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<H1>www.aud24.net : E. Smeets: "FireWire als Feldbus"</H1>
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Redaktion
> <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD>
<TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>05.03.2001</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>Nyquist Industrial Control:</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>E. Smeets: "FireWire als Feldbus"</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Mit der PC-Welt entlehnter Bustechnik zu besserer Leistung </TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Es gibt einige verschiedene digitale Busse und -systeme. Oft werden SerCos und FireWire verglichen. Unter den Servosteuerungen vereint FireWire folgende Features: billig, schnell, PC-unterstüzt, fehlerfrei und deterministisch. Damit nimmt FireWire zu recht eine Spitzenposition ein.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Anforderungen an hochgenaue Servosteuerungen<BR>Für OEM-Maschinen gibt es eine große Auswahl an Steuerungen. Traditionell geht es da um Kilowatt, Taktzeiten und Software-Schnittstellen. In hochgenauen und schnellen Servosystemen aber ist die Kommunikation zwischen den Servos untereinander ebenso wichtig. Für solche Applikationen muss ein Bus nicht nur zuverlässig, sondern auch billig sein und auf Standardsoftware wie Windows zurückgreifen können. <BR>Was ist hochgenau? Hochgenaue Servosteuerungen sind die Applikationen auf Feldsteuerungsebene, die durch präzises Positionieren, präzises Folgen einer Bahn oder zeitexaktes Verknüpfen mehrerer Prozesse gekennzeichnet sind. Beispiele: Mikro- und Nanometer-Positionierungsbereich, Mikrometer-Bahngenauigkeit bei 10 m/s Fahrgeschwindigkeit und Prozesssynchronisation mit der Servoposition innerhalb weniger Mikrosekunden.<BR><BR><BR>Die Übertragungsgeschwindigkeit<BR>Die Übertragungsgeschwindigkeit bei SerCos ist jetzt 4 Mb/s (in Zukunft 16 Mb/s), bei FireWire jetzt 400 Mb/s (in Zukunft 1600 Mb/s). Die effektive Geschwindigkeit, mit der Daten zwischen Knoten transferiert werden können, ist neben der reinen Übertragungsgeschwindigkeit abhängig vom verwendeten Protokoll. Aber auch unter Einbeziehung von Protokoll und Fehlererkennungsbits bleibt der 100fache Unterschied in der Geschwindigkeit bestehen.<BR><BR><BR>Die Verbreitung auf dem (PC-) Markt<BR>SerCos wurde in CNC-Maschinen als Ersatz für die +/- 10 V Schnittstelle zwischen Regler und Drive geschaffen. Zu jener Zeit wurden die Drives im Geschwindigkeitsmode genützt, was bedeutete, dass eine Eingangsspannung von 10 V direkt einer bestimmten Drehzahl entsprach. Ein kleines Störsignal (durch EMI-Einfluss) oder Rauschen von einigen mV ergab direkt eine spürbare Drehzahlabweichung und störte somit den Produktionsablauf. SerCos ist in einer Ringstruktur mit einer Master-Slave-Topologie ausgelegt. Der Master ist die CNC-Steuerung, die Slaves sind die Drives. In der CNC-Steuerung laufen auch die Führungsgrößengeneratoren. Diese Daten werden zusammen mit anderen Parametern in definierten Berichten über das Netzwerk zu jedem Knoten geschickt. Der Master bestimmt, wann kommuniziert wird. Zusammenfassend kann man sagen, dass SerCos speziell für den CNC-Markt geschaffen wurde und protokollmäßig dafür optimiert ist. SerCos-Verbindungen werden heutzutage fast ausschließlich im Bereich von CNC-Steuerungen eingesetzt. In den vergangenen sieben Jahren wurden 300 000 SerCos-Knoten eingebaut.