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Funktionale Merkmale von POWERLINK

Topologie

Aufgrund der Konformität zum Ethernet-Standard können für POWERLINK-Netzwerke uneingeschränkt alle denkbaren Topologien gewählt werden: Stern, Baum, Linie, Ring und beliebige Kombinationen aus diesen Anordnungen. Bei POWERLINK können neue Netzwerkgeräte über einen Standard-Industrie-Hub an jeden Knotenpunkt des Netzes angeschlossen werden. Da das Slot Communication Network Management Datenkollisionen ausschließt, entfällt die Unterteilung des Netzwerks in kollisionsfreie Abschnitte. Die Sterntopologie kann wahlweise mit herkömmlichen „unmanaged“ Switches oder mit Hub-Verteilern realisiert werden. Eine der Netzwerktopologie angepasste Konfiguration ist nicht erforderlich. Zudem gibt es keine Abhängigkeit zwischen logischen Verknüpfungen in der Applikation und dem physikalischen Aufbau. Das Netzwerk lässt sich – auch zur Laufzeit – verändern, ohne dass es zu Einschränkungen der Anwendung kommt. Ein POWERLINK-Netzwerk kann bis zu 240 Teilnehmer umschließen. Diese Anzahl an Teilnehmern kann auch in reiner Linie geschaltet werden, was 240 Hub-Ebenen entspricht.   




Teilnehmeradressierung

Die Freiheit der Topologie wird durch die eindeutige Adressierung jedes Netzwerkteilnehmers ermöglicht. Zwar sind alle Teilnehmer bereits durch ihre MAC-Unicast-Adressen gekennzeichnet, doch sind diese Adressen an die individuellen Geräte gebunden und ändern sich bei einem Gerätetausch auch dann, wenn die auszuführenden Aufgaben unverändert bleiben. Deshalb nutzt POWERLINK ein zweites Adressschema mit einem 1 Byte langen „POWERLINK Node IDs“. Die Adressierung der Netzwerkteilnehmer erfolgt direkt an den Geräten per Einstellung über einen manuell bedienbaren DIP-Schalter, wodurch eine transparente Zuordnung der IP-Adressen zu den Geräten gewährleistet wird. Wird ein Gerät ersetzt, so übernimmt das Austauschgerät einfach die Adresse seines Vorgängers und dessen Funktionalität. Diese Adressierungsmethode erlaubt eine einfache Softwarekonfiguration bei der Einrichtung eines Netzwerks und ist für den zuverlässigen Service unersetzlich. Der Austausch von eindeutig adressierten Geräten erfordert keinen Stopp der Anlage, da POWERLINK uneingeschränkt hotplug-fähig ist.




Hot Plugging

Hot Plugging bedeutet das Stecken und Ziehen von Teilnehmern während des Betriebs, ohne dass es zur Beeinträchtigung der Netzwerkfunktionalität kommt oder ein Neustart für das Funktionieren der hinzugefügten oder ausgewechselten Teilnehmer erforderlich ist. Erweiterungs- oder lokale Austauschmaßnahmen beeinträchtigen die Echtzeit nicht.

Der Managing Node (MN) sendet innerhalb eines Zyklus an jeden Netzwerkknoten ein Einzeltelegramm und fordert ihn zur Übersendung seiner Statusinformationen und Nutzdaten auf. Trifft er dabei auf ihm nicht bekannte, also neue oder ausgewechselte Geräte, fordert er sie auf, sich zu identifizieren. Diese übermitteln im asynchronen Teil des POWERLINK-Zyklus ihr Geräteprofil an den Konfigurationsmanager, der auf dem MN läuft und das Objektverzeichnis aktualisiert. Nach wenigen Zyklen steht das Gerät in voller Funktionalität zur Verfügung. Dadurch ermöglicht es POWERLINK zum Beispiel Bedienern von Maschinen oder Anlagen, sich mit tragbaren Handbediengeräten an verschiedenen Stellen des Netzwerks einzuloggen.




Querverkehr

Die Kommunikation bei POWERLINK funktioniert (wie beim Standard-Ethernet) nach dem Broadcast-Prinzip (Rundfunkprinzip). Das bedeutet, dass jeder Teilnehmer prinzipiell die Datensendungen der anderen Teilnehmer empfangen kann. Welche Teilnehmer welche Daten auswerten können, hängt nur von der Konfiguration ihrer Empfangskanäle ab. Dieses Sendeprinzip erlaubt den direkten Querverkehr von Controllern untereinander, sodass ihre Kommunikation keinen Umweg über den Master bzw. Managing Node nehmen muss. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel in synchronisierten Produktionssegmenten die Winkelcodierer sämtlicher Antriebe mit dem Leitwertgeber synchronisieren; bei dezentralen Safety-Architekturen ist der direkte Querverkehr von Safety-Komponenten eine grundlegende Voraussetzung. Die Vorteile liegen in Zeitersparnis, Systemvereinfachung und Entlastung der Steuerungsaufgaben, so dass für viele Bereiche preisgünstigere Steuerungen gewählt werden können.

