Download - Realtime-Ethernet mit TwinCAT-Netzwerkvariablen · Publish-Subscribe Beckhoff Information System Realtime-Ethernet mit TwinCAT-Netzwerkvariablen Dieses Application Example beschreibt

Transcript

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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.

New Automation TechnologyBeckhoff 1AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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.

New Automation TechnologyBeckhoff 2AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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.

New Automation TechnologyBeckhoff 3AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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

1Physical Layer

Data Link Layer

Network Layer

Transport Layer

Session Layer

Presentation Layer

Application Layer 7

Ethernet

Physical Layer

Data Link Layer

Application Layer 7

1 Physical Layer

Data Link Layer

Application Layer7

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

New Automation TechnologyBeckhoff 4AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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.

New Automation TechnologyBeckhoff �AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

Real-time Ethernet backbone

Unicast

Broadcast

Switch Switch

CPU

M M M

CPU

M M M

CPU

M M M

CPU

M M M

Publish

Servo Drives Servo Drives

Servo DrivesServo Drives

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

New Automation TechnologyBeckhoff �AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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

P - PublisherS - Subscriber

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

DerVorteilbeidiesemKonzeptliegtinderhohenDeterministik,denniedrigenInfrastrukturkosten(Ethernet-PortsundKabel)

undderschnellenÜbertragungeinergroßenMengevonDaten.

New Automation TechnologyBeckhoff �AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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.

New Automation TechnologyBeckhoff �AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

TwinCAT

TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024

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

New Automation TechnologyBeckhoff 9

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