Flexible Topologien von Sercos III

Was ist eine Topologie?

Als Topologie beschreibt man die Vernetzungsstruktur mehrere Geräte untereinander, die einen Datenaustausch dieser Geräte miteinander ermöglicht. Die spezielle Topologie eines Netzwerks bestimmt dessen Ausfallsicherheit: nur bei alternativen/redundanten Verbindungen zwischen den Komponenten bleibt bei Ausfällen einzelner Komponenten die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems erhalten. Die physikalische Topologie beschreibt dabei den Aufbau der Verbindungen und die logische Topologie den Datenfluss innerhalb der Verbindungen.

Was sind flexible Topologien von Sercos III?

Grundlagen
Allgemein bestehen alle Sercos-Netzwerke aus mindestens einem Master für die Koordination und einem Slave für die Ausführung von Automatisierungsfunktionen. Sie sind einfach und übersichtlich in Linien- oder Ring-Topologie angeordnet. Dabei wird auf Switches oder Hubs verzichtet, was zu enormen Kosteneinsparungen führt. Jedes Gerät hat dabei mindestens zwei Ethernet-Anschlüsse. Diese werden über CAT5e-Ethernetkabel mit den anderen Geräten verbunden. Sercos III benutzt dabei nicht die Stern-Topologien des Industrial Ethernets.

1. Linien-Topologie

Bei der Linien-Topologie (auch lineare Topologie oder Bus-Topologie genannt) sind alle Geräte seriell angeordnet. Der Master befindet sich jeweils am Anfang einer Linie. Abweichend davon kann er sich in bestimmten Fällen auch zwischen zwei Linien befinden. Die Daten durchlaufen alle Slaves, die seriell, d.h. in Reihe hintereinander geschaltet sind und werden vom letzten Gerät zurückgeleitet (der sogenannte „Loop Back“). Unabhängig von der Linienfolge erreichen alle Daten jeden Teilnehmer garantiert innerhalb eines Zyklus mindestens einmal, da alle Komponenten des Systems die Daten in zwei Richtungen auswerten.

Vorteile dieser Methode sind die sehr einfache und kostengünstige Vernetzung aller Geräte miteinander auch über weite Strecken (so zum Beispiel bei Montagelinien).

Der Nachteil der Linien-Topologie liegt darin, dass Ausfälle in einem Übertragungssegment sich sofort im gesamten System bemerkbar machen.

Die Linien-Topologie wird zumeist in großen Fertigungseinrichtungen und auch zur Verbindung von Fertigungszellen benutzt.

2. Ring-Topologie

Durch zusätzliche Kabel kann man das Netzwerk zu einem Ring verbinden. Das funktioniert bei einer Linie mit nur einem Kabel zwischen dem Master und dem letzten Slave, bei zwei Linien jeweils zwischen den beiden letzten Slaves. Bei der Ring-Topologie schickt der Master jeweils aus beiden Ports Daten in den Ring, so dass diese auch im Ring in zwei Laufrichtungen ausgewertet werden.

Dabei handelt es sich bei den flexiblen Topologien von Sercos III nicht um einen einfachen Ring, sondern um eine Doppelringstruktur. Dabei sind alle Komponenten jeweils über zwei Verbindungen miteinander verbunden. Erst diese Verschaltung ermöglicht eine weitere Funktionsfähigkeit des Netzwerks auch bei Ausfall einzelner Verbindungen.

Als Vorteil der flexiblen Topologien von Sercos III ist zuallererst die redundante Verkabelung zu nennen, die einen störungsfreien Ablauf ermöglicht und Störungen zur Behebung meldet. Störungen können dann ohne Beeinträchtigung des Systems behoben werden. Somit bleibt das Netzwerk immer verfügbar, sogar bei einem Kabelbruch. Zudem arbeitet jede Komponente der Ring-Topologie als Verstärker, alle Komponenten haben gleiche Zugriffsmöglichkeiten, die Übertragungsbandbreite ist garantiert und die Programmierung ist einfach, weil es sich hierbei um eine reguläre Topologie handelt.

Nachteile der flexiblen Topologien von Sercos III bestehen in dem relativen Verkabelungsaufwand, dem relativ hohen Durchmesser des Systems und darin, dass Datenübertragungen leicht abgehört werden können.

Ring-Redundanz und Hot-Plugging

Die flexiblen Topologien von SERCOS III bedienen sich der Ring-Redundanz im Fehlerfall (zum Beispiel Kabelbruch oder Knotenausfälle). Dabei bleibt die Kommunikationsfähigkeit durch schnelles Umschalten des Übertragungsweges komplett erhalten, da sich der aktive Ring in zwei Linien aufteilt. Die Echtzeitdaten werden dabei schon im Normalbetrieb redundant, das heißt auf zwei getrennten Wegen (dem sogenannten Primär- und Sekundärkanal) übertragen. Im Fehlerfall schalten die Knoten, die sich direkt an der Fehlerstelle befinden innerhalb von höchstens 25 μs von „Weiterleiten“ auf „Loopback“ um. Da die Kommunikationsfähigkeit also selbst bei einer Kabelunterbrechung erhalten bleibt, ist auch das Anschließen und Einbinden neuer Teilnehmer (Hot-Plugging) bzw. neuer Teilnehmergruppen (Hot-Swapping) in das Kommunikationsnetz möglich.

3. Andere Topologien

Andere mögliche flexible Topologien von Sercos III sind hierarchisch, kaskadierte Netzwerkstrukturen. Dabei werden einzelne Netzwerksegmente untereinander über eine Ring- und Linientopologie miteinander vernetzt.

Vorteile dieser Vernetzung sind in Echtzeit gekoppelte synchronisierte Netzwerkstrukturen, sowie die Möglichkeit in den einzelnen Segmenten unterschiedliche Zykluszeiten zu generieren, zum Beispiel zur Vernetzung von Antrieben und Steuerungen. Außerdem können dadurch alle Teilnehmer des Netzwerks in Echtzeit miteinander kommunizieren. Die Infrastrukturkomponente Topo-Extension eröffnet dabei neue Möglichkeiten für eine einfache Verkabelung von flexiblen Topologien von Sercos III, da sie den Verkabelungsaufwand erheblich verringert. Das geschieht dadurch, dass das Gerät erst die beiden notwendigen Leitungen der Ring-Verkabelung zu einem Kabel zusammenfasst und die Signale dann wieder auf zwei einzelne Kabel aufteilt. Dadurch können einzelne Komponenten unter Beibehaltung der Vorteile der flexiblen Topologien von Sercos III mit einem einzigen Kabel verbunden werden.

Installation der flexiblen Topologien von Sercos III

Die Installation einer flexiblen Topologien von Sercos III ist einfach und erfordert keine spezielle Netzwerkkonfiguration. Alle Geräte werden durch Patch- oder Crossoverkabel miteinander verbunden. Die Ethernet-Ports der Geräte sind austauschbar und können auch genutzt werden, um Standard-Ethernet-Geräte (z. B. Notebooks) an ein SERCOS III-Echtzeit- Netzwerk anzuschließen. Damit kann mit beliebigen Ethernet- und IP-Protokollen auf Geräte zugegriffen werden, ohne dabei das Echtzeitverhalten des SERCOS III-Netzwerks zu beeinflussen oder ohne dass überhaupt das Sercos-III-Protokoll aktiviert sein muss.

Die maximale Teilnehmerzahl pro Ring /Linie beträgt bei den flexiblen Topologien von Sercos III 511 Teilnehmer. Bei Sercos I und Sercos II sind nur 254 Teilnehmer pro Ring möglich.