Realtime-Ethernet mit TwinCAT-Netzwerkvariablen · Publish-Subscribe Beckhoff Information System...

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TwinCAT TwinCAT Application Note DK9321-0110-0024 Keywords Realtime-Ethernet Netzwerkvariablen TwinCAT Multimaster FC9004 Publish-Subscribe Beckhoff Information System Realtime-Ethernet mit TwinCAT-Netzwerkvariablen Dieses Application Example beschreibt die Funktion und Anwendung von TwinCAT-Netzwerkvariablen nach Publish-/Subscribe-Prinzip. Mit Hilfe dieser Netzwerkvariablen können Daten zwischen Steuerungen in Echtzeit auf Basis von Realtime-Ethernet ausgetauscht werden. Im Gegensatz zum Master-Slave-Prinzip gibt es beim Publish/Subscribe keine feste hierarchische Struktur, sodass flexibel auf dynamische Veränderungen während der Laufzeit reagiert werden kann. Da die Netzwerkvariablen auch über Standard-Protokolle (TCP/UDP) transportiert werden, kann eine bestehende Ethernet-Infrastruktur genutzt werden (Büro- oder Firmennetz). Kommunikation auf Prozessleitebene Die Prozessleitebene ist die Kommunikationsebene, auf der die Steuerungen einer Anlage applikationsbezogene Daten austauschen. Häufig ist zwischen den einzelnen Steuerungen keine feste hierarchische Struktur wie bei der Master Slave- Prozessdatenkommunikation sinnvoll, da sie einerseits unabhängig voneinander und andererseits je nach Prozessstatus in verschiedenen Konstellationen agieren.Aus diesem Grund empfiehlt sich das Publisher-Subscriber-Prinzip unter Verwendung des deterministischen Realtime-Ethernets. Publisher-Subscriber anstatt Master-Slave Im Gegensatz zu dem bei den herkömmlichen Feldbussystemen häufig angewandten Master-Slave-Prinzip,gibt es bei Publisher-Subscriber-Verfahren keinen zentralen Master für dieVerarbeitung der Prozesssignale und die Steuerung der Kommunikation. Eine Steuerung (Publisher) bietet ihre Daten auf dem Netzwerk an, welche dann von Teilnehmern (Subscribern) abonniert werden können. Jede Steuerung kann also Publisher und Subscriber zugleich sein. New Automation Technology BECKHOFF 1 Anwendungshinweise siehe Disclaimer auf der letzten Seite

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TwinCAT

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KeywordsRealtime-EthernetNetzwerkvariablenTwinCATMultimasterFC9004Publish-SubscribeBeckhoffInformationSystem

Realtime-Ethernet mit TwinCAT-Netzwerkvariablen

Dieses Application Example beschreibt die Funktion und Anwendung von TwinCAT-Netzwerkvariablen nach

Publish-/Subscribe-Prinzip. Mit Hilfe dieser Netzwerkvariablen können Daten zwischen Steuerungen in

Echtzeit auf Basis von Realtime-Ethernet ausgetauscht werden. Im Gegensatz zum Master-Slave-Prinzip gibt

es beim Publish/Subscribe keine feste hierarchische Struktur, sodass flexibel auf dynamische Veränderungen

während der Laufzeit reagiert werden kann. Da die Netzwerkvariablen auch über Standard-Protokolle

(TCP/UDP) transportiert werden, kann eine bestehende Ethernet-Infrastruktur genutzt werden (Büro- oder

Firmennetz).

Kommunikation auf ProzessleitebeneDieProzessleitebeneistdieKommunikationsebene,aufderdieSteuerungeneinerAnlageapplikationsbezogeneDaten

austauschen.HäufigistzwischendeneinzelnenSteuerungenkeinefestehierarchischeStrukturwiebeiderMasterSlave-

Prozessdatenkommunikationsinnvoll,dasieeinerseitsunabhängigvoneinanderundandererseitsjenachProzessstatusin

verschiedenenKonstellationenagieren.AusdiesemGrundempfiehltsichdasPublisher-Subscriber-PrinzipunterVerwendung

desdeterministischenRealtime-Ethernets.

