Servos im Ethernet-Ring

Der Aufwand bei herkömmlicher Verdrahtung eines Standard-Servo-Antriebssystems mit einer Positioniersteuerung oder SPS ist enorm. Durch Verwendung standardisierter Ethernet-Anschlusstechnik zwischen den Komponenten lassen sich hohe Einsparungen realisieren – sowohl den Kupfer-Einsatz betreffend als auch in punkto Zeitaufwand, was die Applikationserstellung und Inbetriebnahme angeht.

Der Aufwand bei herkömmlicher Verdrahtung eines Standard-Servo-Antriebssystems mit einer Positioniersteuerung oder SPS ist enorm. Durch Verwendung standardisierter Ethernet-Anschlusstechnik zwischen den Komponenten lassen sich hohe Einsparungen realisieren – sowohl den Kupfer-Einsatz betreffend als auch in punkto Zeitaufwand, was die Applikationserstellung und Inbetriebnahme angeht.

Kosten sparen ist eine der primären Forderungen im Maschinen- und Anlagenbau. Doch während in der Vergangenheit vorrangig die einzelnen Preise der im System verbauten Komponenten die Kalkulation bestimmten, gilt es mit zunehmender Komplexität der Anlagen, das System als Ganzes einer Kosten-Nutzen-Analyse zu unterziehen – und dies insbesondere unter dem Aspekt der modularen Einsetzbarkeit der Systembestandteile. Was damit gemeint ist, soll im Folgenden am Beispiel der Verdrahtung eines Antriebssystems dargestellt werden.

Bei der konventioneller Verdrahtung eines Servo-Systems sind sehr viele einzelne Leitungen nötig – pro digital angesteuerter Achse etwa neun digitale E/A beziehungsweise bei analoger Ansteuerung spezielle analoge Leitungen für die Geschwindigkeitsvorgabe zum Servoverstärker sowie Weggeberleitungen zur Positioniersteuerung. All diese „Strippen“ lassen sich heute durch eine einzige Ethernet-Ring-Leitung ersetzen. Im Fall der RTEX-Lösung von Panasonic – die Abkürzung steht für Real Time Express – handelt es sich dabei um eine kostengünstige und im PC-Umfeld übliche Fast-Ethernet-Leitung der Kategorie 5e (Cat-5e). Diese Leitung erlaubt eine Dezentralisierung mit einem Teilnehmerabstand von 60 m und einer 200 m umfassenden Ringstruktur über das gesamte Netz.

Neben dem geringeren Installationsaufwand trägt ein solches Vernetzungs-Konzept zur Erhöhung der Betriebssicherheit bei, da hierbei mögliche EMV-Störungen entfallen. Zudem treten weniger Kontaktprobleme auf und eine defekte Ethernet-Leitung ist schnell gefunden, indem beispielsweise das fehlende Leuchten der Link-LED auf einem Servoverstärker anzeigt, dass die Leitung zu diesem Servo nicht in Ordnung ist. Lediglich sicherheitsrelevante Eingänge wie Not-Aus-Kreis oder Hardware-Endschalter werden nach wie vor digital an den Antriebsverstärker angebunden, um das Systemverhalten entsprechend EN 954-1 sicherzustellen.

In Summe lassen sich also unter Verwendung der Ethernet-Physik bis zu 14 E/A pro Achse einsparen – ein nicht unerheblicher Kostenfaktor vor allem im Serienmaschinenbau. Damit nicht genug: Für den Applikationsingenieur ergeben sich zudem Zeitvorteile bei der Inbetriebnahme der Anlage. Für den Konstrukteur bedeutet ein solches Konzept weniger E/A-Module in der Planung, zugleich auch weniger Klemmstellen, Platzeinsparung im Schaltschrank und letztendlich erheblich weniger Planungsaufwand.

ISO-OSI-Schicht-1 als Basis

Mit seiner Übertragungsrate von 100 MBit/s ist das Fast-Ethernet geradezu prädestiniert als Grundlage zum Datentransport. Üblicherweise ist Ethernet jedoch mit seinen typischen Transport-Layern (TCP/IP, UDP) und erst recht mit seinen Application-Layern (FTP, HTTP) nicht echtzeitfähig und auch nicht zwingend schnell. Um trotzdem die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, wurde bei Verwendung von RTEX nur die Schicht 1 des ISO-OSI-Referenzmodells – also der Physical Layer – von den Entwicklern des Konzeptes umgesetzt. Die dabei verwendete Ringstruktur mit Master/Slave-Kommunikation verhindert Datenkollisionen, sorgt für das Echtzeit-Verhalten in der Kommunikation und erhöht die Anlagensicherheit. Der Zeitbedarf für den Datenaustausch mit bis zu acht Achsen beträgt 0,5 ms, wobei die Daten zweimal verifiziert werden. Ein komplettes Parameter-Update benötigt 1 ms.