Anspruchsvolle Funktionen mit Software auf PC-Standard-Hardware lösen: Dieser Trend bestimmt aktuell die Entwicklungen im Maschinenbau. Üblicherweise müssen Maschinenhersteller aber auch bei Industrie-PCs eine zusätzliche, für die Automatisierung modifizierte Hardware einsetzen, um die besonderen Anforderungen zu erfüllen. Insbesondere bei hochsynchronen Echtzeit-Industrial-Ethernet-Protokollen wie Sercos III sind beispielsweise Feldbus-Master-Module in Form von PCI- oder PCI-Express-Einsteckkarten vonnöten. Diese 'Hard'-Master gewährleisten ein hochgenaues Zeitverhalten.

Um Kosten zu sparen und die Baugröße der Steuerung zu reduzieren, suchen Maschinenhersteller immer öfter nach Möglichkeiten, diese Zusatzkomponenten durch Software-Lösungen auf PC-Standard-Hardware zu ersetzen. Mit der Verfügbarkeit eines 'Soft Master' bietet der Automatisierungsbus Sercos III jetzt genau diese Möglichkeit. Die von Rexroth entwickelte Lösung nutzt die in den meisten Industrie-PCs bereits vorhandenen Standard-Ethernet-Schnittstellen für Echtzeit-Industrial-Ethernet. Hierzu bildet er die Funktionalität der speziellen Industrial-Ethernet-Module durch eine Software ab. Die besondere Herausforderung bei Industrial-Ethernet-Systemen mit harter Echtzeit besteht darin, dass durch die Standard-Ethernet-Interfaces zunächst auf dem Bus zwangsläufig ein ungenaueres Zeitverhalten entsteht. Beim Sercos-Soft-Master wird aber die

Synchronität auf Applikationsebene für die meisten Anwendungen ausreichend erhalten, wie Messungen an realen Maschinen belegen.

Ein weiteres Hemmnis ist, dass bei der Implementierung von Soft-Mastern der meisten Echtzeit-Industrial-Ethernet-Systeme schnell Abhängigkeiten in Bezug auf bestimmte Hardware-Komponenten und Betriebssysteme entstehen. Dies ist für viele Maschinenhersteller inakzeptabel, da sie selbst über die Hardware und das Betriebssystem entscheiden möchten. Die Kernkomponenten des Sercos-III-Soft-Masters hingegen sind vollständig Hardware- und Betriebssystem-unabhängig konzipiert und kompatibel zur Sercos-Spezifika­tion. Das ist die Basis, um alle verfügbaren Sercos-Slaves uneingeschränkt nutzen zu können.

Transparente System­architektur

Bild 1 zeigt die Architektur des neuen Ansatzes: Der eigentliche Soft-Master-Kern (Modul SICE) emuliert den 'Hard'-Sercos-IP-Core, der bei einem Hard-Master üblicherweise in einer speziellen Hardware – zum Beispiel in einem FPGA – implementiert wird. Dies hat zur Folge, dass die Schnittstelle zu den höheren Protokollschichten vom Soft-Master-Kern kompatibel zum Hard-Sercos-IP-Core ist. Der große Vorteil daran: Die vielfach bewährte Open-Source-Bibliothek Cosema (http://sourceforge.net/projects/cosema/) lässt sich auch für den Soft-Master unverändert nutzen. Das Ergebnis: Anwender können bestehende Steuerungen mit wenig Aufwand von einem Hard- zu einem Soft-Master portieren.

Bild 1. Die Software-Architektur des Soft Master: Er besteht aus den Software-Modulen SIII, CSMD und SICE, die gemeinsam die Sercos-Anschaltung realisieren.

© Bosch Rexroth

Oberhalb der Open-Source-Bibliothek von Cosema ist das Modul SIII angesiedelt. Es macht aus der passiven Sercos-Anschaltung von Cosema eine aktive Anschaltung mit den erforderlichen Zustandsmaschinen. Damit bietet es zur Applikation hin eine besonders einfache Schnittstelle. Das Modul S3SM repräsentiert eine einfache Beispielapplikation mit dem Soft-Master und ermöglicht die Steuerung von Servoantrieben und I/O-Modulen.

