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TwinCAT
TwinCATApplication Note DK9321-0110-0024
KeywordsRealtime-EthernetNetzwerkvariablenTwinCATMultimasterFC9004Publish-SubscribeBeckhoffInformationSystem
Realtime-Ethernet mit TwinCAT-Netzwerkvariablen
Dieses Application Example beschreibt die Funktion und Anwendung von TwinCAT-Netzwerkvariablen nach
Publish-/Subscribe-Prinzip. Mit Hilfe dieser Netzwerkvariablen können Daten zwischen Steuerungen in
Echtzeit auf Basis von Realtime-Ethernet ausgetauscht werden. Im Gegensatz zum Master-Slave-Prinzip gibt
es beim Publish/Subscribe keine feste hierarchische Struktur, sodass flexibel auf dynamische Veränderungen
während der Laufzeit reagiert werden kann. Da die Netzwerkvariablen auch über Standard-Protokolle
(TCP/UDP) transportiert werden, kann eine bestehende Ethernet-Infrastruktur genutzt werden (Büro- oder
Firmennetz).
Kommunikation auf ProzessleitebeneDieProzessleitebeneistdieKommunikationsebene,aufderdieSteuerungeneinerAnlageapplikationsbezogeneDaten
austauschen.HäufigistzwischendeneinzelnenSteuerungenkeinefestehierarchischeStrukturwiebeiderMasterSlave-
Prozessdatenkommunikationsinnvoll,dasieeinerseitsunabhängigvoneinanderundandererseitsjenachProzessstatusin
verschiedenenKonstellationenagieren.AusdiesemGrundempfiehltsichdasPublisher-Subscriber-PrinzipunterVerwendung
desdeterministischenRealtime-Ethernets.
Publisher-Subscriber anstatt Master-SlaveImGegensatzzudembeidenherkömmlichenFeldbussystemenhäufigangewandtenMaster-Slave-Prinzip,gibtesbei
Publisher-Subscriber-VerfahrenkeinenzentralenMasterfürdieVerarbeitungderProzesssignaleunddieSteuerungder
Kommunikation.EineSteuerung(Publisher)bietetihreDatenaufdemNetzwerkan,welchedannvonTeilnehmern
(Subscribern)abonniertwerdenkönnen.JedeSteuerungkannalsoPublisherundSubscriberzugleichsein.
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Broadcast Unicast Multicast
Publisher
Subscriber Subscriber/Publisher
Subscriber Subscriber
Abb. 1 Broadcast, Multicast und Unicast als Kommunikationspfade
DerPublisherkannseineDateninverschiedenenModiverschicken.Broad-,Multi-oderUnicastkönnenverwendetwerden.Es
handeltsichimmerumunbestätigteDienste,d.h.derkorrekteEmpfangderDatenwirdnichtimVersendergeprüft.Damitwird
diegesamteKommunikationsehrschlankunddieNutzdatenratemassiverhöht.
Vorteile der TwinCAT-Netzwerkvariablen (Publisher-Subscriber)ErstimSubscriberfindetdieKommunikationsüberwachungstatt.GegenseitigePublisher-Subscriber-Beziehungenermöglichen
bi-undmultidirektionaleKommunikationen:DerDatenverkehrfließtzwischendenassoziiertenTeilnehmern.Daherkönnensie
direktmiteinanderkommunizieren,ohneübereinezentraleInstanz,einenMaster,gehenzumüssen.Nebenderwegfallenden
ZwischenspeicherungistdieseArtderKommunikationauchsehrflexibel–eineÄnderungderNutzeranzahlwährendder
Laufzeitistmöglich,ohnedenKommunikationsprozesszubeeinflussen.
DerEinsatzvonRealtime-Ethernetlässteszu,sämtlicheVorteilevonEthernetfürindustrielleAnwendungenzunutzen:
– EinsatzvonStandard-Hardwarekomponenten
– keinefeldbusspezifischeSchnittstellenotwendig–nureinEthernet-Port
– Standardprotokolle(TCP/UDPetc.)könnenparalleleingesetztwerden.
– Datenübertragungsratensindvergleichsweisesehrhoch.
– Fernwartungunddiagnosesindparallelmöglich.
ZusammenfassendistRealtime-EthernetmitTwinCAT-Netzwerkvariablendeterministisch,schnell,preiswertunderlaubt
EchtzeitfähigkeitmitparallelemEinsatzvonFeldbuskommunikationaufeinerSteuerung.
