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ETHERNET Powerlink versie 2
Real-time industrieel Ethernet is een realiteit!
version française
Ethernet zit in de lift voor industriële automatisering. Maar dat is al
jaren zo. Zwak punt is het niet-zo-erg deterministische gedrag van de bus.
Met EPL – ETHERNET PowerLink –is er één bus die de brug slaat tussen alle
layers, van de laagste sensorbus tot het lokale managementniveau. Nog
opmerkelijk: migratie van CANbus naar EPL wordt zeer eenvoudig.
Eind vorig jaar berichtten we u in dit vakblad al over de nieuwe ETHERNET
Powerlink Standardization Group (EPSG). Wat oorspronkelijk van start ging
als een eigen ontwikkeling van het bedrijf B&R, ETHERNET Powerlink, kwam
hiermee in een stroomversnelling terecht. Op dat moment hadden een reeks
leveranciers van automatiseringscomponenten, naast de andere
initiatiefnemers Hirschmann, Lenze en Kuka, officieus reeds hun steun
toegezegd aan de ontwikkeling van een nieuwe industrieel – op Ethernet
gebaseerd – de facto standaardprotocol. EPSG verleende het een juridische
vorm, een onafhankelijke instantie waar andere leveranciers, soms
concurrenten van B&R, zich beter in kunnen vinden. De rechten op het
protocol droeg het bedrijf over aan de Universiteit van Zurich.
Door zijn eigenschappen leent EPL zich met name tot real-time applicaties
waarbij een zeer snel én deterministisch gedrag nodig is. Bij EPL is de
cyclustijd 200 microseconden (of hoger) bij een jitter die dan kleiner is
dan 1 microseconde. Andere kandidaten voor dit netwerk zijn installaties
waarbij grote afstanden moeten overbrugd worden (max. 10 Hub-niveau’s of
1,1 km) of waar zich veel stations op één netwerk bevinden (max 253 per
Powerlink-netwerk). Hierbij kan dus gedacht worden aan datatransfers
tussen besturingen, servo-aandrijvingen en SCADA-systemen of operator
panels voor machines en installaties voor productietypes zoals verpakken,
drukken, textiel, robots, spuitgieten en, uiteraard, snelle
speciaalmachines. Of, gezien de cyclustijd, voor het synchroniseren van
PLC’s tot op het niveau van de regelkring in de aandrijvingen in the
field.
Weer een defacto standaard?
Hoewel EPL – ETHERNET Powerlink – technisch mooi in elkaar zit, zal de
reactie van de gemiddelde engineer toch zijn: nog een de facto standaard
méér? Technisch kunnen andere protocols, zoals Profibus of CANbus de job -
in de meeste gevallen - perfect klaren, maar het verschil zit duidelijk in
servicebility en prijs. Een engineeringbedrijf in Nederland vergeleek voor
een bepaalde applicatie (zie verder) de plus- en minpunten van EPL versus
Profibus en CANbus. Profibus bleek globaal 20% duurder, voornamelijk door
de kost van de duurdere bekabeling en connectoren. Vermits dit een
bussysteem is met lijnbekabeling, bleek storingszoeken arbeidsintensiever
dan bij EPL. Bovendien stelde zich het probleem van een lagere bussnelheid
bij 20 aandrijvingen en I/O, wat precies voor deze applicatie nodig was.
In geval van CANbus moesten voor deze 20 aandrijvingen en I/O meerdere
bussen naast elkaar geplaatst worden om een aanvaardbare performantie te
behouden. Ook hier lagen de kosten voor bekabeling en connectoren
beduidend hoger. Hoe laat zich dit verklaren? Voor de ontwikkeling van EPL
werd in de eerste plaats gekeken naar bestaande technologie annex
standaarden. De bedoeling was niet nogmaals een ‘dedicated’ protocol te
ontwikkelen, maar een zo ‘open’ mogelijk industrieel netwerk. Een zo
‘open’ mogelijk systeem dus. Zo ondersteunt EPL IEEE 802.3, Frame Formats
in de standaardversie, IP Protocols, CANopen Profielen (Device Profiles)
en IEEE 1588. Opmerkelijk: er is geen speciale chip nodig, standaard
Ethernet volstaat. Dat is belangrijk, want het betekent meteen dat
ontwikkelaar B&R géén licentievergoedingen opeist. Bovendien wordt – zo
stelden de woordvoerders van de standaardisatiegroep – EPL opgenomen in de
IEC RTE standaard. Conformiteit aan standaarden heeft nog een ander
voordeel: wie bijv. een netwerk wil analyseren, kan dit met standaard
tools, in dit geval een gewone analyser.
