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Offene, flexible Kommunikation für jedermann

Bild 1. Seit November 2009 bietet die EPSG mit open-Safety ein sicherheitsgerichtetes Busprotokoll unter Open-Source-Lizenz an

Bild 2. Eine Auswahl der möglichen Slave-Implementierungen bietet für jeden Anwendungszweck die passende Lösung mit dem optimalen Kosten-Leistungs-Verhältnis

Bild 3. Mit dem open-Configurator lassen sich Powerlink-Netzwerke einfach und schnell konfigurieren

Mit dem Open-Source-Paket rund um Powerlink können Hersteller und Betreiber einfach ein leistungsstarkes Industrial-Ethernet-System für ihre Applikation realisieren. Dabei sorgt die Quelloffenheit für Flexibilität und Investitionssicherheit; die Nutzer können frei über die Softwarelösungen verfügen und diese ohne rechtliche Limitierungen in ihren Produkten verwenden. Ein wichtiger Qualitätsaspekt liegt dabei auch in der Unterstützung durch die Community, die zur ständigen Optimierung und Weiterentwicklung der Software beiträgt und die Kompatibilität garantiert.

Freie Software ist inzwischen im industriellen Bereich eine feste Größe; beispielsweise kommt Embedded Linux in unzähligen Produkten zum Einsatz. Namhafte Maschinenbauer organisieren sich im Open Source Automation Development Lab , dem auch die Ethernet Powerlink Standardization Group beigetreten ist, und profitieren von der firmenübergreifenden Kooperation bei der Softwareentwicklung. Für die Nutzer liegen die Vorteile nicht nur in der Freiheit von Lizenzgebühren: Freie Software kann weder „abgekündigt“ noch wegen nicht mehr angebotener Upgrades oder Anpassungen unbrauchbar werden. Das stellt eine langfristige Verfügbarkeit sicher und erhöht die Investitionssicherheit. Anwender haben die Möglichkeit, erforderliche Korrekturen, Änderungen oder Erweiterungen an der Software entweder selbst vorzunehmen oder einen Dienstleister damit zu beauftragen.
Vor diesem Hintergrund beschloss die EPSG im Jahr 2008, ihre offene Produktpolitik durch das Bekenntnis zu Open Source konsequent fortzuführen und veröffentlichte mit open-Powerlink eine vollständige Protokolllösung für den Master und die Slaves. Powerlink , das mit Standard-Ethernet-Controllern arbeitet, erreicht in dieser Open-Source-Masterimplementierung Zykluszeiten bis 0,5 ms bei hoher Synchronität. Mit Co-Prozessor-Unterstützung lassen sich sogar Zykluszeiten bis 0,1 ms realisieren. Mit open-Configurator ist zudem ein freies Konfigurationstool für Powerlink-Netzwerke verfügbar. Zuletzt erweiterten Ixxat und B&R das Open-Source-Angebot der EPSG durch die Offenlegung des sicherheitsgerichteten Übertragungsprotokolls Powerlink Safety (Bild 1).
Offenes Sicherheitsprotokoll
Die BSD-lizensierte Version des offengelegten Powerlink Safety-Stacks kann unter dem Namen open-Safety auf der Ixxat-Homepage kostenfrei heruntergeladen werden. Das busunabhängige, sicherheitsgerichtete Protokoll ist eine Realtime-Ethernet-fähige Lösung für die Maschinen- und Fertigungsautomatisierung, die sich für Kommunikationszyklen im Mikrosekundenbereich eignet. Das Protokoll vereint die Übertragung von sicherheitsgerichteten Daten und von Steuerungsdaten busunabhängig auf einem System. Powerlink Safety wurde vom TÜV Rheinland für Systeme mit SIL 3 zugelassen. Durch die Nutzung des open-Safety-Stacks können Hersteller die bei der verpflichtenden Produktzertifizierung anfallenden Kosten reduzieren.
Das sicherheitsgerichtete Protokoll kennzeichnet sich durch die Definition des Datentransports, durch übergeordnete Dienste für die Konfiguration, aber vor allem durch die Einkapselung der sicherheitsrelevanten Daten in ein besonders flexibles Telegrammformat. Es nutzt für alle Anwendungen einen Frame mit einheitlichem Format, dessen Länge sich mit der Menge der zu transportierenden Daten ändert. Die Konfiguration von Frametyp und -länge erübrigt sich, da die Safety-Knoten im Netzwerk den Inhalt automatisch erkennen. Das Sicherheitsprotokoll überwacht die Übertragungsdauer der Daten und überprüft ihre Vollständigkeit mit Checksummenverfahren. Die kurzen Zykluszeiten führen zu einer fast verzögerungsfreien Erkennung von Ausfällen. Da Powerlink Safety über entsprechende Mechanismen zur Erkennung sämtlicher denkbarer Übertragungsfehler verfügt, stellen auch unsichere Netzwerke keine Einschränkung der Sicherheitsfunktionalität dar.
Kostenfreie Verwendung