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Realtime-Ethernet und TwinCATZurNutzungvonRealtime-EthernetwirdeinkonventionellerEthernet-Portgenutzt,deraufdengleichenTreiberzugreift,
derauchfürdieEtherCAT-Kommunikationverwendetwird.DerTwinCAT-Realtime-Ethernet-Treiber(auchY-Treibergenannt)
musskeinerweiterenKonfigurationunterzogenwerden,dadieTwinCAT-Kommunikationsstrukturgenutztwird.Sokannauf
einevorhandeneInfrastrukturaufgesetztwerden,umeinennicht-eventgetriebenenzyklischenDatenstrommitdenTwinCAT-
Netzwerkvariablenzuverteilen.EineazyklischeKommunikation(„beiBedarf“)überRealtime-Ethernetistauchmöglich.Hier
wird,wiebeiTwinCATüblich,ADSverwendet(‚ADSoverRealtime-Ethernet’).WeiterführendeInformationenzudenThemen
Realtime-EthernetundTwinCAT-NetzwerkvariablenimBeckhoffInformationSystem!DieentsprechendenLinksfindensich
amEndedesDokuments.
Abb. 2 TwinCAT System Manager mit Diagnosefunktion zur Betrachtung der Latenzzeiten der einzelnen Variablen
DiePublisher-SteuerungimSystemManagerlässtflexibleReaktionenaufdynamischeVeränderungenzu:Sokönnenzur
LaufzeitZieladdressenoderVariablen-IDsdereinzelnenSendungenverändertwerden.DieTwinCAT-Diagnoselässtjederzeit
RückschlüsseaufaktuelleLatenzenunddieNetzwerkauslastungzu.DaeineÜberprüfungerstimSubscriberstattfindet,
kannimTwinCATSystemManagerinderSubscriber-BoxdieentsprechendeVariableaufgerufenwerden,umunterdem
PunktQuality–OnlinedieRefreshratederVariablezubetrachten.IndervorhergehendenAbbildung2hatamPunktAeine
Verbindungsunterbrechungvonca.2,5svorgelegen.
ImGegensatzzudenweitverbreitetenTCP/IP-undUDP/IP-Protokollen(Abb.3links),dieweltweitfürdieZustellung
individuellerEthernet-Framesverantwortlichsind,benötigtdieEchtzeitkommunikationmitNetzwerkvariablen(Abb.3rechts)
innerhalbeineslokalenSubnetzesnurdieHardware-AdressenderNetzwerkkarten.DerOverheadausTCP/IPundUDP/IPist
innerhalbeinesSubnetzesunnötig–daherfallendieSchichten3und4imISO-OSI-Modelweg.DieGerätewerdendirektüber
dieHardware-Adressen(MAC-ID)derNetzwerkkarten(Schicht2)adressiertwerden.
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DasBetriebssystemdesPCsistnichtindieÜbertragungderDateninvolviert,sowirdeineweitaushöhereDeterministik
erreichtundAntwortzeitenkönnengarantiertwerden.DiebeiTCP/IPnotwendigenDurchlaufzeitendesWindows-Stacksfallen
beiRealtime-Ethernetnichtmehran,wodurchhoheÜbertragungsgeschwindigkeitenerreichtwerden.Nebenderschnellen
ÜbertragungistauchdieNutzdatenratebeiRealtime-Ethernetsehrhoch:ProPublisherstehteinkompletterEthernet-Framezur
Verfügung,dessen1480BytevollständigzumTransportderProzessdatengenutztwerdenkönnen.
Übertragung via TCP/IP Übertragung via Realtime-Ethernet
WindowsStack
Ethernet
mit Stack-Laufzeiten ohne Stack-Laufzeiten
Physical Layer
Data Link Layer
Network Layer
Transport Layer
Session Layer
Presentation Layer
Application Layer7
6
5
4
3
2
1Physical Layer
Data Link Layer
Network Layer
Transport Layer
Session Layer
Presentation Layer
Application Layer 7
6
5
4
3
2
1
Ethernet
Physical Layer
Data Link Layer
Application Layer 7
2
1 Physical Layer
Data Link Layer
Application Layer7
2
1
Publisher SubscriberPublisher Subscriber
RJ 45 RJ 45 RJ 45 RJ 45
Abb. 3 Realtime-Ethernet: Übertragung ohne Stacklaufzeiten im Gegensatz zu TCP/IP
WenndaslokaleSubnetzverlassenwerdenmuss,könnendieNetzwerkvariablenalternativzumRealtime-Ethernetauchüber
dieStandard-ProtokollewieTCPundUDPtransportiertwerden.UmdieNetzwerkvariableninnerhalbeinerbestehenden
Büro-Infrastrukturnutzenzukönnen,dieaufEthernetbasiert(UDPundTCP),sindfolgendePunktzuberücksichtigen:Die
NetzwerkkomponentenmüssenmiteinemIntel®-ChipausgestattetseinunddieKommunikationdarfnichtübereinenRouter
erfolgen.DieRückwirkungvonBroadcast-TelegrammenistbeiTrafficeinzukalkulieren,dahersolltedieKommunikation
möglichstineinemeigenenSegmentablaufen.
