Ethernet Powerlink

Live Communication

Automatisierung und Ethernet, zwei Begriffe die seit längerem sehr intensiv in Fachkreisen diskutiert werden. Lassen sich Echtzeitanforderungen mit Ethernet wirklich lösen und was steckt eigentlich hinter dieser Problematik?

Zweifellos gewinnt Ethernet für die Automatisierungswelt immer mehr an Bedeutung.Primär, weil sich Ethernet als der de facto Standard in der gesamten Office-Welt präsentiert. Basierend auf dem Standardprotokoll TCP/IP hat es seit 1973 den Siegeszug über den gesamten Globus angetreten. Ein weiterer, wichtiger Grund ist die optimale Integration von TCP/IP in die Office- und Internet-Welt. Hiermit werden Systemlösungen denkbar, die sehr leicht weltweit vernetzbar und optimal erreichbar sind.
Bei aller Euphorie über die Möglichkeiten, treten leicht die Probleme die solche Systeme mit sich bringen in den Hintergrund. Ethernet, TCP/IP, aber auch UDP/IP, sind von Grund auf nicht deterministisch und damit nicht echtzeitfähig. Dies würde nämlich voraussetzen, dass Daten in exakt berechenbaren Zeiträumen sicher übertragen werden. In diesem Kontext stellt das Zugriffsverfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) ein grundlegendes Problem von Ethernet dar. Dadurch, dass Stationen am Netz bei nicht belegtem Netzwerk jederzeit senden können, kann es zu Kollisionen kommen. Das passiert immer dann, wenn mehrere Stationen zur gleichen Zeit auf das vermeintlich freie Netz Daten schicken. Ethernet löst diesen Konflikt mit dem zugrunde liegenden Zugriffsverfahren zwar problemlos auf, allerdings kommt es dadurch zu unkalkulierbaren Verzögerungszeiten bei der Datenübertragung.
Grundlegende Lösungsansätze
Bei wenig Datenverkehr im Netz ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision sehr gering. Sie steigt aber exponentiell mit der Zunahme des Datenverkehrs an. Bei einer Netzauslastung <=10 Prozent gehen manche An- sätze davon aus, dass Kollisionen quasi vermieden werden. Das Problem besteht darin, dass auf der einen Seite Kollisionen doch noch auftreten können, wenn auch wahrscheinlich nur in sehr geringem Umfang und andererseits die genutzte Bandbreite von Fast Ethernet nur noch sehr schmal ist.
Einen ganz anderen Ansatz verfolgt die Segmentierung, d. h. Auftrennung von Netzwerken mittels Switches. Hiermit können Kollisionen vollständig vermieden werden. Jeder Netzwerkteilnehmer hängt mit einem Switch am Netz, dadurch bestehen ausschließlich Quasi-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, sogenannte Collision Domains. Hier ist neben der Kostenfrage entscheidend, dass Switches intelligent sind, die eingehenden Datenpakete analysieren und nur gezielt wieder versenden. Damit ergibt sich eine wesentlich größere Latenzzeit als bei reinen Hubs, die außerdem Schwankungen unterworfen ist und das bedeutet in jedem Fall Jitter.
Der erste Lösungsansatz stellt sicher kein geeignetes Mittel dar, um damit Automatisierungsanforderungen gerecht zu werden. Die zweite Lösungsmöglichkeit bietet hier schon wesentlich mehr Substanz. Nachteilig wirkt sich der relativ hohe Aufwand und der dennoch verbleibende, nicht zu unterschätzende Jitter aus. Ein grundsätzliches Handicap haben aber weiterhin beide Lösungen: Die Abarbeitungszeit des TCP/IP-Stacks bzw. in den meisten Fällen des UDP/IP-Protokolls. Geht es um schnelle Vorgänge, die über das Netzwerk laufen müssen, z. B. Kopplung von Antrieben für normale Achsverbunde bis hin zu elektronischen Königswellen oder synchronisierten Kurvenscheiben, kommt man sehr schnell in Bereiche von Netzwerkzykluszeiten, bei denen die Stackabarbeitungszeit des Protokolls eine erhebliche Rolle spielt. Messungen mit einem 166 MHz Pentium ergaben für den zweifachen Stackdurchlauf (Daten vom Netz zur Anwendungsschicht und zurück auf das Netz) eines UDP/IP-Stacks ca. 400 µs reine Stacklaufzeit.
