Foto: EPSG
High-Speed für mobile Maschinen

Der Automatisierungsgrad von Arbeitsmaschinen ist rasant gestiegen. Die anfallenden Datenmengen lassen sich mit dem bisher verwendeten CAN-Bus nicht mehr bewältigen. Als leistungsfähiges Bussystem bieten sich Industrial-Ethernet-Protokolle wie Powerlink an, die bereits erfolgreich in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden.

GPS-Steuerung, Rückfahrkameras, Sicherheitstechnik und zahlreiche vollautomatisierte Prozesse gehören inzwischen zur Grundausstattung fahrbarer Hightech-Maschinen, wie Mähdrescher, Bagger, Feuerlöschfahrzeuge oder kommunale Multifunktionsfahrzeuge. Da die Maximalbandbreite des bisher verwendeten CAN-Busses für diese anspruchsvollen Aufgaben nicht mehr ausreicht, sind in einem Fahrzeug mittlerweile bis zu 10 parallel geschaltete Netzwerke im Einsatz.

 

Mehr Bandbreite


„Der Aufwand für Engineering, Wartung und Diagnose steigt proportional mit der Zahl der Netzwerke an“, erklärt Stefan Taxer, Product Manager Mobile Automation bei B&R. Zudem reichen Performance und Bandbreite für sicherheitskritische Applikationen nicht aus. „Die Hersteller sind an einem Punkt angekommen, bei dem mit dem bisherigen Bussystem keine Weiterentwicklungen mehr möglich sind.“ Die Branche sucht nach einem neuen Backbone-Bussystem, welches die Basis für eine langfristige Weiterentwicklung der mobilen Automatisierung sein wird.


„Die Industrie ist um die Jahrtausendwende vor einem ähnlichen Problem gestanden“, erklärt Taxer. Inzwischen hat sich in der Industrieautomatisierung eine hochperformante Lösung durchgesetzt: Industrial Ethernet. Es hat eine viel höhere Bandbreite, ist echtzeitfähig und basiert auf dem kostengünstigen Ethernet-Standard. „Daher wird es sich auch in vielen Bereichen der mobilen Automation durchsetzen“, ist Taxer überzeugt. Das gängige Internetprotokoll TCP/IP kam nicht in Frage, da es keine deterministische Kommunikation ermöglicht.


Die Auswahl eines Bussystems ist eine langfristige Entscheidung. Daher sind die Hersteller an einer offenen und zukunftssicheren Lösung interessiert. „Powerlink ist prädestiniert für diese Aufgabe“, sagt Taxer. Der Protokoll-Stack steht unter der BSD-Lizenz, der Quellcode für Master und Slave ist für jeden frei zugänglich. Lizenzgebühren fallen nicht an. Im Rahmen der Powerlink-Nutzerorganisation EPSG steht jedem interessierten Hersteller die Möglichkeit offen, bei der Weiterentwicklung des Protokolls mitzuwirken.

 

Powerlink basiert auf CANopen


Die Implementierung eines neuen Bussystems ist meist sehr kostspielig, da neue Hardware nötig ist und ein Großteil der Software neu geschrieben werden muss. „Obwohl der Sprung in der Performance sehr groß ist, gestaltet sich die Umstellung auf Powerlink als Backbone-Bus jedoch nicht sehr aufwendig“, erklärt Taxer. Powerlink nutzt das CANopen-Objektverzeichnis, CANopen-Profile und Kommunikationsmechanismen. So werden beispielsweise zyklische Prozessdaten über Prozessdatenobjekte und Parameterdaten über Servicedatenobjekte ausgetauscht. Damit arbeiten Powerlink und CAN perfekt zusammen.

 

Schneller kommunizieren mit 100 Mbit/s


Wie bei CANopen ist der direkte Querverkehr eines der wesentlichen Merkmale von Powerlink. Alle CANopen-Applikationen und -Geräteprofile können in Powerlink-Umgebungen direkt implementiert werden, aus Sicht der Applikationen besteht kein Unterschied zwischen den beiden Protokollen. Der Geschwindigkeitsgewinn ist jedoch beträchtlich: Die Übertragungsrate von Powerlink beträgt 100 Mbit/s. Sollte noch mehr Bandbreite benötigt werden, ist ein Umstieg auf Gigabit-Ethernet problemlos möglich.


