Infosessie okt. 2006
Real-Time in Industriëel Ethernet “De toekomst start met de kennis van vandaag”
Geert Bracke Account Manager BeLux Hirschmann Automation & Control
Ethernet in industriële omgeving (Petro)chemie
• (Pharmaceutische) Chemie • Olie- en gas raffinaderijen • IJzer- en staalproduktie
Voedingsmiddelen
• (Medisch)voedsel productie en verpakking • Frisdrank & Bierbrouwerijen • Zuivelindustrie
Machine control
Automotive
• Koppeling van samengestelde machines • HM interface
• Lasrobots • Productiestraat automatisering • Component traceerbaarheid
Infratechniek
• Verkeerautomatisering, • Tunnel- en brug bewaking • Rail- en waterwegbewaking • Openbaar vervoer infosystemen
Water
• Ruwwater transport • Drinkwater • Afval water
Industriëel Ethernet in het bedrijf ERP
Kantoor Netwerk
Ethernet
MES Fabrieksnetwerk
Industrial Ethernet
Supervisie INFORMATIE DATA Controle Netwerk
Industrial Ethernet
Controle Laag
Apparaatnetwork wordt vaker Ethernet
Veldbus
Veldbus
Veldbus
Veld i R-VIPT
x
P OW E R +24V F AUL T
+ 2 4 V* DA
E t h e rn e t
PHILIPS
LTC 0xxx
LS
T ra n s p a re n t D a ta
COM
OUT
OUT - Al a r m - I N
IN
OU T - AUDI O - IN V I DE O
V I DE O I N
GL
-40 ➙ +70°C
Approvals
EN 50121-4
Wat maakt switches industrieel?
Kapersky
Anti Virus
USB-stick aansluiting voor config.file back-up
M12-D als RJ45 niet meer voldoet VPN
Firewall / VPN server / Virus scanner voor beveiligde koppelingen
Grote diversiteit in aantal en poorttypes binnen 1 apparaat, of modulaire opbouw leidt (binnenkort) tot >1000 modelvarianten
Industriële Ethernet (IE) structuren
Netwerk management - SNMP
Netwerkstatus in stand- alone Windows of Linux programma
Netwerkstatus in SCADA-OPC procescontrol display
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
Industrieel ethernet vs. veldbussen
Real-time en Industriëel Ethernet Is Ethernet Real-time geschikt ? Een definitie : Als de eisen qua timing voor een applicatie gehaald worden dan kan het sturing, voor deze toepassing, real-time genoemd worden. Voor real-time gedrag is het noodzakelijk dat een systeem (sturing) een duidelijk gedefinieerde, onder alle omstandigheden gegarandeerd, gedrag in de tijd vertoont. (Determinisme)
Good Old Ethernet
•
CSMA-CD volgens IEEE802.3 is per definitie “niet” deterministisch
• • •
Half Duplex hub technologie Full Duplex switch technologie Lijn-, Ster-, Ring- en vermaasde topologien
Eisen opdat Ethernet vr. Real-time kan ingezet worden : 1. Segmentering 2. Kloksynchronisatie 3. Tijdsleuf gedrag
Real-time toepassingen met Ethernet 4 criteria voor Real-time gedrag: 1. Cyclustijd (Reactietijd, Looptijd) => Gedefiniëerde timing bovengrens, die in geen geval overschreden mag worden 2. Jitter => timing onzekerheid, afwijking van de standaard 3. Synchronisatie => Behoud van relatief tijdsverband ts. acties 4. Troughput => Over te dragen datahoeveelheid binnen een tijdsinterval
De beste, hoogste RT performanties worden geëist door applicaties in „Motion Control“
Segmentering 1ste stap = segmentering (clustering) Creëer logische groepen van gebruikers achter een switch en houd zicht op de verbinding naar de backbone
Gecontroleerde data stroom
=> Gedefinieerde overgang
Netsegment met Real Time eis
Tijd synchronisatie
2de stap = Tijdsynchronisatie Preciese gesynchroniseerde klokken in iedere deelnemer ontkoppelen de processturing van de bus looptijd => Precision Time Protocol IEEE1588 (IEC 61588)
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
•
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 IRT (v3) 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 (time-cycle) toegang Op deze wijze werken : Cycle
PowerLink Profinet IRT (v3) Sercos-III
1
2
3
4
5
Slot 1
Slot 2
Slot 3
Slot 4
Slot 5
Cycle i
1 2 3 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 PowerLink (EPSG)
• 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. PowerLink 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 (PNO) • Cyclus gebaseerd hardware Real-Time systeem, met Tijdslots • Koppeling via speciale Chip (ASIC) 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
Sercos III (IGS)
• 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 (ETG)
• 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 er c o s e i k Ver
Source Destin. Ethertype MAC MAC = Realtime
n Ve chro rke on 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
Ethernet/IP (ODVA)
• Volledig gebaseerd op de Ethernet standaard • Niet cyclus gebaseerd maar tijdgebaseerd. • Real-Time door 3 standaard mechanismen : UDP, Prioriteit-QoS en IEEE1588 • Master zendt stuurcommando‘s met exacte uitvoeringstijd 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
Vergelijking van Real-Time protocollen Wat is Real Time… - Het is geen absoluut gegeven, maar afhankelijk van de applicatie - 2 prestatieparameters : 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 v.3
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: hoe meer proprietair, hoe sneller !?
Vergelijking met veldbussen
Transfer rate
Packet size (met 8 bytes user data)
Theoretische packet overdracht
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 even snel/sneller 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 van real-time netwewrksegment zonder protocol omzetters (gateways)
PTP IEEE 1588 - Implementatie 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 Synchronisatie Snelheid
n
o
ti
la
il
c
s
O
t
n
ie
s
n
ra 0
0
0
0 0
t
e
ffs t
u
O
I-
P ft 0 0
0
0 0 0
0 0
0
-1 0
]
[s
e
m
ti
0
0
Drift / rate [ns/s]
0
0
-2
5
-1
-5
ri
0
2
1
0
0
1
0
8
0
6
0
4
0
2
0
0
D
O
0
0
0
0
5 0
0
0 0
0 O ffs e t [n s ]
5
1
1
2
T
- Tijdsduur totdat 2 klokken gelijk lopen (hersync. elke 2 sec.)
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
Conclusie Om Ethernet Real-Time te maken is geen een afwijking van de standaard nodig. Het hangt van de applicatie 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 (PTP) Ethernet is een open standaard, dus geen strikte fabrikant afhankelijkheid Haal voordeel uit de snelheid van ontwikkelingen op IT gebied die in de markt plaatsvinden (oa. Gigabit techniek in industriële netwerken!)
Vragen?
Dank voor uw aandacht