Wie die Vergangenheit zeigt, geht die Entwicklung von Applikationen in Richtung immer schnellerer und exakt synchroner Abläufe. Diesen Anforderungen muss letztendlich der gesamte Automatisierungsverbund Rechnung tragen, d. h. die Forderungen nach einem sehr schnellen, zyklischen und vor allem weitestgehend jitterfreien Netzwerk müssen mit einer adäquaten Lösung erfüllt werden. Dabei hat das Netzwerk gleichzeitig als Basis für Programmierung, Diagnose und transparente Kommunikation zu dienen. Ebenso spielt die Synchronisierung der I/O- und Antriebsdaten zueinander und zu den Steuerungssystemen eine wesentliche Rolle für die Qualität des Automatisierungsverbundes.
Ethernet Powerlink …
… basiert vollständig auf Fast Ethernet mit 100 Mbps Datenübertragungsrate. Einfach ausgedrückt wurde nur TCP/IP durch einen industrietauglichen Stack ersetzt, der den Datenverkehr auf dem Netzwerk vollständig regelt. Dieses Verfahren nennt sich Slot Communication Network Management. Hier wird der Vorteil der sehr hohen Übertragungsgeschwindigkeit, verbunden mit einer optimalen Netzauslastung bei gleichzeitig minimalem Jitter, konsequent genutzt. Jede Station am Netz hat ein zeitlich streng begrenztes Kommunikationsrecht und kann Daten an jede beliebige andere Station im Netzwerk senden. Dadurch ist sichergestellt, dass nur genau ein Netzwerkteilnehmer sendet. Es gibt keine Kollisionen und somit ist diese maximale Netzauslastung problemlos möglich. Mit diesem Verfahren sind Netzwerkzyk-luszeiten für einen kompletten Automatisierungsverbund von 400 µs möglich und das nicht nur theoretisch, sondern absolut nutzbar im praktischem Einsatz. Die hervorragende Qualität des Netzwerkes wird mit dem maximalen Netzwerkjitter von <=1µs deutlich.
Da Ethernet Powerlink komplett auf Standard-Fast Ethernet aufsetzt, entspricht auch die Topologie und die Physik exakt dem Standard. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist 100 Mbps, dabei kommt Twisted Pair Standard-Verkabelung (Kat. 5 Patch-Kabel) mit RJ45-Steckern zum Einsatz. Die Segmentlänge beträgt 100 m, es sind Stern- und Baumstrukturen möglich. Als Verbindungsgeräte sind nur Hubs zulässig, aufgrund der Echtzeitanforderungen sind Switches nicht erlaubt.
Zum Vergleich, wie das Ethernet Powerlink-Protokoll und die Schichten darunter und darüber einzuordnen sind, dient das OSI-Schichtenmodell. Es zeigt, dass die Ethernet-Schicht mit dem Zugriffsverfahren CSMA/CD und der Media Access Control (MAC) als Basis verwendet wird. Die darüber liegenden Schichten IP mit TCP oder UDP werden durch das Powerlink-Protokoll ersetzt. Ebenso wie die übergreifende Middleware B&R Automation Net auf TCP/IP bzw. UDP/IP aufsetzt, kann es auch mit Ethernet Powerlink arbeiten. Daneben gibt es natürlich den schnellen zyklischen Datenverkehr mit der Applikation.
Der Netztakt läuft synchron mit den Steuerungssystemen im Netzwerk, ebenso wie mit den I/O-Knoten, den Antrieben und der Visualisierung. Zusätzlich zum zyklischen Datenaustausch bietet das Protokoll die Möglichkeit des azyklischen Datenverkehrs, ohne Beeinflussung des zyklischen Verhaltens. Dieser azyklische Datenverkehr wird mit B&R Automation Net genutzt. Dieses übergeordnete Protokoll ist die Basis für Programmierung, Diagnose oder transparenten Datenverkehr. Damit ist es außerdem möglich, über verschiedene Netzwerke hinweg zu routen. Für den Anwender müssen die verschiedenen Netzwerkwelten nicht mehr beachtet werden. Er bewegt sich mit B&R Automation Net auf einer durchgehenden Plattform, unabhängig ob es sich hier um Ethernet Powerlink, ein Ethernet TCP/IP basierendes Netzwerk oder sogar CAN handelt. Damit ist die berechtigte Forderung nach einem durchgängigen Netzwerk auf Middleware-Ebene hervorragend gelöst, ohne dass die Anforderungen an sehr harte Echtzeit tangiert werden. Auf dieser Ebene stellt auch eine Anbindung an das Internet kein Problem mehr dar. o

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