Utilizing EtherNet/IP as communication infrastructure for distributed control systems

Abstract

Der verschärfte Wettbewerbsdruck in der produzierenden Industrie fordert den Einsatz von exiblen Produktionsanlagen, um auf die Anforderungen und Wünsche des Marktes prompt reagieren zu können. Durch den Einsatz dezentraler Konzepte in Form von Verteilten Systemen können bestehende Steuerungsanlagen durch neue Funktionalität erweitert oder bestehende Komponenten im Sinne von Retrofitting ausgetauscht werden. Diese Funktionalität kann in Form von "IEC 61499 Geräten" bereitgestellt werden, welche Steuerungsanwendungen des neuen Standards IEC 61499 ausführen können.<br />Eine Voraussetzung für die gemeinsame Verwendung von bestehenden Steuerungssystemen mit "IEC 61499 Geräten" ist eine gemeinsame Kommunikationsbasis. Im Rahmen dieser Arbeit soll diese Basis durch das industriell adaptierte Ethernet Protokoll EtherNet/IP gebildet werden.<br />Ziel dieser Arbeit ist die Integration eines EtherNet/IP Protokoll Stacks in die Kommunikationsfunktionsblöcke des IEC 61499 Standards. Dafür werden Szenarien entwickelt, welche die Rolle des "IEC 61499 Gerätes" in einem Verteilten System analysieren. Anhand dieser Szenarien wird der Bedarf an Funktionalität ermittelt, der für diese Geräte notwendig ist, um eine Kommunikation mit anderen Geräten zu ermöglichen. In weiterer Folge wird das EtherNet/IP Protokoll in Hinblick auf den Verbindungsaufbau und die Übertragung von Ein/Ausgabe Daten analysiert. Durch den Einsatz von IEC 61499 Kommunikationsfunktionsblöcken ist es auch notwendig, deren Kommunikationseigenschaften zu untersuchen. Bei diesen Analysen zeigt sich, dass der verwendete EtherNet/IP Protokoll Stack OpENer durch Mechanismen und Funktionen erweitert werden muss, um einen zuverlässigen Verbindungsaufbau zu gewährleisten.<br />Anhand der Ergebnisse der Analysen wurden Kommunikationsfunktionsblö- cke modelliert, welche die Kommunikation zwischen Geräten einer verteilten Steuerung und der IEC 61499 Applikation ermöglichen. Die Funktionalität der erstellten Funktionsblöcke wurde in einem praktischen Anwendungsbeispiel demonstriert. Dabei zeigte sich die bemerkenswerte Möglichkeit, dass ein "IEC 61499 Gerät" gleichzeitig als "Slave" einer Steuerung und als "Master" in einer Multi-Master Kommunikation mit einem zweiten "IEC 61499 Gerät" eingesetzt werden kann.<br />Diese Ergebnisse belegen die Einsatzmöglichkeit der Technologie des neuen Standards IEC 61499 in der gemeinsamen Verwendung mit bestehenden Steuerungsanlagen unter Benutzung des EtherNet/IP Protokolls, welches als Basis für die gemeinsame Kommunikation dient.<br />

The increased competition in the manufacturing industry demands the use of exible production systems to react quickly on the needs and desires of the market. Using decentralized concepts in form of distributed control systems, existing control systems can be extended with new functionality or existing devices can be replaced in form of retrofitting. This functionality can be provided in the form of "IEC 61499 devices" which are able to execute the applications modeled within the new standard IEC 61499. A prerequisite for the joint use of existing control systems together with IEC 61499 devices is a common basis for communication. In this thesis, this basis is formed by the industrial adapted Ethernet protocol EtherNet/IP.<br />The aim of this thesis is the integration of an EtherNet/IP protocol stack to communication function blocks of the IEC 61499 standard. Therefore, scenarios are developed to explore the role of the IEC 61499 device within a distributed system. These scenarios are used to determine the requirements for these devices to allow communication with other devices. Subsequently, the Ether- Net/IP protocol is analyzed with respect to the connection establishment and the transmission of input/output data. The use of IEC 61499 communication function blocks requires also the examination of their communication behavior.<br />These analyses show that the existing EtherNet/IP protocol stack OpENer has to be extended by mechanisms and additional functions to ensure a reliable connection establishment.<br />According to the results, the communication function blocks were created, which provide communication between devices of a distributed control system and an IEC 61499 application. The functionality of the created function blocks was demonstrated in a practical implementation. This showed the remarkable ability of the IEC 61499 device which can be used as a Slave device in connection with a PLC Master device and at the same time as Master device in a Multi-Master communication with other IEC 61499 devices.<br />The presented concepts in this thesis and their validation within the practical implementation confirm the possibility of interaction between existing control systems and devices supporting the new standard IEC 61499 through utilizing EtherNet/IP as common communication protocol.