Performance und Effizienz SERCOS III

Was ist Sercos III?

Sercos III ist eine Weiterentwicklung des bestehenden Sercos-interface-Standards (IEC/EN 61491) auf der Basis des Standard-Ethernets, die sich durch erhöhte Performance und Effizienz auszeichnet. Sercos-Mechanismen, wie z. B. die im Sercos-Standard spezifizierten Motion-Control-Profile, die Telegrammstruktur und die Hardware-Synchronisation, die sich bereits bewährt haben, wurden dabei auf den Ethernet-Standard übertragen.

Wie funktioniert Sercos III?

Grundlagen

Um die Anforderung einer Echtzeitübertragung zu erfüllen, wird ein kollisionsfreier Echtzeitkanal parallel zu einem Nicht-Echtzeitkanal geschaltet. In dem kollisionsfreien Echtzeitkanal werden die Telegramme, die von Sercos definiert wurden, mit hoher Protokolleffizienz übertragen. Dadurch wird selbst bei einer hohen Benutzeranzahl eine bestmögliche Performance von Sercos III erreicht.

Diese parallele Schaltung ermöglicht zudem eine Übertragung von beliebigen Ethernet-Telegrammen und IP-basierten Protokollen (zum Beispiel TCP/IP, UDP/IP) im Nicht-Echtzeitkanal (auch Zeitschlitz genannt), ohne die garantierten Zykluszeiten der Echtzeitdaten zu gefährden. Dadurch wird zum Beispiel eine Parametrierung ohne laufende Steuerung mit einem Standard-Notebook und Ethernet-Schnittstelle ermöglicht.

Performance und Effizienz von Sercos III werden vor allem gesteigert durch die von diesem Ansatz beibehaltenen Vorteile und die gleichzeitige Ermöglichung neuer Features. Dadurch wird der Anwendungsbereich von Sercos III erheblich vergrößert:

  • die größtmögliche Kompatibilität zum bestehenden SERCOS interface (Topologie, Profile, Telegrammstrukturen, Synchronisation) reduziert entstehende Kosten
  • Hardware-Kosten werden reduziert
  • durchgängige Kommunikation mit beliebigen Ethernet-Protokollen (z. B. UDP/IP, TCP/IP) wird ermöglicht
  • direkte Querkommunikation zwischen Slaves ist möglich
  • Synchronisation von mehreren Steuerungen /Maschinensegmenten
  • sicherheitsrelevante Daten können, ohne den Ablauf zu stören, übertragen werden
  • Erhöhte Fehlertoleranz , zum Beispiel bei Kabelbruch

Die Kommunikation zwischen den Komponenten beruht dabei auf standardisierten Parametersätzen zur Steuerung von Gerätefunktionen. Diese sind sowohl vom Hersteller als auch von der Hardware unabhängig. Bei der Initialisierung eines Netzwerkes wird in der Konfiguration dann festgelegt, aus welchen unterschiedlichen Parametern sich die Echtzeitdaten eines bestimmten Gerätekanals zusammenzusetzen haben. Sercos III verfügt dabei über Kommunikationskanäle und Geräteprofile für alle gängigen Automatisierungsanwendungen, die Performance und Effizienz von Sercos III erhöhen:

Echtzeit-Kommunikationskanäle

  • M/S (Master/Slave)- Gerätekanal: direkter Austausch von Funktionsdaten zwischen Master und Slaves
  • CC (Cross Communication)- Gerätekanal: direkte Querkommunikation zwischen Geräten, entweder zwischen Steuerungen (C2C) oder zwischen Antriebs- bzw. Peripherie-Slaves
  • SVC (Service Channel)-Kanal: Austausch von Servicedaten
  • SMP (sercos Messaging Protocol)-Zeitschlitz: Übertragung von Funktionsdaten mehrerer Teilnehmer mit Hilfe eines Multiplex-Verfahrens
  • Sercos Safety: Austausch von sicherheitsrelevanten Daten in einem M/S oder einem CC-Gerätekanal. Dazu gehören zum Beispiel Abschalt- oderZustimmungssignale oder auch sichere Sollwerte.

