SERCOS III

Wat is SERCOS III?

SERCOS III is de derde generatie van het Serial Real-time Communication System: een open, realtime Industrial Ethernet-protocol dat servoaandrijvingen, I/O en besturingen via standaard 100 Mbit/s-Ethernet synchroniseert met cyclustijden vanaf 31,25 µs en een jitter onder 1 µs. Het protocol is gemaakt voor motion control in de industriële automatisering, zoals robotica, CNC-machines, druk- en verpakkingsmachines. SERCOS III combineert het deterministische gedrag van de oudere Sercos-bus met gewone Ethernet-hardware, en is vastgelegd in de internationale normen IEC 61158, IEC 61784 en IEC 61800-7.

🕰️ Hoe is SERCOS ontstaan?

Sercos begon in 1987 als gezamenlijk project van de Duitse brancheverenigingen VDW (werktuigmachinebouwers) en ZVEI (elektrotechniek). Machinebouwers wilden één digitale interface tussen CNC-besturing en aandrijving, zodat zij niet langer per fabrikant analoge ±10 V-snelheidssignalen hoefden te bedraden. Tot de eerste deelnemers behoorden ABB, AEG, AMK, Robert Bosch, Indramat (later onderdeel van Bosch Rexroth) en Siemens.

Sercos I en II staan in IEC 61491 (1995). Het beheer ligt bij Sercos International e.V., een Duitse vereniging met ruim 90 lidbedrijven wereldwijd. De vereniging is IEC-partner en werkt samen met onder meer ODVA en de Noord-Amerikaanse machinebouwersvereniging OMAC. Volgens Sercos International zijn er meer dan 4 miljoen realtime-knooppunten geïnstalleerd.

🔧 Hoe werkt SERCOS III technisch?

SERCOS III gebruikt het fysieke Ethernet-niveau volgens IEEE 802.3, maar regelt de toegang tot het medium zelf. De master bepaalt de cyclus; slaves zenden nooit op eigen initiatief.

• Twee telegramtypen - het Master Data Telegram (MDT) brengt setpoints naar de slaves, het Acknowledge Telegram (AT) haalt actuele waarden op. Per cyclus zijn er maximaal vier MDT’s en vier AT’s.
• Sommatieframe - elke slave leest en schrijft zijn eigen, vooraf toegewezen deel van het telegram terwijl het voorbijkomt. Zo bedient één frame tientallen assen.
• Eigen EtherType - realtime frames gebruiken EtherType 0x88CD en draaien op laag 2 van het OSI-model. Voor het realtime-deel is geen IP-adres nodig; slaves hebben een Sercos-adres van 1 tot 511.
• Synchronisatie - de master meet bij het opstarten de doorlooptijd (latentie) per knooppunt en compenseert die. Het synchronisatiemoment zit in het eerste MDT, waardoor alle assen hun setpoint op hetzelfde moment overnemen met minder dan 1 µs afwijking.
• Geen switches nodig - elk apparaat heeft twee poorten (P1 en P2) en werkt als ingebouwde switch. Gewone switches in het realtime-segment verstoren de timing juist.
• Unified Communication-kanaal (UC) - de tijd die na de realtime-telegrammen overblijft, is vrij voor gewone Ethernet-frames zoals TCP/IP en HTTP. Bij 8 assen en een cyclus van 250 µs blijft circa 85 Mbit/s over voor UC-verkeer.
• Directe communicatie - Cross Communication laat slaves onderling data uitwisselen, Controller-to-Controller (C2C) verbindt meerdere masters, bijvoorbeeld bij gekoppelde machinemodules.

Parameters heten bij Sercos IDN’s (identificatienummers). Er zijn meer dan 700 gestandaardiseerde IDN’s, gegroepeerd in profielen voor aandrijvingen, I/O, encoders en energiebeheer. Het aandrijfprofiel is opgenomen in IEC 61800-7-204 en wordt ook gebruikt door EtherCAT als SoE (Servo profile over EtherCAT).