Hoe werkt EPL?
Het EPL-protocol is oorspronkelijk afgeleid van het TCP/IP-protocol,
waarbij de TCP/IP- of UDP/IP-laag is vervangen door Powerlink. B&R is bij
de ontwikkeling van de eerste versie van het deterministische EPL-protocol
uitgegaan van vijf gangbare standaarden. Zo is gewerkt met Fast Ethernet
met een snelheid van 100 Mbps, is gebruik gemaakt van twisted pair
bekabeling (CAT.5), kan de topologie voor EPL naar keuze worden opgezet in
de vorm van een lijn- of sterstructuur of een combinatie van beiden, wordt
gewerkt met standaard op de markt verkrijgbare hubs (klasse 2) en mag de
afstand tussen twee stations maximaal 100 meter bedragen. Maximaal kan een
EPL-netwerk bestaan uit 254 stations. De cyclustijd die nodig is om alle
aanwezige data op het netwerk te updaten bedraagt bij dit maximale aantal
stations 7,2 milliseconden en bij 2 stations minimaal 200 microseconden.
Afhankelijk van het exacte aantal stations kan de cyclustijd volledig vrij
worden ingesteld tussen de minimum en maximum waarde.
EPL onderscheidt zich van andere veldbussen doordat de werking van dit
protocol gebaseerd is op het SCNM-principe (Slot Communication Network
Management). Behalve dat er geen databotsingen meer ontstaan, heeft dit
ook als voordeel dat met 100% zekerheid, op vooraf ingestelde tijdstippen,
de gewenste informatie op de juiste plaats wordt afgeleverd. Een
slotcommunicatie-netwerkmanager regelt de communicatie tussen de
verschillende stations in het EPL-netwerk, wijst elk station een bepaalde
tijd toe om informatie op het netwerk te zetten en draagt zorg voor
cyclische synchronisering. Met EPL kan een synchronisatie worden
gerealiseerd tussen de sensoren en actuatoren, het EPL-netwerk en de
applicatiesoftware. Behalve de cyclustijd, dient ook de snelheid waarmee
data over het netwerk worden gestuurd van te voren te worden ingesteld.
Vermeldenswaard is ook dat het EPL-netwerk geschikt is voor het overzenden
van cyclische en a-cyclische data. Cyclische data (tijdkritisch) hebben
direct betrekking op het functioneren van de machine en de a-cyclische
data zijn niet-tijdkritische data. Alhoewel dit voor het gros van de
toepassingen niet echt belangrijk is, draagt EPL de mogelijkheid in zich
om quasi de hele piramide van sensorbus tot managementlaag te overbruggen
(zie figuur). Bij bijv. Profibus is hiervoor een combinatie van de DP/PA-
en de hogere FMS-versie nodig.
EPL versie 2
EPL versie 2 onderscheidt zich van de eerste versie op een aantal
belangrijke punten. Zo is de applicatielaag bij deze nieuwe versie
uitgebreid met een gestandaardiseerde gebruikersinterface, die compatibel
is met het CANopen-profiel DS301 (conform EN 50325-4). Dit biedt
fabrikanten van sensoren/actuatoren de mogelijkheid om een
Powerlink-interface te maken conform een CANopen-profiel. CANopen heeft
ongetwijfeld één van de meest volledige verzamelingen van profielen voor
geschillende types toepassingen (zoals bijvoorbeeld voeding maar ook
spoorwegtoepassingen enz.) Een dergelijk profiel is beschreven in de vorm
van een bibliotheek en wordt standaard meegeleverd met elke
sensor/actuator. Hiermee kunnen deze componenten volledig ondersteund
worden in de applicatielaag ‘layer 7’ van EPL. Verder kan met de
Powerlink-laag in versie 2 het, veelal in kantooromgevingen gebruikte, TCP/IP-protocol
volledig worden ondersteund. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van het
aanwezige asynchrone slot. Behalve voor ondersteuning van het TCP/IP-protocol,
wordt dit asynchrone slot ook gebruikt voor andere asynchrone
communicatie. <<
Bert Belmans, Control & Automation Magazine
ETHERNET Powerlink version 2
L’Ethernet industriel en temps réel est devenu réalité !