Publisher-Subscriber anstatt Master-SlaveImGegensatzzudembeidenherkömmlichenFeldbussystemenhäufigangewandtenMaster-Slave-Prinzip,gibtesbei

Publisher-Subscriber-VerfahrenkeinenzentralenMasterfürdieVerarbeitungderProzesssignaleunddieSteuerungder

Kommunikation.EineSteuerung(Publisher)bietetihreDatenaufdemNetzwerkan,welchedannvonTeilnehmern

(Subscribern)abonniertwerdenkönnen.JedeSteuerungkannalsoPublisherundSubscriberzugleichsein.

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Broadcast Unicast Multicast

Publisher

Subscriber Subscriber/Publisher

Subscriber Subscriber

Abb. 1 Broadcast, Multicast und Unicast als Kommunikationspfade

DerPublisherkannseineDateninverschiedenenModiverschicken.Broad-,Multi-oderUnicastkönnenverwendetwerden.Es

handeltsichimmerumunbestätigteDienste,d.h.derkorrekteEmpfangderDatenwirdnichtimVersendergeprüft.Damitwird

diegesamteKommunikationsehrschlankunddieNutzdatenratemassiverhöht.

Vorteile der TwinCAT-Netzwerkvariablen (Publisher-Subscriber)ErstimSubscriberfindetdieKommunikationsüberwachungstatt.GegenseitigePublisher-Subscriber-Beziehungenermöglichen

bi-undmultidirektionaleKommunikationen:DerDatenverkehrfließtzwischendenassoziiertenTeilnehmern.Daherkönnensie

direktmiteinanderkommunizieren,ohneübereinezentraleInstanz,einenMaster,gehenzumüssen.Nebenderwegfallenden

ZwischenspeicherungistdieseArtderKommunikationauchsehrflexibel–eineÄnderungderNutzeranzahlwährendder

Laufzeitistmöglich,ohnedenKommunikationsprozesszubeeinflussen.

DerEinsatzvonRealtime-Ethernetlässteszu,sämtlicheVorteilevonEthernetfürindustrielleAnwendungenzunutzen:

– EinsatzvonStandard-Hardwarekomponenten

– keinefeldbusspezifischeSchnittstellenotwendig–nureinEthernet-Port

– Standardprotokolle(TCP/UDPetc.)könnenparalleleingesetztwerden.

– Datenübertragungsratensindvergleichsweisesehrhoch.

– Fernwartungunddiagnosesindparallelmöglich.

ZusammenfassendistRealtime-EthernetmitTwinCAT-Netzwerkvariablendeterministisch,schnell,preiswertunderlaubt

EchtzeitfähigkeitmitparallelemEinsatzvonFeldbuskommunikationaufeinerSteuerung.

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Realtime-Ethernet und TwinCATZurNutzungvonRealtime-EthernetwirdeinkonventionellerEthernet-Portgenutzt,deraufdengleichenTreiberzugreift,

derauchfürdieEtherCAT-Kommunikationverwendetwird.DerTwinCAT-Realtime-Ethernet-Treiber(auchY-Treibergenannt)

musskeinerweiterenKonfigurationunterzogenwerden,dadieTwinCAT-Kommunikationsstrukturgenutztwird.Sokannauf

einevorhandeneInfrastrukturaufgesetztwerden,umeinennicht-eventgetriebenenzyklischenDatenstrommitdenTwinCAT-

Netzwerkvariablenzuverteilen.EineazyklischeKommunikation(„beiBedarf“)überRealtime-Ethernetistauchmöglich.Hier

wird,wiebeiTwinCATüblich,ADSverwendet(‚ADSoverRealtime-Ethernet’).WeiterführendeInformationenzudenThemen

Realtime-EthernetundTwinCAT-NetzwerkvariablenimBeckhoffInformationSystem!DieentsprechendenLinksfindensich

amEndedesDokuments.

Abb. 2 TwinCAT System Manager mit Diagnosefunktion zur Betrachtung der Latenzzeiten der einzelnen Variablen

DiePublisher-SteuerungimSystemManagerlässtflexibleReaktionenaufdynamischeVeränderungenzu:Sokönnenzur

LaufzeitZieladdressenoderVariablen-IDsdereinzelnenSendungenverändertwerden.DieTwinCAT-Diagnoselässtjederzeit

RückschlüsseaufaktuelleLatenzenunddieNetzwerkauslastungzu.DaeineÜberprüfungerstimSubscriberstattfindet,

kannimTwinCATSystemManagerinderSubscriber-BoxdieentsprechendeVariableaufgerufenwerden,umunterdem

PunktQuality–OnlinedieRefreshratederVariablezubetrachten.IndervorhergehendenAbbildung2hatamPunktAeine

Verbindungsunterbrechungvonca.2,5svorgelegen.

