeling met EMC ongevoeligheid

•

•

Galvanische scheiding

•

Extreem compact ontwerp

•

Bestendig tegen omgevingsinvloden zoals schok, vibraties, temperatuur (-25°C to +85°C)

•

Hybride versies met additionele electrische contacten mogelijk

•

Standaardisatie via IEC 61076-2-101 (standaard voor M12 connector)

Micro-FX: het optische concept

Markt voor IP67 producten — Fabrieks automatisering — Automotive — Machinebouw industrie

— Proces automatisering — Olie- & gas industrie — Drink- & Afvalwater technologie

— Transport sector — Treinen, bussen en (vracht)auto’s — Onbemande voertuigen (AGV’s) — Schepen

— En meer…..

Eerste applicaties: Trein netwerken

1234_1 (RM)

4711_1

1234_2 1234_1 (RM)

0815_1

4711_2 4711_1

1234_2

0007_1

0815_2 0815_2

4711_2

0007_2 0007_1

0815_1

0007_2

Information interface: Infrastructure è Applications Train set No.: 1234

1. Car No.: 4711 Direction: F

n. Car No.: 0815 Direction: R

Control car No.: 0007 Zwitserse spoorwegen

Keuze? of kansloos?

24 poorten IP20 switch 10-60Vdc met RJ45 connectoren, maar zonder ventilatoren 24 poorten

Beschermde “office” switch met “feed-through” connectoren en 230V

IP67 switch 10-60 Vdc met M12 connectoren

Consistent netwerkontwerp Harsh IP 67 environment

industrial cabinet environment

Configuratie Visualisatie

Via Command Line Interface

OPC via SNMP-gateway

Via Web Interface

SNMP via applicatie of Service

Via Automation Tool

Industrieel Profiel (1) • Apparaat status • Link status per poort • Ongeautoriseerde toegang via poort • …..

• Startup • configuration • ….

Industrieel profiel (2) Een nieuwe Interface om data van en naar de switch uit te wisselen: Benader de switch als ware het een PLC of remote I/O

SNMP

TELNET

Industrial Protocol CPU

Basic configuratie en diagnostic data Info & Config

Switch Engine PanelView Plu s

Port Port Port Port Port Port Port Port

Industrial Protocol SNMP

Control Panel

Switch als procesonderdeel De netwerk diagnostics informatie kan gevisualiseerd worden met: automation tools like e.g. Siemens STEP7, Rockwell RS-Logix,…

Toegevoegde protocollen Is Ethernet Realtime geschikt? Een definitie: Als de timing-eisen van een applicatie gehaald worden, dan kan het besturingssysteem voor deze applicatie realtime genoemd worden. Voor realtime gedrag is het noodzakelijk dat een systeem een duidelijk gedefinieerd, onder alle omstandigheden gegarandeerd, gedrag in de tijd vertoont. (=Deterministisch)

De uitersten

Good Old Ethernet

•

CSMA-CD volgens IEEE802.3 is per definitie niet deterministisch – Half Duplex hub technologie

•

Geswitchte netwerken – Full Duplex switch technologie – Lijn-, Ster-, Ring- en vermaasde topologien

Te stellen eisen voordat Ethernet Realtime geschikt wordt: 1. Segmentering 2. kloksynchronisatie 3. Tijdsleuf gedrag

Realtime toepassingen met Ethernet 4 criteria voor Realtime gedrag: 1. Cyclustijd (Reactietijd, Looptijd) => Gedefinieerde timing bovengrens, die in geen geval overschreden mag worden 2. Jitter => timing onzekerheid, afwijking van de standaard 3. Synchroniteit => Gelijktijdigheid van acties 4. Troughput => Over te dragen datahoeveelheid binnen een tijdseenheid

De beste, snelste specificaties worden geëist door de „Motion Control“ applicaties

Segmentering Eerste stap: segmentering Creëer logische groepen van gebruikers achter een switch en houdt zicht op de verbinding naar de backbone