🔁 Welke topologieën en redundantie biedt SERCOS III?

SERCOS III ondersteunt een lijn, een ring en, met speciale hardware, boom- of sterstructuren. In een lijn vouwt de laatste slave het telegram terug naar de master. In een ring lopen twee telegrammen in tegengestelde richting rond.

Omdat een ringbreuk binnen één cyclus wordt opgevangen, blijft de machine doordraaien terwijl de storing wordt gemeld. Dat lijkt op ringredundantie in geschakelde netwerken, maar werkt veel sneller: MRP herstelt een ring afhankelijk van de klasse in 10 tot 500 ms, SERCOS III binnen 25 µs. Met hot plug kan een monteur bovendien een apparaat aan het einde van een draaiende lijn toevoegen zonder de realtimecommunicatie te verstoren.

🔄 Hoe verhoudt SERCOS III zich tot andere protocollen?

In de praktijk volgt de keuze vooral de besturing en de aandrijvingen. SERCOS III is sterk bij machines met Bosch Rexroth-aandrijvingen en bij de PacDrive 3-motionbesturingen van Schneider Electric, die van Sercos II naar SERCOS III overstapten. Voor procesinstallaties met een DCS is SERCOS III ongebruikelijk; daar domineren Profibus PA, Foundation Fieldbus en Ethernet-APL. Een overzicht van oudere bussen vindt u bij Veldbussen.

🛡️ Hoe werkt functionele veiligheid op SERCOS III?

Sercos International en ODVA spraken eind 2006 af dat Sercos CIP Safety als veiligheidsprotocol overneemt. De specificatie CIP Safety on Sercos verscheen in 2008, na beoordeling door TÜV Rheinland en het Duitse BGIA, en in 2013 breidde ODVA CIP Safety uit met diensten voor safe motion op EtherNet/IP en SERCOS III. Veiligheidsdata zoals noodstop, veilig stilstaan en veilige snelheid lopen over dezelfde kabel als de gewone procesdata. Omdat CIP Safety volgens het black channel-principe werkt, detecteren de veilige eindapparaten zelf fouten en is toepassing tot SIL 3 volgens IEC 61508 mogelijk. Een aparte veiligheidsbus is dan niet nodig, en veilige berichten kunnen via routers naar DeviceNet of EtherNet/IP worden doorgezet.

🔐 Hoe beveiligt u een SERCOS III-netwerk?

Het realtime-deel van SERCOS III kent geen ingebouwde authenticatie of versleuteling. Iedereen die een frame met EtherType 0x88CD op het segment kan zetten, kan in principe telegrammen verstoren. Het UC-kanaal brengt bovendien gewone IP-diensten zoals webservers en engineeringtoegang tot in de aandrijving. Een praktische aanpak:

1. Houd het realtime-segment fysiek gescheiden - sluit het alleen via de master of een UC-switch aan op het machinenetwerk, nooit rechtstreeks op het fabrieks-LAN.
2. Segmenteer volgens IEC 62443 - behandel elke machine als eigen zone met één gecontroleerde verbinding naar boven. Netwerksegmentatie en een industriële firewall beperken wie de master en UC-diensten bereikt.
3. Pas Defense in Depth toe rond de besturing - de PLC of motion controller die als master werkt, is het waardevolste doel. Beperk engineeringtoegang, gebruik sterke wachtwoorden en patch de firmware.
4. Inventariseer de knooppunten - neem aandrijvingen, I/O en masters op in uw asset-inventaris; Wireshark herkent Sercos III-frames voor diagnose en controle.
5. Let op koppelingen naar boven - data voor SCADA, MES of de Cloud loopt bij voorkeur via OPC UA, waarvoor Sercos International samen met de OPC Foundation een companion-specificatie heeft gemaakt.