Universeller Kommunikationskanal

  • Standard-Ethernet: Anbindung beliebiger Ethernet-Geräte wie Notebook, Webcam oder E/A-Peripherie
  • Sonstige Ethernet-Protokolle: Übertragung von beliebigen ethernetbasierten Protokollen im Unified Communication Channel (UCC)

Geräteprofile

  • Motion-Profil: Motion- und SPS-Funktionen für Steuerungen auf Basis der Sercos Motion-Control-Parameter
  • Drive-Profil: Funktionen zur Steuerung von Antrieben E/A-Profil
  • Energy-Profil


Details

1. Synchronität

Sercos III bezieht sich auf die bewährte Hardware-Synchronisierung. Jedes Modul besitzt einen speziellen Logikbaustein (ASIC), der die Systempunkte untereinander koordiniert. Dadurch werden zusätzliche Hubs und Switches als teure Schaltstellen überflüssig und das Netzwerk stimmt sich weitestgehend selbständig ab. Synchronität wird somit zu einer Grundeigenschaft jedes Sercos-Systems.

Diese Synchronität und die Datenübertragungsrate von 100 MBit pro Sekunde (Fast Ethernet) im Vollduplex-Modus führen zu einer minimalen Zykluszeit von 31,25 Mikrosekunden und somit zu einer maximalen Effizienz und Performance von Sercos III.

2. Flexibilität

Da im Produktionsprozess meist hohe Flexibilität gefordert wird, stellt dies auch hohe Anforderungen an die Flexibilität des Netzwerks. Üblicherweise werden einzelne Komponenten (Slave) von einer Steuerung (Master) kontrolliert, die wiederum über ein gemeinsames Netzwerksegment miteinander kommunizieren. Es erhöht jedoch Performance und Effizienz von Sercos III, dass eine Komponente direkt eine andere durch Querkommunikation informieren kann. Durch den direkten Datenaustausch wird die Zentralsteuerung entlastet und der Datenverkehr im Netzwerk reduziert. Aus der so genannten C2C (Control-to-Control)-Querkommunikation zwischen Mastern beruht die dezentrale Steuerung von komplexen Fertigungsanlagen.

3. Sicherheit

Die Technik der Querkommunikation zwischen einzelnen Knoten leistet nicht nur einen Beitrag zur Flexibilität, Effizienz und Performance von Sercos III, sondern sie erhöht auch die Sicherheit, weil ein Sercos III-Netzwerk dadurch mit einer Ring-Struktur aufgebaut werden kann. Somit kann zum Beispiel im Falle eines Kabelbruchs ein redundanter Signalweg benutzt werden. Dies ist beim klassischen Ethernet nicht der Fall. Auch die Datenübertragung ist sicherer: Sercos bietet ein zertifiziertes Sicherheitsprotokoll, das Sercos Safety, an, welches die Anforderungen der Sicherheitsnorm IEC 61508 bis zum Safety Integrity Level 3 erfüllt. Sercos Safety ist gegen Fehler wie Wiederholung, Verlust, Einfügung, falsche Abfolge, Verfälschung, Verzögerung und Verwechslung von sicheren Daten mit Standarddaten abgesichert.

4. Zuverlässigkeit

Durch die Kombination aus Performance und Effizienz von Sercos III sowie dem flexiblen Einsatz und überprüfter Sicherheit werden alle Anforderungen an ein modernes, durchgängiges Automatisierungsnetzwerk erfüllt. Es bietet Alltagstauglichkeit durch das klassische Sercos-Protokoll und Zukunftssicherheit durch die Echtzeit-Ethernet-Lösung.

SERCOS III – Ausblick

Seit Oktober 2007 ist gehören alle drei Sercos-Generationen zu den internationalen IEC 61784-2 (Digitale Datenkommunikationen in der Leittechnik) und IEC 61158 (Feldbus für industrielle Leitsysteme) Standards.

Vor allem Sercos III bietet nicht nur eindrucksvolle Leistungsdaten, sondern erfüllt auch komplexe Automatisierungsaufgaben mit hoher Performance und Effizienz. So können beispielsweise bis zu 330 Antriebe mit 4 Byte Ein-/Ausgangsdaten und jeweils 8 digitalen E/A in einem Zyklus von einer Millisekunde miteinander kommunizieren. Dank der hohen Effizienz und Performance von Sercos III gibt es auf absehbare Zeit keine Anwendungen, die eine höhere Geschwindigkeit des Netzwerks notwendig machen würden.

Sowohl für Anwender als auch für Entwickler bedeuten Effizienz und Performance von Sercos III Zukunftsfähigkeit und Planungssicherheit für Investitionen in bestehende und neue Maschinensysteme.