Beide Protokolllösungen stehen, wie auch das Konfigurationstool, unter der Open-Source-Lizenz BSD. Die erlaubt es jedem, die Software kostenfrei zu verwenden und zu verbreiten, ohne dass der Quellcode eigener Applikationen oder die Anpassungen an den Stack ebenfalls offenzulegen sind. Der Anwender erhält damit maximale Rechtssicherheit und muss keine komplexen Lizenzbedingungen evaluieren.
Grundsätzlich lässt sich open-Powerlink als reine Softwarelösung verwenden, bei der das Protokoll direkt auf dem Applikationsprozessor integriert und zur Busanbindung ein Standard-Ethernetcontroller verwendet wird. Wie bei anderen Echtzeitsystemen auch, sind aber für anspruchsvolle Anforderungen Co-Prozessor-Lösungen für die Slave-Anschaltung erforderlich. Hierfür stehen unterschiedliche Konzepte mit verschiedenen Hardware-Architekturen zur Verfügung, mit denen sich alle Leistungsklassen abdecken lassen und die in Abhängigkeit von geplanten Stückzahlen und geforderter Kompatibilität die jeweilig wirtschaftlichste Lösung bieten. Auch für das Design eines Kommunikationsmoduls gibt es seit kurzem eine offene, kostenfreie Lösung: Das fertige IP für Altera-FPGA umfasst einen MAC, einen Mehrport-Hub und einen integrierten Prozessor mit open-Powerlink-Stack. Damit können Anwender eine hochperformante Anbindung für Powerlink-Slaveanbindung nach eigenen Bedürfnissen gestalten (Bild 2).
Entwicklungshelfer leisten Hilfe zur Selbsthilfe
Wer keine Eigenentwicklung der Slave-Implementierungen plant, erhält bei der EPSG eine Übersicht über die bestehenden Lösungen, Hersteller und Dienstleister. Die verschiedenen Angebote unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Flexibilität sowie des gewünschten Kostenmodells. So bieten Multi-Protokoll-Lösungen eine einheitliche Hardwareplattform für unterschiedliche Industrial-Ethernet-Lösungen, sodass die Entscheidung für einen Feldbus erst bei der Auslieferung der Produkte getroffen werden muss. Allerdings sind sie in der Regel teurer als dedizierte Powerlink-Only-Lösungen. Bei Multi-Protokoll-Designs ist das gesamte Systemdesign in einem Chip untergebracht. Vorteile liegen in der definierten Schnittstelle zwischen Kommunikations- und Applikationsprozessor. Bei Multi-Protokoll-Konzepten auf FPGA-Basis ist zu beachten, dass sich die Hardwarekosten nach dem Ressourcenbedarf des anspruchsvollsten Protokolls richten. Eine preisgünstigere Alternative bieten Po¬werlink-Only-FPGA-Lösungen, die hinsichtlich des Interfaces flexibel sind und auch günstigere Laufzeitkosten ermöglichen als andere Industrial-Ethernet-Technologien. Die kostengünstigste Variante der Slave-Anbindung sind einfache 32-Bit-CPU mit internem RAM und internem Flash. Dabei können die Preise von anderen Asic-basierten Protokollen deutlich unterboten werden und dennoch bleibt die Flexibilität und Offenheit eines Standard-Mikroprozessors erhalten. Allen gemeinsam ist, dass die Applikations- und Kommunikationssoftware flexibel miteinander verbunden sind, beispielsweise über Dual Port RAM oder ein serielles Interface.
Konfiguration leicht gemacht
Der von Kalycito veröffentlichte open-Configurator ist ein Open-Source-Tool unter BSD-Lizenz für Linux und Windows zur unkomplizierten Einrichtung, Konfiguration und Wartung von Powerlink-Netzwerken (Bild 3). Mit ihm können Anwender ein Powerlink-Netzwerk einfach und schnell konfigurieren und in Betrieb nehmen. Sie müssen lediglich die Gerätebeschreibungsdateien (.XDD) importieren, die von den Herstellern der einzubindenden Geräte bereitgestellt werden. Bei Auswahl der entsprechenden Einstellung erstellt das Tool das PDO-Mapping automatisch. Die grafische Oberfläche leitet den Nutzer durch alle weiteren Vorgänge. Am Ende des Prozesses werden die CDC-Datei mit dem gesamten Objektverzeichnis, eine XML-Datei und ein Header in C, die die Variablennamen und Offsets enthalten, automatisch generiert. Zusätzlich erhalten erfahrene Anwender mit open-Configurator die vollständige Kontrolle über die Konfiguration in jeder Phase. So können Kommentare sowie Objekte manuell eingefügt, automatisch generierte Dateien angepasst und ein Querverkehr unter den Teilnehmern eingerichtet werden. Das Design wurde so gewählt, dass sich das User-Interface von der Basisfunktion lösen und durch ein eigenes User-Interface, beispielsweise Eclipse, ersetzen lässt. Dies ermöglicht eine einfache Integration von Powerlink in bestehende Steuerungsumgebungen.

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Autor: Dipl.-Ing. Rüdiger Eickmeier ist Geschäfts¬führer der Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG) in Berlin.