<BR>FireWire fand seinen Ursprung in der PC-Technologie. Durch Apple Computer zu Beginn der 80er Jahre definiert und FireWire genannt, ist dieser Feldbus standardisiert und heißt offiziell IEEE1394. Acht von zehn großen PC-Fabrikanten bieten eine FireWire-Unterstützung an. FireWire wurde entworfen, um große Datenmengen pro Zeiteinheit zwischen beliebigen Knoten zu transportieren. Ein Knoten ist dabei z.B. eine Festplatte, ein Audioausgang, eine Videokamera, ein Satellitenempfänger, ein Fernseher, ein Drucker. Allein 1999 wurden 8 Millionen FireWire-Knoten implementiert.<BR>Mittlerweile sind auch Industrie-Steuerungen mit FireWire erhältlich [1]. Ursprünglich auf eine Kupferverbindung über Twisted-pair-Kabel definiert, ist im neuen Standard IEEE1394b auch eine Lichtwellenleiter-Definition vorgesehen. <BR><BR><BR>Im Trend der Servo-Steuerungen<BR>Der Trend in Bereich Servosteuerungen ist klar: Sie müssen durchgängig digital und preiswert sein sowie umfassende Funktionalität und Schnittstellen zu Standard-Software und -Betriebssystemen aufweisen. <BR>Weiterhin ist der schon seit Jahren angekündigte Trend in Richtung verteilte Intelligenz mit Benützung modularer Baublöcke deutlich zu erkennen.<BR>Der Trend zu verteilten Systemen kommt vom Modularitätsgedanken. Modular gebaute Maschinen bleiben trotz ihrer immer komplexer werdenden Funktionen übersichtlich. Die Modulphilosophie ermöglicht auch, dass Subsysteme durch Zulieferanten gebaut und getestet werden können. Dieser Gedanke hat neben den technologischen Fortschritten auf dem Gebiet digitaler Antriebe Anfang der 90er Jahre zur Entwicklung und Einsatz verschiedener Feldbusse in Industrie-Servo- Steuerungen geführt. Heutzutage sind die Vorteile modularen Maschinenbaus erkannt und die Bustechnologie ist erwachsen geworden.<BR>In manchen Maschinen ist die Bewegung eines Servos abhängig von der Lage, der Geschwindigkeit oder dem Status von anderen Servos. Beispiele gibt es im CNC-Bereich, aber auch in anderen Maschinen ist diese Abhängigkeit oft vorhanden: Druckmaschinen, Manipulatoren (Roboter), Wire- und Diebonders, Laser-Schweißgeräte und andere. Bei solcher Art Maschinen stellt also der Prozess die Anforderungen an das Echtzeitverhalten der Servos. Damit ist dann auch bestimmt, wie die Komponenten in einem modularen, mehrachsigen System zusammen funktionieren müssen. Und dies hat direkte Konsequenzen für den Datenaustausch zwischen den Servos und damit für die Anforderungen an den Feldbus.<BR><BR><BR>Was sind die Echtzeitanforderungen an den Feldbus?<BR>In der PC-Welt verlangt man vom ‚Feldbus‘, die Daten 100-%ig fehlerfrei zu transportieren. Die dafür benötigte Zeit ist zwar nicht ohne Bedeutung, jedoch ein mehr oder weniger unkritischer Faktor. Von Servoapplikationen wird neben 100-%ig fehlerfreier Daten auch verlangt, dass die Daten im ‚richtigen‘ Moment ankommen. Die Information muss rechtzeitig vorhanden sein (schneller ist gestattet, aber nicht notwendig), und auch diese Pünktlichkeit muss immer gewährleistet bleiben. <BR>Die Echtzeitanforderungen sind abhängig von der gewählten Konfiguration. Der Feldbus kann in verschiedenen Konfigurationen implementiert werden (siehe Abb. 1). Die Verknüpfung, wie in Abb. 1a dargestellt, erfordert eine hohe Datentransferrate. Mit jedem Taktzyklus muss der Kontroller mit Führungsgrößengenerator (FG-Generator) Daten zum Drive schicken. Firma Jetter z.B. macht dies mit Ethernet als Bus, obwohl dieser Bus im Grunde genommen für deterministische (d.h. zeitlich garantierte) Datenübertragungen nicht geeignet ist.