Beispielhafte AnwendungenRealtime-EthernetaufBasisderTC-NetzwerkvariablenfindetinvielenBereichenAnwendung.ImFolgendenwerdendrei
exemplarischeAnwendungenaufgegriffen,umdenEinsatzvonRealtime-Ethernetgreifbarzumachen:
A VerteiltesMotionControl
B VerteilteSafety
C Highspeed-Inter-PC-Kommunikation
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A Verteiltes Motion ControlSteuerungskonzeptemitverteilterIntelligenzfindenbeikomplexenAnlagenAnwendung,wenndieAnlageinlogische
Einheitengeteiltwerdensoll.DieeinzelnenTeilekönnendannseparatprojektiertundinBetriebgenommenwerden.Beim
ZusammenschlussallereinzelnenTeilefindetdieKommunikationaufzweiEbenenstatt:
Prozessebene
Feldebene
Master
Slaves
CPU CPU CPU
TwinCAT-Netzwerkvariablen über Realtime-Ethernet
beliebiger Feldbus beliebiger Feldbus beliebiger Feldbus beliebiger Feldbus
CPU
Abb. 4 Unterschiedliche Kommunikationskanäle auf Feld- und auf Prozessebene
Feldbusebene:
JedeeinzelneSteuerungistMasterinnerhalbeinereigenständigenFeldbusumgebungundtauschtaufBasiseines
beliebigenFeldbusseszyklischdieDatenmitdenangeschlossenenSlavesaus.
Prozessebene:
DieeinzelnenSteuerungen(Master)tauschenübereinengemeinsamenKommunikationskanal(Backbone)diefürdie
ApplikationrelevantenDatenundParameterinFormvonNetzwerkvariablenaus.Siewerdenzyklischzwischenden
Steuerungenkommuniziert.DasRealtime-EthernetdientalsTransportmediumderNetzwerkvariablen.
EinefestehierarchischeStrukturderSteuerungenuntereinander,wiesieinderFeldbusebenealsMaster-Slave-Relationüblich
ist,istnichtsinnvoll.DaherwirdderAufbauausmehrerenMastern(vgl.Abb.5)mitTwinCATNetzwerkvariablenüberRealtime-
Ethernetumgesetzt,umdieSteuerungenaufübergeordneterEbenemiteinanderzuvernetzten.
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Real-time Ethernet backbone
Unicast
Broadcast
Switch Switch
CPU
M M M
CPU
M M M
CPU
M M M
CPU
M M M
Subscribe
Subscribe
Subscribe
Publish
Subscribe
Publish
Servo Drives Servo Drives
Servo DrivesServo Drives
Abb. � Multimaster-Kommunikation durch TwinCAT-Netzwerkvariablen über einen Realtime-Ethernet-Backbone
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B Verteile Safety
ÜberTwinCATundNVperRealtime-EthernetkanngeradeimmodularenMaschinenbaueinekostengünstigeVernetzung
vonSicherheitssteuerungenerfolgen.WenninnerhalbeinesSegmenteseinNot-Ausausgelöstwird,müssenjeweilsdas
Segmentdavorunddanachabgeschaltetwerden.ÜberRealtime-EthernetundTwinCAT-NetzwerkvariablenwerdendieNot-
Aus-FunktionenderSegmentealsPublisherimUnicastveröffentlichtunddiebeidenumgebendenSegmentealsSubscriber
eingetragen.
Realtime-Ethernet
Safety-ModuleSafety über Realtime-Ethernet
beliebiger Feldbus zur Kommunikation der Steuerung
SS SS SSSS PP P
Embedded-PCCX1020
Embedded-PCCX1020
Embedded-PCCX1020
Embedded-PCCX1020
Embedded-PCCX1020
PP
P - PublisherS - Subscriber
Abb. � Verteilte Safety über Realtime-Ethernet innerhalb einer modularisierten Fertigungsstrasse
DerVorteilbeidiesemKonzeptliegtinderhohenDeterministik,denniedrigenInfrastrukturkosten(Ethernet-PortsundKabel)
undderschnellenÜbertragungeinergroßenMengevonDaten.