L’Ethernet a le vent en poupe dans le secteur de l’automatisation
industrielle et ce, depuis des années. Le comportement peu déterministe de
ce bus constitue toutefois son point faible. EPL – ETHERNET Powerlink –
propose désormais un bus unique qui établit le lien entre toutes les
couches, du bus de capteur le plus bas jusqu’au niveau de gestion local.
Plus impressionnant encore, la migration de CANbus vers EPL relève
désormais de la simplicité même.
Fin de l’an dernier, nous vous faisions part dans cette revue du nouvel
ETHERNET PowerLink Standardization Group (EPSG). Développé au départ par
la société B&R, ETHERNET Powerlink connut de la sorte une accélération
évidente. A cette époque, plusieurs fournisseurs de composants
d’automatisation, en plus des autres initiateurs Hirschmann, Lenze et Kuka,
avaient confirmé officieusement leur soutien au développement d’un nouveau
protocole industriel, standard de fait, basé sur Ethernet. EPSG lui
conféra une forme juridique, une instance autonome au sein de laquelle
d’autres fournisseurs, parfois concurrents de B&R, trouvent mieux leur
place. La société transféra les droits sur le protocole à l’Université de
Zurich. Les caractéristiques d’EPL le destinent aux applications en temps
réel nécessitant un comportement très rapide et déterministe. Le temps de
cycle d’EPL est de 200 microsecondes (ou plus) pour un jitter inférieur à
1 microseconde. Les installations nécessitant d’enjamber de grandes
distances (max. 10 niveaux de concentrateurs ou 1,1 km) ou regroupant de
nombreuses stations sur un seul réseau (max. 253 par réseau PowerLink)
constituent d’autres applications cibles pour ce réseau. Pensons par
exemple aux transferts de données entre commandes, entraînements servo et
systèmes SCADA ou aux pupitres opérateurs pour machines et aux
installations de production comme l’emballage, l’impression, le textile,
les robots, le moulage par injection et, naturellement, les machines
spéciales rapides. Soit encore, vu le temps de cycle, à la synchronisation
de PLC au niveau des circuits de régulation dans les entraînements sur le
terrain.
Un nouveau standard de fait?
Même si EPL – ETHERNET PowerLink – est bien conçu sur le plan technique,
l’ingénieur moyen aura sans nul doute la réaction suivante: encore un
standard de fait en plus? Techniquement, les autres protocoles tels que
Profibus ou CANbus peuvent – dans la plupart des cas - parfaitement
assumer la tâche. Cependant, la différence réside dans les facilités de
service et le prix. Une société d’ingénierie néerlandaise a comparé les
points positifs et négatifs d’EPL par rapport à Profibus et CANbus dans le
cadre d’une application précise (voir plus loin). Profibus s’avéra
globalement 20% plus cher, surtout en raison du coût du câblage et des
connecteurs plus onéreux. Puisqu’il s’agit d’un système de bus nécessitant
un câblage en ligne, la recherche des perturbations s’avéra plus longue
qu’avec EPL. A cela s’ajoutait le problème d’une vitesse de bus plus
faible avec les 20 entraînements et stations d’E/S nécessaires à cette
application. Dans le cas de CANbus, il a fallu juxtaposer plusieurs bus
pour relier ces 20 entraînements et stations d’E/S afin de conserver une
performance acceptable. Là aussi, les coûts du câblage et des connecteurs
étaient sensiblement supérieurs. Comment expliquer cela? Dans le cadre du
développement d’EPL, les concepteurs ont d’abord recherché une technologie
ou des standards existants. L’objectif n’était pas de développer un
nouveau protocole ‘dédicacé’ mais plutôt un réseau industriel le plus
‘ouvert’ possible. Un système offrant une ‘ouverture’ maximale en quelque
sorte. C’est ainsi qu’EPL soutient l’IEEE 802.3, les Frame Formats dans
leur version standard, les protocoles IP, les profils CANopen (Device
Profiles) et l’IEEE 1588. Fait surprenant: il ne faut pas de puce
spéciale, l’Ethernet standard suffit. Cet élément est important car cela
signifie d’emblée que le concepteur B&R n’exige pas de frais de licence.
