POWERLINK Netzwerk

Das Echtzeit Ethernet

Um Daten im Mikrosekundenbereich übertragen zu können, wurde dieses System, ein Echtzeit Ethernet, entwickelt. Hauptsächlich wird er für die Übertragung von Prozessdaten in der Automatisierungstechnik verwendet. Erstmals wurde er damals von der Firma B&R entwickelt und wird heute von der offenen Anwendergruppe EPSG, die Ethernet Powerlink Standardization Group, als Standard spezifiziert.

Für die Standartkonformität entwickelt, führt er gemischte Polling- und Zeitscheibenmechanismen zur deterministischen Übertragung von Daten ein. Somit wird unter anderem eine garantierte Übertragung von zeitkritischen Daten in kurzen Zyklen mit konfigurierbarem Zeitverhalten erreicht. Zudem ist eine zeitliche Synchronisation aller verbundenen Netzwerke sehr präzise möglich. Hinzukommt eine Übertragung des weniger zeitkritischen Datenaufkommens im asynchronen Kanal. Mit den momentanen Implementierungen von POWERLINK können Zeiten von unter 200 Mikrosekunden und eine zeitliche Präzision (Jitter) von unter einer Mikrosekunde erreicht werden. Für den Nutzdatenaustausch mit Knoten im Netzwerk spezifiziert er zudem auch ein Kommunikationsprotokoll. Beides wird von einem Powerlink Protokollstack abgehandelt. Eine spezielle Hardware wird dafür jedoch nicht benötigt, wodurch sich Master- und Slaveknoten mit einfachen Ethernetbausteinen realisieren lassen. Quelloffene Master- und Slavestacks sind somit auch für unterschiedliche Betriebssysteme verfügbar.

POWERLINK Netzwerk – Datenübertragung

Da der Link auf den Layern zwei und sieben im OSI-Schichtenmodell vorkommt, ist er im Allgemeinen von der verwendeten Physik unabhängig. Praktisch angewendet wird es so oftmals mit Twisted-Pair-Kabeln zu Fast Ethernet. Zugelassen sind dabei handelsübliche 8P8C als M12-Steckverbindungen. Das Verwenden von Lichtwellenleitern ist ebenfalls möglich, obwohl zusätzliche Verzögerungen durch Medienkonverter nicht ausgeschlossen werden können.

POWERLINK – Standardisierung

POWERLINK wurde in die Normen IEC 61158-300, IEC-61158-600 und IEC 61558-500 aufgenommen. In der asynchronen Phase lassen sich unterschiedliche Frames verschicken. Dadurch können unter anderem IP-basierte Protokolle auf höheren Schichten, wie UDP, TCP und darüber im Ethernet-Powerlink-Netzwerk, eingesetzt werden.

Übertragung sicherheitskritischer Daten

Für sicherheitskritische Daten lässt sich der Ethernet-POWERLINK mit dem offenen Sicherheitsprotokoll openSAFETY erweitern. Die sicherheitskritischen Daten werden dabei von openSAFETY mit Prüfsummen gespeichert und in danach zwei Frames aufgeteilt. Durch eine eigene Sicherheitssteuerung werden die Sicherheitsfunktionen des Netzwerks bereitgestellt. Sichere und nichtsichere Mitglieder können in einem Netzwerk gemeinsam existieren und für die Sicherheitsfunktion nicht wesentliche Daten austauschen. OpenSAFETY ist als Protokoll für den Application Layer hinzugefügt. Als solches kann es auf einer hohen Anzahl von industriellen Ethernet Netztopologien implementiert werden. OpenSAFETY ist durch den TÜV getestet und für den Einsatz bei sicherheitskritischen Daten gemäß IEC 61508 SIL 3 der Euronorm 954-1 freigegeben worden.

POWERLINK Netzwerk – das Datenformat

Jedes Paket ist in einen Header und die eigentlichen Daten unterteilt. Dieses ist in einen normalen Ethernetframe implementiert, welcher eine Größe von 64 Byte bis zu 1500 Byte aufweisen kann und sogar muss. Jumbo Frames, also welche, die größer als 1500 Byte sind, sind in einem Powerlinknetzwerk nicht vorhanden und auch nicht erlaubt. Als EtherType für Ethernet POWERLINK wurde 0x88AB von der IEEE zugewiesen. Der Powerlinkheader setzt sich aus einem Bit, welcher reserviert ist, sieben Bit als Message Type, acht Bit als Zielknotennummer und acht Bit als Quellknotennummer zusammen.

Für eine deterministische Datenübertragung müssen Kollisionen auf dem Netzwerk unterbunden werden. Die Datenübertragungen werden dazu durch einen konkreten Teilnehmer, den Managing Node (MN), kontrolliert. Die anderen Teilnehmer, die Controlled Nodes (CN) dürfen nur dann senden, wenn sie konkret dazu aufgefordert wurden. Ein Zyklus beginnt mit dem Start of Cycle (SoC) der Nachricht. Der Managing Node kontrolliert anschließend alle Knoten einzeln mit einem Poll Request (PReq), worauf der Controlled Node mit einem Poll Response (PRes) antwortet. Die Antworten werden als Multicast geschickt. So können anderen Powerlinkgeräte darauf zugreifen. Somit ist Querverkehr zwischen den CNs durchaus möglich. Um die Zykluszeiten möglichst gering zu halten, muss nicht jedes Gerät in einem Zyklus kontrolliert werden. Die asynchrone Phase mit dem Start of Asynchronous (SoA) beginnt nach Abschluss des Zyklus’. Jetzt kann jeweils ein vom MN bestimmter CN nicht-zyklische Daten übertragen. In dieser Phase lassen sich Daten aus einem normalen, nicht-deterministischen Netzwerk und dem Powerlinknetzwerk über spezielle Gateways austauschen.

Für eine Reihe von Geräteklassen wurden Profile definiert. Diese definieren den Aufbau und die Funktionalität des Verzeichnisses für die unterschiedlichen Geräte. Eine höhere Unabhängigkeit von Herstellern wird durch die Nutzung von Geräten mit bestimmten Profilen erreicht. Der Ethernet POWERLINK verwendet dabei die Profile von CANopen. Welche Objekte dabei verwendet werden, legen Transformationsregeln fest.

POWERLINK Netzwerk – Versionen

Momentan existieren zwei unterschiedliche Ausprägungen des Ethernet POWERLINKs. Die erste Version, der Ethernet 0x3e3f, ist ein proprietärer Ansatz der B&R Firma, der allerdings ziemlich früh als Grundlage für Weiterentwicklungen benutzt wurde. Die zweite Version (Ethernet 0x88ab) ist dagegen der aktuelle Standard der EPSG, der um verschiedene Eigenschaften erweitert wurde. Beide Systeme besitzen also viele Gemeinsamkeiten. Trotzdem ist die erste Generation nur eine Übergangslösung.