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C �0-µs-Inter-PC-KommunikationImGegensatzzudenvorherigenAnwendungengehtesimfolgendenBeispielnichtummassiveVernetzungunterschiedlicher
Teilnehmer,sondernumbesonderskurzeZykluszeiten.
Ethernet
PCPC
EtherCAT-Klemmen
PCI- FeldbuskarteFC9004 μs
Realtime-Ethernet-Kommunikation
Abb. � Ultraschnelle Kommunikation zwischen mehreren PCs über die FC9004
UmDatenzwischeneinemzentralenPCunddreiangeschlossenenPCsauszutauschen,kannaufGrunddesschlanken
ProtokollsunddesdirektenZugriffseinehoheZykluszeiterreichtwerden.DieangeschlossenenPCssindübereinePCI-
FeldbuskarteFC9004undohneweitereSwitchemitdemzentralenPCverbunden.BeiderKonfigurationinTwinCATwerden
diebidirektionalenKommunikationsstrukturenmitdenTwinCAT-Netzwerkvariablenumgesetzt.DiefolgendeAbbildung8zeigt
einenScreenshotdesTwinCATSystemManagersmiteinerRealtime-Ethernet-VerbindungbeieinerÜbertragungsratevon
20.026FramesproSekundeinSende-wieEmpfangsrichtung,alsoeineZykluszeitvon50µs.
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DiesesDokumententhältexemplarischeAnwendungenunsererProduktefürbestimmteEinsatzbereiche.DiehierdargestelltenAnwendungshinweiseberuhenaufdentypischenEigenschaftenunsererProdukteundhabenausschließlichBeispielcharakter.DiemitdiesemDokumentvermitteltenHinweisebeziehensichausdrücklichnichtaufspezifischeAnwendungsfälle,daherliegtesinderVerantwortungdesKundenzuprüfenundzuentscheiden,obdasProduktfürdenEinsatzineinembestimmtenAnwendungsbereichgeeignetist.WirübernehmenkeineGewährleistung,dassderindiesemDokumententhalteneQuellcodevollständigundrichtigist.WirbehaltenunsjederzeiteineÄnderungderInhaltediesesDokumentsvorundübernehmenkeineHaftungfürIrrtümerundfehlendenAngaben.EinedetaillierteBeschreibungunsererProdukteenthaltenunsereDatenblätterundDokumen-tationen,diedarinenthaltenenproduktspezifischenWarnhinweisesindunbedingtzubeachten.DieaktuelleVersionderDatenblätterundDokumentationenfindenSieaufunsererHomepage(www.beckhoff.de).
©BeckhoffAutomationGmbH,Januar2010DieWeitergabesowieVervielfältigungdiesesDokuments,VerwertungundMitteilungseinesInhaltssindverboten,soweitnichtausdrücklichgestattet.ZuwiderhandlungenverpflichtenzuSchadenersatz.AlleRechtefürdenFallderPatent-,Gebrauchsmuster-oderGeschmacksmustereintragungvorbehalten.
Abb. � �0-µs-Inter-PC-Kommunikation
–SPSundMotionControlaufdemPCwww.beckhoff.de/TwinCAT
–PCI-FeldbuskartenfürEthernetwww.beckhoff.de/FC9004
–BeckhoffInformationSystemhttp://infosys.beckhoff.com
–TwinCAT-NetzwerkvariablenimBeckhoffInformationSystem
http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcsystemmanager/netvars/bt_el66xx_beckhoff_network_var_settings.htm
– Realtime-Ethernet imBeckhoffInformationSystem
http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcrtethernet/html/tcrtethernet_configuration.htm
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Abb. � �0-µs-Inter-PC-Kommunikation
–SPSundMotionControlaufdemPCwww.beckhoff.de/TwinCAT
–PCI-FeldbuskartenfürEthernet
1-kanaligeAusführungwww.beckhoff.de/FC9001
mehrkanaligeAusführungwww.beckhoff.de/FC9002
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http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcsystemmanager/netvars/bt_el66xx_beckhoff_network_var_settings.htm
– Realtime-Ethernet imBeckhoffInformationSystem
http://infosys.beckhoff.com/content/1031/tcrtethernet/html/tcrtethernet_configuration.htm