ImGegensatzzudenweitverbreitetenTCP/IP-undUDP/IP-Protokollen(Abb.3links),dieweltweitfürdieZustellung

individuellerEthernet-Framesverantwortlichsind,benötigtdieEchtzeitkommunikationmitNetzwerkvariablen(Abb.3rechts)

innerhalbeineslokalenSubnetzesnurdieHardware-AdressenderNetzwerkkarten.DerOverheadausTCP/IPundUDP/IPist

innerhalbeinesSubnetzesunnötig–daherfallendieSchichten3und4imISO-OSI-Modelweg.DieGerätewerdendirektüber

dieHardware-Adressen(MAC-ID)derNetzwerkkarten(Schicht2)adressiertwerden.

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DasBetriebssystemdesPCsistnichtindieÜbertragungderDateninvolviert,sowirdeineweitaushöhereDeterministik

erreichtundAntwortzeitenkönnengarantiertwerden.DiebeiTCP/IPnotwendigenDurchlaufzeitendesWindows-Stacksfallen

beiRealtime-Ethernetnichtmehran,wodurchhoheÜbertragungsgeschwindigkeitenerreichtwerden.Nebenderschnellen

ÜbertragungistauchdieNutzdatenratebeiRealtime-Ethernetsehrhoch:ProPublisherstehteinkompletterEthernet-Framezur

Verfügung,dessen1480BytevollständigzumTransportderProzessdatengenutztwerdenkönnen.

Übertragung via TCP/IP Übertragung via Realtime-Ethernet

WindowsStack

Ethernet

mit Stack-Laufzeiten ohne Stack-Laufzeiten

Physical Layer

Data Link Layer

Network Layer

Transport Layer

Session Layer

Presentation Layer

Application Layer7

6

5

4

3

2

1Physical Layer

Data Link Layer

Network Layer

Transport Layer

Session Layer

Presentation Layer

Application Layer 7

6

5

4

3

2

1

Ethernet

Physical Layer

Data Link Layer

Application Layer 7

2

1 Physical Layer

Data Link Layer

Application Layer7

2

1

Publisher SubscriberPublisher Subscriber

RJ 45 RJ 45 RJ 45 RJ 45

Abb. 3 Realtime-Ethernet: Übertragung ohne Stacklaufzeiten im Gegensatz zu TCP/IP

WenndaslokaleSubnetzverlassenwerdenmuss,könnendieNetzwerkvariablenalternativzumRealtime-Ethernetauchüber

dieStandard-ProtokollewieTCPundUDPtransportiertwerden.UmdieNetzwerkvariableninnerhalbeinerbestehenden

Büro-Infrastrukturnutzenzukönnen,dieaufEthernetbasiert(UDPundTCP),sindfolgendePunktzuberücksichtigen:Die

NetzwerkkomponentenmüssenmiteinemIntel®-ChipausgestattetseinunddieKommunikationdarfnichtübereinenRouter

erfolgen.DieRückwirkungvonBroadcast-TelegrammenistbeiTrafficeinzukalkulieren,dahersolltedieKommunikation

möglichstineinemeigenenSegmentablaufen.

Beispielhafte AnwendungenRealtime-EthernetaufBasisderTC-NetzwerkvariablenfindetinvielenBereichenAnwendung.ImFolgendenwerdendrei

exemplarischeAnwendungenaufgegriffen,umdenEinsatzvonRealtime-Ethernetgreifbarzumachen:

A VerteiltesMotionControl

B VerteilteSafety

C Highspeed-Inter-PC-Kommunikation

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A Verteiltes Motion ControlSteuerungskonzeptemitverteilterIntelligenzfindenbeikomplexenAnlagenAnwendung,wenndieAnlageinlogische

Einheitengeteiltwerdensoll.DieeinzelnenTeilekönnendannseparatprojektiertundinBetriebgenommenwerden.Beim

ZusammenschlussallereinzelnenTeilefindetdieKommunikationaufzweiEbenenstatt:

Prozessebene

Feldebene

Master

Slaves

CPU CPU CPU

TwinCAT-Netzwerkvariablen über Realtime-Ethernet

beliebiger Feldbus beliebiger Feldbus beliebiger Feldbus beliebiger Feldbus

CPU

Abb. 4 Unterschiedliche Kommunikationskanäle auf Feld- und auf Prozessebene

Feldbusebene:

JedeeinzelneSteuerungistMasterinnerhalbeinereigenständigenFeldbusumgebungundtauschtaufBasiseines

beliebigenFeldbusseszyklischdieDatenmitdenangeschlossenenSlavesaus.