<BR>Abb. 1b zeigt eine Konfiguration, bei der eine niedrigere Datenrate des Busses benötigt wird, aber durch Konzentration der Kontroller in der Applikation ist diese Verknüpfung nicht mehr modular. Delta Tau bietet zum Beispiel solch eine Konfiguration an. Abb. 1c zeigt eine Konfiguration, bei der der Kontroller direkt den Drive ansteuert. Der Kontroller kann über den Feldbus weiterhin Daten zu anderen Kontrollern übertragen. Dies ist eine generelle Konfiguration, wobei der Feldbus nur die Komponenten verbindet, die auch wirklich Daten austauschen müssen. Die FG-Generatoren sind in dieser Konfiguration aber lediglich in einem Knoten vorhanden, was die Möglichkeiten, modular zu bauen, einschränkt. Dies ist auch bei der SerCos-Konfiguration der Fall. SerCos hat damit den Nachteil, dass die Möglichkeit, dass jeder Knoten, zu jedem beliebigen Zeitpunkt mit jedem beliebigen anderen Knoten kommunizieren kann, prinzipbedingt nicht gegeben ist. <BR>Abb. 1d zeigt unabhängige Knoten mit einem Kontroller, FG-Generator und Drive. Diese Konfiguration ist damit die offenste und allgemein am besten nutzbare. FireWire-Systeme sind auf diese Weise verknüpft. Der FireWire-Bus ermöglicht so beliebigen Datenaustausch.<BR><BR><BR>Seitenblick auf andere Bussysteme<BR>Es gibt verschiedene Busse und -systeme. Alle Parameter eines Busses müssen stimmen, um ihm effektiv einsetzten zu können. Der CANBus z. B. ist sehr zuverlässig, aber zu langsam für schnellen Servodatentransfer; er eignet sich sehr gut für langsamere E/A Kanäle. Ethernet ist billig wegen der Verbreitung auf dem PC-Markt, ist aber nicht sicher deterministisch. USB ist auch langsam (und billig) ermöglicht jedoch keine Knoten-zu-Knoten-Kommunikationsmöglichkeit. SerCos ist schon erwähnt: zu teuer, nicht universell nutzbar und keine Knoten-zu-Knoten-Konfiguration.<BR><BR><BR>Markt und Preis<BR>Wer eine Maschine baut, hat spezifische Wünsche auf dem Gebiet von Motoren-, Geber und Drive Auswahl. Die Wahl eines Busses, ist dem Maschinenbauexperten eigentlich gleich. Der Bus soll ihn in seiner Wahl des Motors, Drives oder sonstigem nicht beschränken. Zudem muss der Bus preiswert bleiben. Wenn er nicht preiswert ist, ist sich der Maschinenbauer bewusst, dass die errungene Modularität mit dem Bus bezahlt wird. <BR>Dies führt zu einer eindeutigen Schlussfolgerung. Der Bus muss aus der PC-Technologie stammen (aufgrund von Preis, Kontinuität/Weiterentwicklung und Akzeptanz). Die offene PC-Technologie bedeutet weiterhin flexible Lösungsmöglichkeiten, da der PC selbst auch ein offenes, flexibles System ist.<BR>Dies ist auch der Grund, aus dem Ethernet- und FireWire-Busse heutzutage in Steuerungen über ein geschlossenes und spezifisches System wie SerCos genützt werden. Dabei ist FireWire der Bus, welcher speziell um große Mengen von (Video) Daten in Echtzeit zu übertragen entworfen wurde. Dies ermöglicht auch, Videobilder in Echtzeit von einem Knoten zum Anderen zu schicken; viele Kameras sind heute bereits mit einer FireWire-Schnittstelle ausgerüstet.<BR>Nicht zuletzt aufgrund dieser Sachverhalte ist abzusehen, dass das Verkaufsvolumen von SerCos wahrscheinlich auf dem heutigen Niveau bleiben wird, dass die PC-ähnlichen Netzwerke die besseren Möglichkeiten haben werden. Gründe dafür sind in der schnelleren Entwicklung von FireWire und den aufgrund der Verbreitung niedrigeren Kosten pro Knoten zu sehen.<BR></TD>
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<P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:54 Uhr aktualisiert</I></P>
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