Gecontroleerde data stroom

=> Gedefinieerde overgang

Netsegment met Real Time eis

Tijd synchronisatie

Tweede stap: Tijdsynchronisatie preciese gesynchroniseerde klokken in iedere deelnemer ontkoppelen de processturing van de bus looptijd => bijv. Precision Time Protocol IEEE 1588

Master klok

Slave klok

Slave klok

Slave klok Netsegment met Real Time eis

•

Alle 5 profiteren deze protocollen van de voordelen en ontwikkelingen vanuit de kantoor automatisering Profinet I/O, Ethernet /IP en EPL zijn hardware onafhankelijk en dus geschikt voor migratie naar Gigabit Ethernet

Standaardconform

•

5 actuele protocollen ingedeeld naar Hardware en Software aanpassingen

Ethernet / IP Profinet I/O

Profinet IRT Proprietair

•

Software (OSI laag 3 & 4)

Classificatie van Real Time Protocollen

Sercos-III

Eth. Power Link

EtherCAT Proprietair

Standaardconform

Hardware

Tijdslot mechanisme

Deterministisch Ethernet-gedrag volgens tijdsleuf toegang Op deze wijze werken: Cycle

Ethernet Power Link Profinet IRT

1

2

3

4

5

Sercos-III Slot 1

Slot Slot 2 3

Cycle i

1 2 3 4 5

Slot Slot 4 5

n

asyn c Slot as. n Slot

Cycle i+1 n a 1 2 3 4 5

n a 1 2 3 4 5

Ethernet Power Link • Cyclus gebaseerd Real Time systeem met Tijd slots, geintegreerd in het CSMA-CD model • Master polt de slaves • Standaard Ethernet frames met type aanduiding „PowerLink“ of „IP“ • Cyclustijd = „n“ slots voor synchrone data + resterende tijd voor asynchrone data • Segmentering d.m.v. Power Link Bridge

Powerlink Segment Powerlink Node Application cycl. Data acycl. Data

Powerlink Node

Powerlink Bridge TCP/IP Host

Application cycl. Data acycl. Data

TCP UDP

TCP UDP

IP

IP

Application acycl. Data TCP UDP Bridging

Powerlink

Powerlink

Powerlink

Ethernet CSMA/CD

Ethernet CSMA/CD

Ethernet Ethernet CSMA/CD CSMA/CD

IP Ethernet CSMA/CD

Profinet IRT

• Cyclus gebaseerd hardware Real Time systeem, met Tijd slots • Koppeling via speciale Chip in netwerk apparatuur en speciale switches in field devices • Master polt de slaves • Cyclustijd = „n“ slots voor isochrone data + resterende tijd voor asynchrone data

PROFInet v3 IRT

Ethernet / IP

• Volledig gebaseerd op de Ethernet standaard • Niet cyclus gebaseerd maar tijd gebaseerd. • Real Time door 3 standaard mechanismen: UDP, Prioriteit-QoS en IEEE15888 • Master zendt control commando‘s met exacte uitvoerings tijd Semiconductors

Pneumatic valves

AC drivers

Position controls

Other device profiles

CIP application layer Application object library

FTP SNMP HTTP SMTP CIP

CIP data management services Explicit messages, I/O messages CIP message routing, connection management

ControlNet Transport

DeviceNet Transport

Encapsulation

CPF

TCP

UDP IP

ControlNet CTDMA

DeviceNet Phys. layer

EtherNet CSMA/CD

ControlNet Phys. layer

DeviceNet Phys. layer

EtherNet Physical layer

Possible future alternatives: other networks

Sercos III • Maakt gebruik van de fysieke Ethernet apparatuur en Sercos mechanisme • Hardware gebaseerde synchronisatie en ring topologie • Sercos III werkt zonder hubs of switches • Doorlus systeem met speciale chip in alle apparaten • Cyclustijd = „n“ slots voor isochrone data + resterende tijd voor asynchrone data • Segmentering d.m.v. Real Time Bridge