Prozessebene:

DieeinzelnenSteuerungen(Master)tauschenübereinengemeinsamenKommunikationskanal(Backbone)diefürdie

ApplikationrelevantenDatenundParameterinFormvonNetzwerkvariablenaus.Siewerdenzyklischzwischenden

Steuerungenkommuniziert.DasRealtime-EthernetdientalsTransportmediumderNetzwerkvariablen.

EinefestehierarchischeStrukturderSteuerungenuntereinander,wiesieinderFeldbusebenealsMaster-Slave-Relationüblich

ist,istnichtsinnvoll.DaherwirdderAufbauausmehrerenMastern(vgl.Abb.5)mitTwinCATNetzwerkvariablenüberRealtime-

Ethernetumgesetzt,umdieSteuerungenaufübergeordneterEbenemiteinanderzuvernetzten.

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Real-time Ethernet backbone

Unicast

Broadcast

Switch Switch

CPU

M M M

CPU

M M M

CPU

M M M

CPU

M M M

Subscribe

Subscribe

Subscribe

Publish

Subscribe

Publish

Servo Drives Servo Drives

Servo DrivesServo Drives

Abb. � Multimaster-Kommunikation durch TwinCAT-Netzwerkvariablen über einen Realtime-Ethernet-Backbone

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B Verteile Safety

ÜberTwinCATundNVperRealtime-EthernetkanngeradeimmodularenMaschinenbaueinekostengünstigeVernetzung

vonSicherheitssteuerungenerfolgen.WenninnerhalbeinesSegmenteseinNot-Ausausgelöstwird,müssenjeweilsdas

Segmentdavorunddanachabgeschaltetwerden.ÜberRealtime-EthernetundTwinCAT-NetzwerkvariablenwerdendieNot-

Aus-FunktionenderSegmentealsPublisherimUnicastveröffentlichtunddiebeidenumgebendenSegmentealsSubscriber

eingetragen.

Realtime-Ethernet

Safety-ModuleSafety über Realtime-Ethernet

beliebiger Feldbus zur Kommunikation der Steuerung

SS SS SSSS PP P

Embedded-PCCX1020

Embedded-PCCX1020

Embedded-PCCX1020

Embedded-PCCX1020

Embedded-PCCX1020

PP

P - PublisherS - Subscriber

Abb. � Verteilte Safety über Realtime-Ethernet innerhalb einer modularisierten Fertigungsstrasse

DerVorteilbeidiesemKonzeptliegtinderhohenDeterministik,denniedrigenInfrastrukturkosten(Ethernet-PortsundKabel)

undderschnellenÜbertragungeinergroßenMengevonDaten.

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C �0-µs-Inter-PC-KommunikationImGegensatzzudenvorherigenAnwendungengehtesimfolgendenBeispielnichtummassiveVernetzungunterschiedlicher

Teilnehmer,sondernumbesonderskurzeZykluszeiten.

Ethernet

PCPC

EtherCAT-Klemmen

PCI- FeldbuskarteFC9004 μs

Realtime-Ethernet-Kommunikation

Abb. � Ultraschnelle Kommunikation zwischen mehreren PCs über die FC9004

UmDatenzwischeneinemzentralenPCunddreiangeschlossenenPCsauszutauschen,kannaufGrunddesschlanken

ProtokollsunddesdirektenZugriffseinehoheZykluszeiterreichtwerden.DieangeschlossenenPCssindübereinePCI-

FeldbuskarteFC9004undohneweitereSwitchemitdemzentralenPCverbunden.BeiderKonfigurationinTwinCATwerden

diebidirektionalenKommunikationsstrukturenmitdenTwinCAT-Netzwerkvariablenumgesetzt.DiefolgendeAbbildung8zeigt

einenScreenshotdesTwinCATSystemManagersmiteinerRealtime-Ethernet-VerbindungbeieinerÜbertragungsratevon

20.026FramesproSekundeinSende-wieEmpfangsrichtung,alsoeineZykluszeitvon50µs.