POWERLINK gestattet durch Querverkehr die Modularisierung des Netzwerks in funktionale Einheiten, die unabhängig von der übergeordneten Zentralsteuerung agieren können. Innerhalb eines Moduls kommunizieren die Knoten per Querverkehr nur untereinander; bis auf einen Knoten, der für die Koordination und für die Abstimmung mit anderen Modulen zuständig ist. Dieser „Modul- Master“ ist in der Regel selbst nur ein POWERLINK-Slave, der seine Master-Funktion nur durch die spezifische Konfiguration seines Empfangskanals erhält. So lassen sich größere Anlagen als „modulare Maschinen“ strukturieren, die mit einem durchgehenden POWERLINK-Netzwerk ausgestattet sind, sich aber funktional in weitgehend voneinander unabhängige Module gliedern. Die Module lassen sich einfach und als Ganzes austauschen, prinzipiell auch gegen Einheiten mit erweiterter oder anderer Funktionalität.




Redundanz

Mit POWERLINK lassen sich zwei Arten der Redundanz realisieren:

  • Ringredundanz bzw. Partialringredundanz
    • Bei der Ringredundanz werden die Applikationen in Ringform verbunden; Anfang und Ende des Datenkabels sind mit der Steuerung verbunden. Dazu wird nur ein weiteres Kabel benötigt, um den Ring zu schließen. Die Steuerung benötigt zwei Schnittstellen, die sie redundant bedienen kann. Das Erkennen eines Leitungsausfalls und das Umschalten vom ausgefallenen auf den redundanten Datenkanal erfolgt innerhalb eines Zyklus.
    • Partialringredundanz ist eine Form der Ringredundanz, die sich nur über einen bestimmten Teil des Netzwerks erstreckt. Teilnehmer, die aus Sicht des MN hinter der gesicherten Applikation liegen, können wieder einfach verdrahtet werden.
  • Bei der Masterredundanz (Managing-Node-Redundanz) stehen zwei oder mehr redundante Managing Nodes am Kopf der Netzwerkhierarchie. Nur einer dient als aktiver Managing Node, der oder die andere/n laufen im Hot-Standby-Betrieb und verhalten sich aus Sicht des aktiven Managing Nodes wie Controlled Nodes. Der einzige Unterschied zwischen einem Standby-MN und einem CN besteht darin, dass der Standby-MN kontinuierlich alle Netzwerk- bzw. CN-Funktionen überwacht, um jederzeit die Funktion des aktiven MNs ohne ein neuerliches Booten übernehmen zu können.



Diagnose

Da POWERLINK für die Datenübertragung ein Einzeltelegrammverfahren nutzt (im Gegensatz zu Kommunikationssystemen mit Summenrahmenverfahren), gestaltet sich die Diagnose unkompliziert. Die Eindeutigkeit der Knotenadressen und die Verfügbarkeit sämtlicher Daten in jedem Bereich des Netzwerks sichern die eindeutige Diagnose bei POWERLINK-Netzwerken. Jedes beliebige Ethernet-kompatible Diagnosetool kann verwendet werden. Außerdem stellt POWERLINK durch seine Kommunikationsstruktur jederzeit fest reservierte Bandbreite für Diagnosezwecke zur Verfügung, um auch bei maximaler Performance den vollständigen Service zu sichern.


POWERLINK = CANopen over Ethernet

POWERLINK integriert die vollständigen CANopen-Mechanismen auf der Anwendungsschicht: Es verwendet dieselben Gerätebeschreibungsdateien wie CANopen, dieselben Objektverzeichnisse und dieselben Kommunikationsmechanismen, wie Prozessdatenobjekte, Servicedatenobjekte und Netzwerkmanagement. Alle CANopen-Applikationen und -Geräteprofile lassen sich mit POWERLINK direkt nutzen, aus Sicht der Anwendung gibt es keinen Unterschied zwischen den Protokollen. Durch die Integration von CANopen, an der die internationale Vereinigung der CAN-Anwender und -Hersteller „CAN in Automation“ (CiA) maßgeblich beteiligt war, vereint POWERLINK die Vorteile dieses Anwendungsprotokolls mit den Leistungsmerkmalen von Ethernet.  POWERLINK wird oft auch als „CANopen over Ethernet“ bezeichnet.