Ethernet Powerlink

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Ethernet Powerlink ist eine Protokollerweiterung zum Ethernet-Standard nach IEEE 802.3, um Echtzeitdaten im Mikrosekundenbereich zu übertragen. Der Hauptanwendungszweck ist die Übertragung von Prozessdaten in der Automatisierungstechnik. Ethernet Powerlink wurde ursprünglich von B&R entwickelt.

[Bearbeiten] Übersicht

Ethernet Powerlink wurde von Anfang an mit Bedacht auf Standard-Konformität entwickelt. Es erweitert Ethernet durch einen gemischten Polling- und Zeitscheibenmechanismus. Damit erreicht man

• die garantierte Übertragung von zeitkritischen Daten in sehr kurzen isochronen Zyklen mit konfigurierbarem Zeitverhalten
• die zeitliche Synchronisation aller Netzwerkknoten mit sehr hoher Präzision im Sub-Mikrosekundenbereich
• die Übertragung des weniger zeitkritischen Datenaufkommens im reservierten asynchronen Kanal

Aktuelle Implementierungen von Ethernet Powerlink erreichen Zykluszeiten von unter 200µs und eine zeitliche Präzision (Jitter) von besser als 1µs.

[Bearbeiten] Physikalische Ebene

Die ursprüngliche physikalische Ebene ist 100Base-X Fast Ethernet (IEEE800.3). Seit Ende 2006 unterstützt ETHERNET Powerlink mit Gigabit Ethernet eine 10 mal höhere Übertragungsrate (1000 Mbit/sec). Damit wird in ausgedehnte Anlagen mit hoher Produktionsleistung, etlichen Modulsteuerungen, vielen Antrieben sowie einer vollständig integrierten Sicherheitstechnik eine Perspektive für die Zukunft geboten. Gigabit Ethernet steht in der Informationstechnik an der Schwelle zur allgemeinen Verbreitung. Systemkonzepte, Komponenten und die Verkabelung ändern sich dabei nicht grundsätzlich. Es sind nur die Geräte, die auch diese hohe Übertragungsrate beherrschen, sowie ein etwas besseres Kabel (Cat5e) einzusetzen. Die Preisunterschiede zum Ethernet mit 100 Mbit/sec sinken dramatisch. Da ETHERNET Powerlink nur auf Standard-Ethernet-Konzepten aufsetzt und mit Standardbausteinen wie Mikrorechnern und FPGA-Bausteinen seine Lösungen realisieren kann fällt der Übergang leicht.

Um die Verzögerung und den Jitter zu minimieren, werden innerhalb der Echtzeit-Domäne Repeating-Hubs anstelle von Switches verwendet. ETHERNET Powerlink bezieht sich für eine saubere Verkabelung industrieller Netzwerke auf IAONAs „Industrial Ethernet Planning and Installation Guide". Beide Industrial Ethernet-Verbindungen, RJ45 und M12, sind zugelassen.

[Bearbeiten] Kommunikation

Damit die Echtzeit garantiert wird, müssen Kollisionen auf dem Ethernet vermieden werden. Dazu wird die Datenübertragung durch einen speziellen Knoten, dem "Managing Node" (MN), gesteuert. Die anderen Geräte, die sogenannten "Controlled Nodes" (CN), dürfen nur senden, wenn sie durch den MN dazu aufgefordert werden. Jeder Zyklus beginnt mit einen speziellem Telegramm, dem "Start of Cyclic" (SoC). Danach wird jeder Knoten vom MN mit einem "Poll Request" (PReq) abgefragt, worauf der CN mit einer "Poll Response" (PRes) antwortet. Die PRes werden per Ethernet-Broadcast gesendet, so können alle anderen die Antwort mithören. Somit ist ein Querverkehr zwischen den CNs möglich. Es muss nicht jedes Gerät in jedem Zyklus abgefragt werden. Die Antwortzeit eines Gerätes (t_PRes − t_PReq) ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Geräts. Nach Abschluss der zyklischen Phase beginnt die asynchrone Phase mit dem "Start of Acyclic (SoA)"-Telegramm. In dieser Phase kann jeweils ein CN andere Daten (z.B. TCP, UDP, ...) senden. Spezielle Router gewährleisten den Datenaustausch ins normale Ethernet.

