Upgrade auf Ethernet

Upgrade auf Ethernet

In der Praxis ergibt sich damit folgende Konstellation: Powerlink-Geräte und -Vorrichtungen müssen sich in einem separaten Echtzeit-Ethernet-Segment des Netzwerks befinden. Um Datenkollisionen auszuschließen, dürfen hier keine Standard-Ethernet-Geräte installiert sein. Im Powerlink-Segment arbeitet ein Gerät als Managing Node, die anderen Geräte als Controlled Nodes. Die Verbindung der Geräte mit dem Netzwerk erfolgt über Hubs. Da keine Kollisionen auftreten können, ist die Anzahl der Hubs in einem Segment – und damit letztlich auch die Größe eines Powerlink-Systems – nicht begrenzt. Lediglich die maximale Entfernung zwischen zwei Hubs ist auf etwa 100 Meter beschränkt. Der Datenaustausch der Geräte im System basiert auf einem Kommunikationszyklus, der sich in eine synchrone und eine asynchrone Phase aufteilt: In der synchronen Phase erfolgt das zyklische Versenden aller zeitkritischen Daten, in der asynchronen Phase findet die Übertragung aller zeitunkritischen Daten wie Netzwerkmanagementdaten und -dienste, Parameter oder TCP/IP-Frames statt.

Auf der Anwendungsschicht stellt Powerlink ein Objektverzeichnis sowie PDOs, SDO-Dienste und Protokolle zur Verfügung. Das Objektverzeichnis besitzt dieselbe Struktur wie das CANopen-Objektverzeichnis. Somit lassen sich alle CANopen-Applikationen und Geräteprofile direkt mit Powerlink nutzen. Lediglich der Indexbereich 1000h bis 1FFFh enthält keine CANopen-, sondern reine Powerlink-Daten (Kommunikationsparameter). Prozessdatenobjekte (PDO) werden in den Frames der PollRequests und PollResponses in der synchronen Phase übermittelt. Ein Prozessdatenobjekt kann aus bis zu 1490 Bytes bestehen.

Controlled Nodes verfügen über ein Sende-PDO, empfangen können sie bis zu 253 PDOs. Ein Managing-Node hingegen kann 253 PDOs senden und ebenso viele empfangen. Servicedatenobjekte (SDO) werden in der asynchronen Phase übertragen und nutzen entweder Powerlink- oder UDP/IP-Frames. Im Gegensatz zu CANopen kann ein Powerlink-Gerät jederzeit jedes andere Powerlink-Gerät über SDO ansprechen. Mit dem UDP/IP-basierten SDO-Protokoll ist es mit einem speziellen Router auch möglich, SDOs über Standard-Ethernet zu senden. Auf diese Weise können beispielsweise ebenso Standard-PCs Zugriff auf Powerlink-Geräte erhalten. Kurzum: Für die Anwendung macht es keinen Unterschied, ob sie auf einem Powerlink-Stack oder auf einem CANopen-Stack läuft.

Neue System-Architekturen

Eine Lösung, um die Einschränkungen durch CANopen zu umgehen, liegt in der kompletten Umstellung auf Powerlink. Für viele bestehende Systeme kommt dies aber aus Kostengründen für die Verkabelung, Hardware und für die Systemintegration nicht in Frage. Oft ist es sinnvoller, statt einer Komplett-Umstellung eine Systemstruktur mit Subnetzwerken in Betracht zu ziehen, die über CANopen/ Powerlink-Gateways verbunden werden. Hierbei sind grundsätzlich zwei Systemarchitekturen möglich:

• Powerlink als Haupt- oder als Backbone-System mit CANopen-basierten Unternetzwerken. Dieses Systemkonzept erlaubt die schnelle Verteilung, Verwaltung und Protokollierung der Prozessdaten für die CANopen-Subsysteme. Zudem lässt sich mit dieser Struktur eine räumlich weit ausgedehnte Architektur realisieren.
• CANopen als Haupt- oder als Backbone-System mit Powerlink-basierten Unternetzwerken. Eine solche Netzwerkstruktur bietet sich an, wenn die Unterfunktionen extrem kurze Zykluszeiten, wie bei hochperformanten Motionsystemen üblich, oder eine große Bandbreite benötigen. Typisches Beispiel hierfür könnte ein Subsystem für Messungen sein, welches Messwerte speichert und berechnet und nur Resultate sowie Kontrolldaten an das übergeordnete CANopen-System weiterleitet.

Die zentrale Funktion eines CANopen/ Powerlink-Gateway besteht darin, die Prozessdaten im PDO-Format von einem Netzwerk an das andere weiterzuleiten. Da nicht alle Prozessdaten des einen Netzwerks auch für das andere von Bedeutung sind, muss sich im Gateway festlegen lassen, welche Prozessdaten es weiterleiten soll. Außerdem ist es erforderlich, auch mit SDOs auf Geräte zugreifen zu können, die sich hinter Netzwerkgrenzen befinden. Da der Zugriff durch SDOs ein Mechanismus ist, der Server/Client-Strukturen voraussetzt, ist weiterhin eine Methode vonnöten, die in der Lage ist, einzelne Geräte in unterschiedlichen Netzwerksegmenten zu adressieren. CANopen hat diesbezüglich mit dem Schnittstellenprofil CiA400 die Netzwerk-ID eingeführt. Für Powerlink besteht die Adressierungsmöglichkeit bereits durch die Kombination der IP-Adressen mit der NAT-Funktion (Network Address Translation). Weitere Forderungen an das Powerlink/ CANopen-Gateway betreffen die Weiterleitung von Fehlermeldungen aus den Subsystemen an das Hauptsystem und den Zugriff des Hauptsystems auf die Subsysteme zur Durchführung des Netzwerkmanagements.

1. Upgrade auf Ethernet
2. Die Gateway-Realisierung
3. Upgrade auf Ethernet