„In modernen mobilen Arbeitsmaschinen sind bis zu 3000 Meter Netzwerkkabel in bis zu 10 Netzwerken verbaut“, sagt Taxer. Das verursacht nicht nur hohe Installations- und Wartungskosten, sondern erhöht auch die Fehleranfälligkeit.

 

Ein Kabel für alles


Mit Powerlink lassen sich sämtliche Daten in einer mobilen Maschine oder einem Verbund, zum Beispiel aus Traktor, Mähwerk und Anhänger, über ein einziges Kabel übertragen. Neben Echtzeit-Prozessdaten werden zum Beispiel Visualisierungsinformationen, Safety-Daten und Videosignale der Rückfahrkamera über das Netzwerk ausgetauscht. Aufgrund der Multi-Master-Fähigkeit der Powerlink-Technologie können selbstfahrende Maschinen für sich selbst oder von einem Zugfahrzeug aus gesteuert werden. Zusätzliche Konfigurationen oder ein Neustart des Systems sind dafür nicht notwendig.


Die Topologie eines Powerlink-Netzwerks ist frei wählbar. „Stern-, Baum-, Bus- oder Ringstrukturen sowie beliebige Kombinationen sind ohne Konfiguration im Netzwerk möglich“, erklärt Taxer. Die dadurch erlangte Modularität ermöglicht es, Netzwerksegmente im laufenden Betrieb hinzuzufügen oder zu entfernen. Gerade im Umfeld von modularen Maschinenkonzepten gewinnt der Kunde ein Höchstmaß an Flexibilität bei einfachster Handhabung.


Für aufwendigere Automatisierungslösungen waren bisher mehrere Netzwerke und mehrere Steuerungen mit eigener Software nötig. Diese müssen koordiniert und gewartet werden. Aufgrund der hohen Datenübertragungsraten und der Echtzeitfähigkeit von Powerlink reicht eine Steuerung für eine Applikation aus. Die Daten von Sensoren und Aktuatoren werden in Echtzeit an die Steuerung geschickt, dort verarbeitet und gegebenenfalls wieder zurückgesandt. Zentrale und dezentrale Steuerungskonzepte sind gleichermaßen möglich.

 

Hohe Maschinenverfügbarkeit


„Im Vergleich zu anderen ethernetbasierten Feldbussen sind die Kosten für die Implementierung von Powerlink sehr niedrig“, sagt Taxer. Es sind weder Lizenzgebühren fällig, noch wird spezielle Hardware benötigt. Mit den Kosteneinsparungen gehen keinerlei Qualitätseinbußen einher, die Maschinenverfügbarkeit steigt sogar. Die hohe Bandbreite ermöglicht es zum Beispiel, detaillierte Diagnosemechanismen zu implementieren oder Software-Updates von Modulen schnell und zuverlässig über das Netzwerk abzuwickeln. Da Powerlink mit einem Einzelrahmenprotokoll arbeitet, sind Beeinträchtigungen durch solche EMV-Störungen nahezu ausgeschlossen.

 

Safety inklusive


Da die Maschinenrichtlinie der EU auch für mobile Arbeitsmaschinen gilt, benötigen diese häufig eigene Sicherheitsapplikationen. „Das Sicherheits-Protokoll openSafety ist dafür prädestiniert“, erklärt Taxer. Die Open-Source-Lösung kann auf Powerlink aufgesetzt werden und benötigt kein eigenes physikalisches Netzwerk. Die Sicherheitsanwendungen werden unabhängig vom restlichen Datenverkehr über das Powerlink-Netzwerk übertragen. Aufgrund der Vorzertifizierung bis SIL3/PLe kann eine Sicherheitslösung mit openSafety schnell und unkompliziert implementiert werden.

www.ethernet-powerlink.org
www.open-safety.org

 

Beitrag aus dhf 6.2016

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