Bron: Hirschmann Automation & Control
Ehternet in industriële omgeving
Wat maakt switches industrieel?
Netwerk management SNMP
Tijd synchronisatie
....
www.regeltechnieken.org
www.ie-net.be/reg
1 of 29
Download to read offline
More Related Content
Real-Time in industriëel Ehternet
1. Real-Time in Industriëel
Ethernet
“De toekomst start met de kennis van vandaag”
Geert Bracke
Account Manager BeLux
Hirschmann Automation & Control
Infosessie okt. 2006
2. (Petro)chemie Infratechniek
Ethernet in industriële omgeving
• (Pharmaceutische) Chemie
• Olie- en gas raffinaderijen
• IJzer- en staalproduktie
• Verkeerautomatisering,
• Tunnel- en brug bewaking
• Rail- en waterwegbewaking
• Openbaar vervoer infosystemen
• Ruwwater transport
• Drinkwater
• Afval water
Water
Voedingsmiddelen
• (Medisch)voedsel productie en
verpakking
• Frisdrank & Bierbrouwerijen
• Zuivelindustrie
AutomotiveMachine control
• Koppeling van samen-
gestelde machines
• HM interface
• Lasrobots
• Productiestraat automatisering
• Component traceerbaarheid
3. MES
Controle Laag
ERP
Veld
Supervisie
INFORMATIE
Industrial Ethernet
Industrial Ethernet
Veldbus Veldbus Veldbus
Fabrieksnetwerk
Controle Netwerk
DATA
EthernetKantoor Netwerk
x
i
R-VIPT
P OW ER
DA
L S
COM
OUT
I N
Et h e rn e t
VI DEO
OU T - AUDI O - IN
OUT - Al a rm - I N
VI DEO I N
T ra n s p a re n t
D a ta
F AUL T
+ 2 4 V + 2 4 V*
LTC 0xxx
PHILIPS
Apparaatnetwork
wordt vaker Ethernet
Industriëel Ethernet in het bedrijf
4. VPNVPN
Wat maakt switches industrieel?
Grote diversiteit in aantal en poorttypes
binnen 1 apparaat, of modulaire opbouw
leidt (binnenkort) tot >1000 modelvarianten
USB-stick
aansluiting voor
config.file back-up
M12-D als RJ45 niet meer voldoet
EN50121-4
-40 ¥ +70°C
Approvals
Kapersky
Anti Virus
Firewall / VPN server /
Virus scanner voor
beveiligde koppelingen
G L
8. 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)
9. 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
10. 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“
Real-time toepassingen met Ethernet
11. Gecontroleerde data stroom
=> Gedefinieerde overgang
Netsegment met
Real Time eis
1ste stap = segmentering (clustering)
Creëer logische groepen van gebruikers achter een switch en
houd zicht op de verbinding naar de backbone
Segmentering
12. Tijd synchronisatie
Netsegment met
Real Time eis
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
13. Classificatie van Real-Time Protocollen
• 5 actuele protocollen ingedeeld naar
Hardware en Software aanpassingen
• 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
Ethernet / IP
Eth. Power Link
Profinet IRT (v3)
Sercos-III
EtherCAT
Hardware
Software(OSIlaag3&4)
Proprietair StandaardconformProprietairStandaardconform
15. 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
Ethernet
CSMA/CD
Powerlink Ethernet
CSMA/CD
IP
TCP UDP
IP
TCP UDP
Application
acycl. Data
Powerlink Node Powerlink Bridge TCP/IP Host
Application
cycl. Data acycl. Data
Ethernet
CSMA/CD
Powerlink
Ethernet
CSMA/CD
Bridging
Ethernet
CSMA/CD
Powerlink
IP
TCP UDP
Application
cycl. Data acycl. Data
Powerlink Node
Powerlink Segment
16. 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
17. 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
18. 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
19. Frame structuur
Framestructuur van de tijdslot systemen :
Source
MAC
Destin.
MAC
Ethertype
= Realtime
Realtime-Data TN x FCS
Source
MAC
Destin.
MAC
Ethertype
= IP
IP-Header FCSIP-Data
(TCP-Header, TCP-Data)
EtherCAT Source
MAC
Destin.
MAC
Ethertype
= EtherCAT
HDR
TN 1
FCSData
TN 1
HDR
TN 2
Data
TN 2
....
Realtime- &
algemeen
Verkeer
EPL
Profinet IRT
Sercos-III
isochroon
Verkeer
asynchroon
Verkeer
Ethernet-TCP/IP Telegram
Ethernet-Header
getunneld
Ethernet-TCP/IP Telegram
20. 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
ControlNet
Phys. layer
DeviceNet
Phys. layer
EtherNet
Physical layer
ControlNet
CTDMA
DeviceNet
Phys. layer
EtherNet
CSMA/CD
ControlNet
Transport
DeviceNet
Transport
IP
TCP UDP
Encapsulation CPF
CIP message routing, connection management
CIP data management services
Explicit messages, I/O messages
CIP application layer
Application object library
Semi-
conductors
Pneumatic
valves
AC drivers
Position
controls
Other device
profiles
Possible
future
alternatives:
other
networks
FTP
SNMP
HTTP
SMTP
CIP
21. 100 Mbit/s< 0.1 µs≈ 0.1 msETGEtherCAT
100 Mbit/s< 0.1 µs< 0.5 msIGSSercos-III
100 Mbit/s< 1 µs< 1 msPNOProfinet v.3
100 Mbit/s< 1 µs< 1 msEPSGEthernet Powerlink
100 Mbit/s< 1 µs≈ 1 msODVAEthernet/IP CIPSync
Data rateJittercyclustijd
(voor 100 assen)
Organisatie
Vergelijking van Real-Time protocollen
Wat is Real Time…
- Het is geen absoluut gegeven, maar afhankelijk van de applicatie
- 2 prestatieparameters : cyclustijd en jitter
Conclusie: hoe meer proprietair, hoe sneller !?
22. Vergelijking met veldbussen
174 packets/ms72 bytes100 Mbit/sEthernet
142 packets/ms14 bytes16 Mbit/sSercos-II
79 packets/ms19 bytes12 Mbit/sProfibus DP
Theoretische packet overdrachtPacket size (met 8 bytes user data)Transfer rate
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)
23. Test opstelling
Master Clock Boundary
Clock Slave Clock
PPS Out PPS Out
Full Network
Traffic up to 90% @ 100MBit/s
PTP IEEE 1588 - Implementatie
Gemeten kloktijd synchroniteit
(Master Clock ->
Switch (Boundary Clock) ->
Switch (Slave Clock)
±120ns
(gemeten over 84h)
GPS ref.
clock
24. Synchronisatie Snelheid
- Tijdsduur totdat 2 klokken gelijk lopen (hersync. elke 2 sec.)
T
ra
n
s
ie
n
t
O
s
c
illa
tio
n
-2
0
0
0
0
-1
5
0
0
0
-1
0
0
0
0
-5
0
0
00
5
0
0
0
1
0
0
0
0
1
5
0
0
0
2
0
0
0
0
0
2
0
4
0
6
0
8
0
1
0
0
1
2
0
tim
e
[s]
Offset[ns]
O
ffs
e
t
P
I-O
u
t
D
rift
Drift / rate [ns/s]
PTP IEEE 1588 - Implementatie
25. 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 (1)
26. 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 (2)
28. 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!)