Die Betriebssystem-Abstraktion wird schließlich durch das abstrakte Modul RTOS umgesetzt. Davon abgeleitet, wurden Schnittstellen für verschiedene Echtzeit-Betriebssysteme realisiert, deren Modulbezeichnung jeweils das Präfix RT aufweisen. Beispielsweise steht hier RTLX für die Anpassung an Linux.

Harte Echtzeit-Fähigkeit nachgewiesen

Der Sercos-III-Soft-Master wurde bereits auf verschiedenen PC-Standard-Hardware-Konfigurationen und mit diversen Echtzeit-Betriebssystemen erfolgreich getestet, unter anderem mit:

■ Linux mit PREEMPT_RT-Patch entsprechend den Untersuchungen bei der OSADL (http://www.osadl.org),
■ QNX Neutrino,
■ Windows CE 6 und Embedded Compact 7 sowie
■ der Windows-Echtzeit-Erweiterung INtime.

Auch unter Nicht-Echtzeit-Betriebssystemen wie Linux und Windows XP/7 ohne Echtzeit-Erweiterung ist der Soft Master lauffähig – allerdings naturgemäß mit Einschränkungen beim Zeitverhalten. Damit können Maschinenhersteller bei der Inbetriebnahme Sercos-Komponenten aber immerhin parametrieren oder Fehler diagnostizieren. Der Soft Master entspricht der aktuellen Sercos-III-Spezifikation und wurde mittlerweile mit über 50 verschiedenen Sercos-Slaves erprobt. Auch komplexere Sercos-Funktionen wie etwa 'Hot-Plug', also das Hinzufügen oder Entfernen von Teilnehmern im laufenden Betrieb, funktioniert.

Zykluszeiten ab 100 µs realistisch

Bei Sercos wird die harte Echtzeit-Synchronisation von Antrieben und anderen Geräten von den zyklisch ausgestrahlten Master Synchronization Telegrams (MST) abgeleitet. Ein wichtiger Wert ist die Abweichung des tatsächlichen Ausstrahlungs-Zeitpunktes vom Soll-Ausstrahlungszeitpunkt, der so genannte Jitter. Bei einem Sercos-III-Hard-Master sind Jitter im Bereich einiger 10 ns aufgrund der Eigenschaften von Ethernet-PHY-Bausteinen typisch (in der Regel 40 ns oder 80 ns). Für den Soft Master ergaben sich bei verschiedenen PC-Standard-Hardware-Konfigurationen maximale Jitter-Werte in der Größenordnung von 10 bis 60 µs. Dies gilt nicht nur für Sercos, sondern gleichermaßen auch für Soft Master anderer Industrial-Ethernet-Systeme, da der Ursprung des Jitters in den Eigenschaften von der Hardware und der Echtzeit-Betriebssysteme begründet liegt. Teilweise liegt dieser Wert bei Soft Mastern anderer Industrial-Ethernet-Systeme aber deutlich höher.

Bild 2. Mess-Ergebnis für die Slave-Synchronität: Relative Lage der Synchronisationssignale zweier Slaves in einer Langzeitmessung. Die Synchronität der beiden Slaves beträgt etwa 0,65 µs.

© Bosch Rexroth

Auf PC-Standard-Hardware erreicht der Soft Master aufgrund des Jitters realistisch verlässliche Zykluszeiten ab 100 µs. Um einen angemessenen Datendurchsatz zu erreichen, macht es Sinn, Zykluszeiten auf zum Beispiel 250 µs oder 500 µs und größer zu beschränken.