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DiesesDokumententhältexemplarischeAnwendungenunsererProduktefürbestimmteEinsatzbereiche.DiehierdargestelltenAnwendungshinweiseberuhenaufdentypischenEigenschaftenunsererProdukteundhabenausschließlichBeispielcharakter.DiemitdiesemDokumentvermitteltenHinweisebeziehensichausdrücklichnichtaufspezifischeAnwendungsfälle,daherliegtesinderVerantwortungdesKundenzuprüfenundzuentscheiden,obdasProduktfürdenEinsatzineinembestimmtenAnwendungsbereichgeeignetist.WirübernehmenkeineGewährleistung,dassderindiesemDokumententhalteneQuellcodevollständigundrichtigist.WirbehaltenunsjederzeiteineÄnderungderInhaltediesesDokumentsvorundübernehmenkeineHaftungfürIrrtümerundfehlendenAngaben.EinedetaillierteBeschreibungunsererProdukteenthaltenunsereDatenblätterundDokumen-tationen,diedarinenthaltenenproduktspezifischenWarnhinweisesindunbedingtzubeachten.DieaktuelleVersionderDatenblätterundDokumentationenfindenSieaufunsererHomepage(www.beckhoff.de).

©BeckhoffAutomationGmbH,Januar2010DieWeitergabesowieVervielfältigungdiesesDokuments,VerwertungundMitteilungseinesInhaltssindverboten,soweitnichtausdrücklichgestattet.ZuwiderhandlungenverpflichtenzuSchadenersatz.AlleRechtefürdenFallderPatent-,Gebrauchsmuster-oderGeschmacksmustereintragungvorbehalten.

Abb. � �0-µs-Inter-PC-Kommunikation

–SPSundMotionControlaufdemPCwww.beckhoff.de/TwinCAT

–PCI-FeldbuskartenfürEthernetwww.beckhoff.de/FC9004

–BeckhoffInformationSystemhttp://infosys.beckhoff.com

–TwinCAT-NetzwerkvariablenimBeckhoffInformationSystem

http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcsystemmanager/netvars/bt_el66xx_beckhoff_network_var_settings.htm

– Realtime-Ethernet imBeckhoffInformationSystem

http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcrtethernet/html/tcrtethernet_configuration.htm

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DiesesDokumententhältexemplarischeAnwendungenunsererProduktefürbestimmteEinsatzbereiche.DiehierdargestelltenAnwendungshinweiseberuhenaufdentypischenEigenschaftenunsererProdukteundhabenausschließlichBeispielcharakter.DiemitdiesemDokumentvermitteltenHinweisebeziehensichausdrücklichnichtaufspezifischeAnwendungsfälle,daherliegtesinderVerantwortungdesKundenzuprüfenundzuentscheiden,obdasProduktfürdenEinsatzineinembestimmtenAnwendungsbereichgeeignetist.WirübernehmenkeineGewährleistung,dassderindiesemDokumententhalteneQuellcodevollständigundrichtigist.WirbehaltenunsjederzeiteineÄnderungderInhaltediesesDokumentsvorundübernehmenkeineHaftungfürIrrtümerundfehlendenAngaben.EinedetaillierteBeschreibungunsererProdukteenthaltenunsereDatenblätterundDokumen-tationen,diedarinenthaltenenproduktspezifischenWarnhinweisesindunbedingtzubeachten.DieaktuelleVersionderDatenblätterundDokumentationenfindenSieaufunsererHomepage(www.beckhoff.de).

©BeckhoffAutomationGmbH,Januar2010DieWeitergabesowieVervielfältigungdiesesDokuments,VerwertungundMitteilungseinesInhaltssindverboten,soweitnichtausdrücklichgestattet.ZuwiderhandlungenverpflichtenzuSchadenersatz.AlleRechtefürdenFallderPatent-,Gebrauchsmuster-oderGeschmacksmustereintragungvorbehalten.

Abb. � �0-µs-Inter-PC-Kommunikation

–SPSundMotionControlaufdemPCwww.beckhoff.de/TwinCAT

–PCI-FeldbuskartenfürEthernet

1-kanaligeAusführungwww.beckhoff.de/FC9001

mehrkanaligeAusführungwww.beckhoff.de/FC9002

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–BeckhoffInformationSystemhttp://infosys.beckhoff.com

–TwinCAT-NetzwerkvariablenimBeckhoffInformationSystem

http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcsystemmanager/netvars/bt_el66xx_beckhoff_network_var_settings.htm

– Realtime-Ethernet imBeckhoffInformationSystem

http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcrtethernet/html/tcrtethernet_configuration.htm