EtherCAT

• Gebruikt de frame structuur van Ethernet met hardware protocol processing • Frames gaan niet naar alle slaves, maar frames gaan van slave tot slave • Speciale Chip converteert het Ethernet signaal in een zgn. E-bus • Real Time data gaat in EtherCAT frames, IP-data wordt getunneld in EtherCAT frames • Tunneling vindt plaats in virtuele Ethernet Switches

Frame structuur

Framestructuur van de tijdslot systemen

Ethernet- Header on hro isoc rkeer e V

Source Destin. Ethertype MAC MAC = Realtime

n Ve chro rke o n er

Source Destin. Ethertype = IP MAC MAC

EPL Profinet IRT Sercos-III asy

Realtime-Data TN x

IP-Header

IP-Data

FCS

FCS

(TCP-Header, TCP-Data)

Ethernet-TCP/IP Telegram

EtherCAT

Realtime - & algemeen Verkeer

Source Destin. Ethertype HDR MAC MAC = EtherCAT TN 1

Data HDR TN 1 TN 2

Data TN 2

....

getunneld Ethernet-TCP/IP Telegram

FCS

Vergelijking van Real Time protocollen Wat is Real Time… -Het is geen absoluut gegeven, maar afhankelijk van de applicatie -Tabel geeft de 2 prestatieparameters weer: cyclustijd en jitter Organisatie

cyclustijd (voor 100 assen)

Jitter

Data rate

Ethernet/IP CIPSync

ODVA

≈ 1 ms

< 1 µs

100 Mbit/s

Ethernet Powerlink

EPSG

< 1 ms

< 1 µs

100 Mbit/s

Profinet IRT (V3)

PNO

< 1 ms

< 1 µs

100 Mbit/s

Sercos-III

IGS

< 0.5 ms

< 0.1 µs

100 Mbit/s

EtherCAT

ETG

≈ 0.1 ms

< 0.1 µs

100 Mbit/s

Conclusie: meer proprietair betekent sneller

Ethernet Powerlink, de oplossing van EPSG (3) Applicatie voorbeeld

(switched) Ethernet 1588 1588 IEEE 1588 Time Synchronisation Brdg

Brdg

1588

Mgr Powerlink Manager

1588 Ctr

Ctr

PLC Mgr 1588

PLC Mgr 1588

Powerlink Controller

Brdg Powerlink to Ethernet Bridge IEEE 1588 Messages Asynchronic data (IP)

Ctr

Ctr

Ctr Realtime Data (Powerlink) Open Ethernet

Ctr

Ctr

Ctr Powerlink Host

PTP IEEE 1588 - Implementatie in switches Boundary Clock

Master Clock

Slave Clock

Test opstelling

Full Network Traffic up to 90% @ 100MBit/s GPS ref. clock

PPS Out

PPS Out

Gemeten kloktijd synchroniteit (Master Clock -> Switch (Boundary Clock) -> Switch (Slave Clock)

±120ns (gemeten over 84h)

PTP IEEE 1588 Implementatie van Hirschmann Synchronisatie Snelheid - Tijdsduur totdat 2 klokken gelijk lopen

Transient Oscillation

20000

15000

Drift / rate: ns/s 10000

Offset [ns]

5000 Offset PI-Out

0 0

20

40

60

-5000

-10000

-15000

-20000 time [s]

80

100

120

Drift

Vergelijking met veldbussen

Transfer rate

Packet size (with 8 bytes of user data)

Theoretical packet throughput

Profibus DP

12 Mbit/s

19 bytes

79 packets/ms

Sercos-II

16 Mbit/s

14 bytes

142 packets/ms

Ethernet

100 Mbit/s

72 bytes

174 packets/ms

Ethernet is niet langzamer dan de traditionele veldbussen vanwege hoge kloksnelheid (100 Mb/s) Er is 1 technologie te beheersen Er is 1 soort infrastructuur nodig (Ethernet) Gebruik van Web based HMI’s Verticale integratie zonder protocol omzetters