En outre – selon les porte-parole du groupe de standardisation – EPL est
repris dans le standard IEC RTE. La conformité aux standards présente
encore un autre avantage: l’analyse d’un réseau peut être effectuée à
l’aide d’outils standard, dans ce cas, à l’aide d’un simple analyseur.
Comment fonctionne EPL?
Le protocole EPL découle à l’origine du protocole TCP/IP. La couche TCP/IP
ou UDP/IP y a été remplacée par PowerLink. Lors du développement de la
première version du protocole EPL déterministe, B&R est parti de cinq
standards courants. Elle a travaillé avec Fast Ethernet à une vitesse de
100 Mbps ; elle a utilisé le câblage par paire torsadée (CAT.5) ; la
topologie d’EPL peut être de type structure en ligne ou en étoile ou une
combinaison des deux ; elle recourt à des concentrateurs standard
disponibles sur le marché (classe 2) et enfin, la distance entre deux
stations ne peut dépasser 100 mètres. Un réseau EPL peut comprendre au
maximum 254 stations. Le temps de cycle nécessaire pour actualiser toutes
les données présentes sur le réseau s’élève, pour ce nombre maximum de
stations, à 7,2 millisecondes et pour 2 stations à minimum 200
microsecondes. En fonction du nombre exact de stations, le temps de cycle
peut être réglé de façon entièrement libre entre la valeur minimale et
maximale. EPL se distingue des autres bus de terrain par le fonctionnement
du protocole basé sur le principe SCNM (Slot Communication Network
Management). Outre l’absence de collisions, cela présente aussi l’avantage
de pouvoir fournir avec une certitude absolue l’information souhaitée et
ce, à des moments déterminés et au bon endroit. Ce gestionnaire de réseau
de communication par tranche règle la communication entre les différentes
stations du réseau EPL, attribue à chaque station un certain temps pour
mettre des informations sur le réseau et se charge de la synchronisation
cyclique. EPL permet de réaliser une synchronisation entre les capteurs et
actionneurs, le réseau EPL et le logiciel d’application. Outre le temps de
cycle, la vitesse à laquelle les données sont envoyées sur le réseau doit
également être réglée préalablement. Il est important de mentionner que le
réseau EPL convient pour le transfert de données cycliques et acycliques.
Les données cycliques (critiques en temps) portent directement sur le
fonctionnement de la machine et les données acycliques sont des données
non critiques en temps. Même si cela importe peu pour la majorité des
applications, EPL permet d’enjamber quasi toute la pyramide, du bus de
capteur jusqu’à la couche de management (voir figure). Profibus, par
exemple, requiert pour ce faire la combinaison de la version DP/PA et de
la version FMS de niveau supérieur.
EPL version 2
Quelques points importants distinguent EPL version 2 de la première
version. La couche d’application de cette nouvelle version s’est étendue
avec une interface utilisateur standardisée, compatible avec le profil
CANopen DS301 (conforme EN 50325-4). Les fabricants de capteurs/actionneurs
ont dès lors la possibilité de fabriquer une interface Powerlink conforme
à un profil CANopen. CANopen dispose incontestablement d’une des
collections les plus complètes de profils pour différents types
d’applications (comme par exemple l’alimentation mais aussi des
applications ferroviaires…). Un tel profil est décrit sous la forme d’une
bibliothèque et est fourni de série avec chaque capteur/actionneur. Les
composants bénéficient ainsi d’un soutien complet dans la couche
d’application ‘layer 7’ d’EPL. Par ailleurs, la couche Powerlink version 2
offre un soutien complet du protocole TCP/IP, souvent utilisé dans les
environnements bureautiques. Pour ce faire, on utilise la tranche
asynchrone présente. Outre pour le support du protocole TCP/IP, cette
tranche asynchrone est également utilisée pour d’autres communications
asynchrones. <<
Bert Belmans, Control & Automation Magazine
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