[Bearbeiten] Objektverzeichnis

Alle Kommunikationsobjekte und alle Anwenderobjekte werden im Objektverzeichnis (OV) zusammengefasst. Das OV ist im EPL-Gerätemodell das Bindeglied zwischen der Anwendung und der EPL-Kommunikationseinheit. Jeder Eintrag im Objektverzeichnis steht für ein Objekt und wird durch einen 16-Bit-Index gekennzeichnet. Ein Index kann wiederum bis zu 256 Subindizes enthalten. Dadurch können bis zu 65536 × 254 Nutzeinträge pro Gerät unterschieden werden. (Die Subindizes 0 und 255 können nicht frei verwendet werden.) In Profilen ist die Zuordnung von Kommunikations- und Geräteprofilobjekten zu einem jeweiligen Index genau definiert und somit wird mit dem Objektverzeichnis eine eindeutige Schnittstelle zwischen der Anwendung und der Kommunikation nach außen definiert.

Indexbereich	Verwendung
0000	nicht genutzt
0001-009F	Datentypen (Sonderfall)
00A0-0FFF	reserviert
1000-1FFF	Kommunikationsprofil
2000-5FFF	herstellerspezifischer Bereich
6000-9FFF	bis zu 8 standardisierte Geräteprofile
A000-BFFF	standardisierte Schnittstellenprofile
C000-FFFF	reserviert

[Bearbeiten] Geräteprofile

Für eine Reihe von Geräteklassen wurden Geräteprofile definiert. Diese Geräteprofile definieren die Funktionalität und den Aufbau des Objektverzeichnisses für die jeweiligen Geräte. Durch die Nutzung von Geräten, welche einem bestimmten Profil entsprechen, wird eine höhere Unabhängigkeit von Geräteherstellern erreicht. EPL verwendet dabei die Geräteprofile von CANopen. Transformationsregeln legen dabei fest, welche Objekte der CANopen-Geräteprofile bei EPL-Geräten verwendet werden. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, dass bei EPL die Länge der Nutzdatenpakete (PDOs) größer ist.

[Bearbeiten] Weitere Protokolle

Alle IP-basierten Protokolle auf höheren Schichten, wie TCP, UDP und darüber, können ohne Änderung im Ethernet Powerlink Netzwerk eingesetzt werden. Im einzelnen unterstützt Ethernet Powerlink folgende Standards:

• IEEE 802.3 Fast Ethernet, Gigabit Ethernet
• IP-basierende Protokolle (UDP, TCP, etc.)
• Standard Geräteprofile: CANopen EN 50325-4 für die Automatisierung
• IEEE 1588 Echtzeit Domänen Synchronisation (zukünftige Versionen)

[Bearbeiten] Electronic Datasheets

Für die Nutzung von EPL-Geräten sind elektronische Datenblätter, sogenannte EDS-Dateien, nötig. Diese Dateien in einem standardisierten XML-Format entsprechend der ISO 15745-4 beschreiben sowohl die wichtigsten Parameter der Objekte der Objektverzeichnisse eines Gerätes als auch weitere Parameter wie z.B. die unterstützten Kommunikationsdienste. Konfigurationstools können EDS-Dateien einlesen und mit ihrer Hilfe mit dem jeweiligen Gerät kommunizieren und es ggf. parametrisieren.

[Bearbeiten] Standardisierung

Ethernet Powerlink wird von der offenen Anwender- und Anbietergruppe EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group) als offener Standard weiterentwickelt und spezifiziert.

[Bearbeiten] Diverses

Ethernet Powerlink sollte nicht mit Power over Ethernet, der Stromversorgung über die (ungenutzten) Adernpaare, verwechselt werden.

[Bearbeiten] Weblinks

• http://www.ethernet-powerlink.org
• http://sourceforge.net/projects/openpowerlink quelloffener Powerlink - Stack für LINUX