Conclusie Om Ethernet Real Time te maken is niet altijd een afwijking van de standaard nodig. Het hangt van je proces af. De cyclustijd wordt bij veel processen elders bepaald dan in het netwerk Ethernet Standaard mechanismes die vandaag de dag beschikbaar zijn: •Geswitched Full Duplex netwerk •Fast Ethernet of Gigabit Ethernet •Transport protocol in UDP in plaats van TCP •Quality of Service ( prioritisatie) •Netwerk segmentatie (VLAN) •Tijd synchronisatie via IEEE1588

Ethernet is een open standaard, dus geen strikte fabrikant afhankelijkheid Haal voordeel uit de snelheid van ontwikkelingen op IT gebied die in de officemarkt plaatsvinden (Gigabit techniek in industriele netwerken!)

Voorbeeld (1)

Applikationsbeispiel Ferromatik Milacron § 100% Electrische spuitgiet machine § Goedkoper dan hydraulische machines § Sturing over ETHERNET Powerlink § Kracht, snelheid en positionering

§ Transparantheid van data voor kwaliteitssysteem

„ETHERNET Powerlink ist das ideale Vehikel für Spritzgießmaschinen. Man kann Alles mit nur einem Netzwerk verbinden.“ Dr. Kalis, Leiter Entwicklung/Konstruktion

Voorbeeld (2)

Bystronic § Automobiel -Glasbewerking (snijden, slijpen, boren) § Snijden = kerven & Breken § 150m/min kerf snelheid § 5/100mm nauwkeurigheid

§ X-Y-tafel met tangentiale snijdraden § 15 Assen en meer § 800µs cyclustijd

„ETHERNET Powerlink soll der Feldbus der Zukunft werden.“ Ing. Deprato, Development Engineer Controls

Voorbeeld (3)

KMK Maschinen AG § Tube vulmachine § Korte omsteltijden (<10min) § 120 Tubes/minuut

§ Eisen § § § §

Eenvoudige bekabeling Dynamisch Flexible visualisiering Bewaking over internet

§ Implementatie § § § §

ETHERNET Powerlink 800µs cyclustijd 15 aandrijvingen verspreide I/Os

Markt voor draadloze communicatie §

Automatisering: Productie, Scada informatie, onderhoud, video

§

Energie: Data Transfer, Management

§

Transport: Data Transfer, Traffic Monitoring, video

Echter met het bewustzijn dat een verbinding altijd verstoord kan worden door externe omstandigheden

Technologie verschillen

Parameter

802.11b

802.11g

802.11a

Radio frequency

2,4 GHz

2,4 GHz

5 GHz

Max. bitrate, raw

1-11 Mb/s

1-54 Mb/s

1-54 Mb/s

0.5-5.5 Mb/s

0.5-28 Mb/s

0.5-28 Mb/s

RelativeRange @ max rate, max pwr

1-200m

1-50m

1-12m

Unit cost

100%

100%

100%

Coverage cost (@max rate)

100%

900%

2250%

Spectrum access

World-wide

World-wide

Originally US & Japan now worldwide

net

BAT54-Rail – Industriele rail unit §

Robuste Metal Enclosure, IP 40

§

DIN Rail and paneel montage

§

Redundante voedingsspanning via Power-over-Ethernet

§

Redundante 24V voedingsspanning via schroefterminal

§

Temperatuur bereik van -20°C tot +50°C

§

Configureerbare AP of AC mode

§

Transmissie theoretisch tot 108 MBit/s per WLAN Interface

§

Dual Wireless LAN volgens IEEE 802.11b/g and IEEE 802.11a/h

§

Redundante WLAN verbindingen voor stabiele verbindingen

§

Hoogst mogelijk security level via IEEE 802.11i en IEEE 802.1x

§

Seriele Interface RS-232 voor configuratie en remote access

§

Geintegreerde firewall

Wireless LAN Antennes §

Waterbestendige behuizing

§

Stabiele montage op mast, muur of voertuig

§

2,4 GHz- en 5 GHz- en combo frequentiebanden

§

Geoptimaliseerde belichting en prestaties

§

Grote afstanden

§

Reductie van pakketverlies

2 dBi

5-8 dBi

8 dBi

23 dBi

WLAN Distributie

5 GHz Backbone

2,4 GHz with Client interconnection

Redundantie in Wireless LAN Verbeterdestabiliteit voor WLAN Twee Radio Interfaces in het Access Point en hetAccess Client ü