Weiterhin ist für viele Applikationen eine gute Slave-Synchronität von Bedeutung. Das gilt besonders für die Zeitpunkte der Sollwert- und Istwert-Übernahme. Diese Zeitpunkte werden bei Sercos in den Slaves aus den Zeitpunkten der Übertragung von MSTs nach Filterung durch eine PLL abgeleitet. Das hat eine sehr ähnliche Wirkung wie die Nutzung eines Verteilte-Uhren-Konzepts bei anderen Industrial-Ethernet-Systemen.

Bei Messungen zur wichtigen Slave-Synchronität beim Einsatz des Soft Master wurden die internen Synchronisationssignale von Slaves herausgeführt und auf verschiedene Eingänge eines Oszilloskops gelegt. Bild 2 zeigt das Ergebnis einer Langzeitmessung: Im oberen Bereich der Abbildung ist das Synchronisationssignal eines Slave dargestellt, auf das getriggert wurde. Im unteren Bereich ist das parallel aufgezeichnete Synchronisationssignal eines zweiten Slave zu sehen. Es ergibt sich hier eine Synchronität von etwa 0,65 µs. Mit einem Sercos-Hard-Master ist zwar eine noch höhere Synchronität möglich; dennoch ist dies ein guter Wert, der auch für viele anspruchsvolle Applikationen ausreichend ist.

Applikationsbeispiel Folienverpackung

Bei der ersten Maschine, an der der beschriebene Soft-Master seine Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt hat, handelt es sich um die Pack101 von Bosch Packaging Technologies – eine im Einstiegssegment positionierte horizontale Schlauchbeutel-Verpackungsmaschine, die eine große Flexibilität hinsichtlich Produktgrößen und Gestaltung der Siegelnähte aufweist (Architektur siehe Bild 3).

Bild 3. Die Systemarchitektur der Verpackungsmaschine: Die Maschine wird durch einen Industrie-PC mit Touchscreen gesteuert, auf dem neben dem Soft-Master die Applikation mit der Benutzerschnittstelle läuft.

© Bosch Rexroth

Die Maschine besteht aus einer Mitnehmerkette zur Produktzuführung, einer Folienzuführung, einer Einheit zur Formung des Schlauchbeutels, einer Längssiegeleinrichtung, einem rotierenden Quersiegler und einem Auslaufband zur Weiterleitung der verpackten Produkte. Wenn die zu verpackenden Produkte über die Mitnehmerkette in die Maschine einlaufen, wird Folie zugeführt und ein Folienschlauch um das Produkt gelegt. Dieser wird durch den Längssiegler verschweißt. Der rotierende Quersiegler verschweißt die Verpackung in Querrichtung und durchtrennt den Schlauchbeutel an der Siegelnaht zwischen den einzelnen Produkten. Anschließend erfolgt die Ausgabe der verpackten Produkte über das Auslaufband.

Als Steuerung dient ein Industrie-PC mit Windows Embedded Compact 7 und Touchscreen-Benutzerschnittstelle. Auf diesem Industrie-PC läuft neben der Maschinenapplikations-Software der Sercos-III-Soft-Master, der über eine Standard-Ethernet-Netzwerkkarte eine Sercos-Masteranschaltung realisiert. Zum Einsatz kommen weiterhin drei Servoantriebe und ein Sercos-Buskoppler mit digitalen Ein- und Ausgängen: Ein Servoantrieb steuert die Produkt­zuführung über die Mitnehmerkette, eine zweite Servoachse sorgt für den Folienvorschub und das Längssiegel. Die Quersiegeleinheit wird durch den dritten Servoantrieb gesteuert. Weiterhin wird ein Sercos-Buskoppler mit digitalen Ein- und Ausgängen für verschiedene Steueraufgaben genutzt.

Als Fazit dieses bestandenen Praxistests lässt sich festhalten: Für die Synchronität von Slaves ergibt sich ein Wert von unter 1 µs. Damit können Maschinenhersteller in zahlreichen Anwendungen die Systemkosten reduzieren.

Autor: Dr. Gunther May ist Gruppenleiter für industrielle Kommunikation im Bereich Entwicklung Antriebslösungen bei Bosch Rexroth.