Machinebouwers die SERCOS III leveren, krijgen bovendien te maken met de Machineverordening en de Cyber Resilience Act, die eisen stellen aan cybersecurity van machines en producten met digitale elementen.

🚀 Wat is de toekomst van SERCOS III?

De specificatie wordt actief onderhouden: versie 1.3 verscheen in 2012, en vanaf versie 1.3.1 kunnen andere Industrial Ethernet-apparaten in communicatiefase 0 met een cyclus van 20 ms meedraaien. Een werkgroep van Sercos International onderzocht hoe Sercos samengaat met TSN. Op de beurs SPS IPC Drives 2016 draaide een demonstrator met een TSN-softmaster, Bosch Rexroth-aandrijvingen en Hirschmann-switches, waarbij bestaande SERCOS III-apparaten ongewijzigd meededen. Voor nieuwe apparaten zijn kant-en-klare implementaties beschikbaar als FPGA-ontwerp en op chips zoals Hilscher netX, TI Sitara AM335x en Renesas RZ/N1, plus een open source-softmaster.

❓ Veelgestelde vragen

Waar staat SERCOS voor?

SERCOS staat voor Serial Real-time Communication System. Het systeem ontstond in 1987 als digitale aandrijfinterface van de Duitse verenigingen VDW en ZVEI. SERCOS III is de derde generatie en de eerste die op Ethernet draait.

Wat is de snelste cyclustijd van SERCOS III?

SERCOS III ondersteunt cyclustijden vanaf 31,25 µs tot 65 ms, instelbaar door de gebruiker. De synchronisatie tussen knooppunten blijft daarbij onder 1 µs. De gekozen cyclus hangt af van het aantal assen en de gewenste dynamiek.

Heeft SERCOS III switches nodig?

SERCOS III heeft geen switches nodig in het realtime-segment, omdat elk apparaat twee poorten heeft en zelf frames doorgeeft. Apparaten worden in een lijn of ring met patchkabels verbonden. Voor toegang tot het UC-kanaal halverwege een lijn gebruikt u een speciale IP- of UC-switch.

Kan SERCOS III gewoon TCP/IP-verkeer transporteren?

SERCOS III transporteert TCP/IP-verkeer via het Unified Communication-kanaal, in de tijd die na de realtime-telegrammen overblijft. Zo zijn webinterfaces, parametrering en diagnose bereikbaar over dezelfde kabel. Het realtime-gedrag van de aandrijvingen wordt daar niet door verstoord.

Wat is het verschil tussen SERCOS III en EtherCAT?

SERCOS III en EtherCAT zijn allebei realtime Ethernet-protocollen voor motion control met cyclustijden in microseconden. EtherCAT haalt kortere minimale cycli (12,5 µs) en heeft een grotere leveranciersbasis. SERCOS III heeft ringredundantie standaard ingebouwd, terwijl EtherCAT daarvoor een extra poort op de master nodig heeft. Het SERCOS-aandrijfprofiel wordt ook binnen EtherCAT gebruikt als SoE.

Ondersteunt SERCOS III functionele veiligheid?

SERCOS III ondersteunt functionele veiligheid via CIP Safety on Sercos, gespecificeerd in 2008. Veiligheidsdata loopt over dezelfde kabel als de procesdata en is geschikt tot SIL 3 volgens IEC 61508. Een aparte veiligheidsbus is daardoor niet nodig.

📌 Samengevat

SERCOS III is het open realtime Ethernet-protocol van Sercos International voor nauwkeurige, gesynchroniseerde motion control, met cyclustijden vanaf 31,25 µs, jitter onder 1 µs en ringredundantie binnen 25 µs. Het combineert een sinds 1987 beproefd aandrijfprofiel met standaard Ethernet, CIP Safety tot SIL 3 en een UC-kanaal voor IP-verkeer. Omdat het protocol zelf geen beveiliging kent, hoort elk SERCOS III-netwerk in een eigen, gesegmenteerde machinezone.