Redundante verbinding via Spanning Tree

ü

Transparant voor Industriele Ethernet Protocolen (Layer 4)

ü

Twee Frequentie bereiken simultaan in gebruik 2,4GHz 5GHz

Network

RF Techniek == DigitaleTechniek

Netwerksecurity Het realiseren van een beveiligd netwerk vereist een planmatige aanpak met 4 basisregels: - beleidsplan / policy - Management betrokkenheid - Opname in een kwaliteitssysteem

- netwerkarchitectuur - Fysiek: wie mag in de serverruimte? - Technisch: scheiding, subnetten of VLAN’s

- voorlichting (medewerkers) - CD’s en memory sticks? - Bezoeker pc”s - Internet gedrag

- controle - Vertrouwen is goed, controle is beter - Als je de reden van de controle maar uitlegt

Technische hulpmiddelen Praktische opbouw: Een bedrijf met een Administratief- en een productienetwerk

Internet

Business network SCADA server

HIRSCHMANN

Redundant Routers with Firewall functions

HIRSCHMANN HI RSCHM ANN

HI RSCHM ANN

HI RSCHM ANN

VPN over LAN

Data warehouse and ERP system

Eagle Firewall -1

Hirschmann is Industrieel Ethernet EAGLE

-Firewall = EAGLE -VPN-systeem = EAGLE - Virus scanner = EAGLE

Met de EAGLE kan een veilige koppeling worden gemaakt met het fabrieksnetwerk

Met de EAGLE kan een toeleverancier veilig ‘inbellen’ op het netwerk.

Eagle Firewall -2

Verstandig omgaan met de EAGLE EAGLE

- zorgvuldig opstellen (fysieke toegang) - zorgvuldig inrichten (netwerk toegang) - zorgvuldig beheren (logging) - lessons learned - gebruik bestaande kennis - www.cert.org - www.first.org Het hebben van een firewall is geen garantie op een veilige netwerkverbinding. Daar is méér voor nodig.

Features van de Eagle-mGuard

Eagle -- Firewall Funktionaliteit

Stateful Inspection Firewall Transparent Firewall (Single Client/Multi Client) Configureerbare Firewall regels voor - Bidirectioneel Data Verkeer - Iedere VPN Connectie - Modem Access - External Management Access IP Masquerading, 1-to-1 NAT •NAT-T Support •Virus scanner voor alle data door de Eagle

Eagle -- VPN Funktionaliteit

Multipoint VPN (Router en Single Client Transparante Mode)

• VPN Protocollen - IPSec - L2TP • Vercijferings-algoritmes - DES-56 - 3DES-168 - AES-128, AES-192, AES-256 • Authenticatie: - Pre-Shared-Key (PSK) - X.509v3 Certificates • Hashing-algorithmes - MD5 - SHA-1

Eagle -- Diagnostiek

• Hardware • Spanningsloos contact voor signalering van • link-uitval • Uitval redundante voeding • LED signalering van link, data, ACA read/write, boot, HiDiscovery

• Software • SNMPv1 & 3 ondersteuning • SNMP traps • Logging intern, en naar een externe Syslog server • NTP voor tijdstempel

Overzicht- Editie vergelijking

Use both versions simultaneously OVERVIEW

Industrial IndustrialHiVision HiVision Network NetworkMonitoring Monitoring

HiVision HiVision Configuration Configuration

Network

Vragen?

Dank voor uw aandacht Hirschmann. Simply a good Connection.