Doch nicht jede zeitkritische Anwendung in der Fabrikautomatisierung muss gleich ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll nutzen. Oft reicht es aus, wenn Abläufe synchron ablaufen.

Doch nicht jede zeitkritische Anwendung in der Fabrikautomatisierung muss gleich ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll nutzen. Oft reicht es aus, wenn Abläufe synchron ablaufen.Moxa

Da die paketbasierte, netzwerkorientierte Ethernet-Technik nicht deterministisch kommunizieren kann, mussten in den verschiedenen Ethernet-Protokollen Echtzeit-Spezialisierungen auf Protokoll- und auch auf Hardware-Ebene eingeführt werden. Das ermöglicht sowohl ein Mindestmaß an Determinismus als auch eine obere Grenze für Übertragungsverzögerung. Das Ergebnis sind Echtzeit-Ethernet-Protokolle wie Ethercat, Powerlink oder Profinet IRT.

Ein anderes Beispiel für Echtzeit-Ethernet-Kommunikation sind Cut-Through Switches, die im Gegensatz zum Großteil der Switche die Datenpakete ohne Zwischenspeicherung (Store and Forward) an den richtigen Port weiterleiten. Diese Spezialisierung verringert zwar die Durchlaufzeit eines Pakets durch einen Switch, jedoch auch dessen Flexibilität, was Management-, Routing- und Paketpriorisierung angeht. Damit entfällt ein großer Vorteil, der viele Anwender dazu gebracht hat, von unterschiedlicher, dedizierten Infrastruktur, wie seriellen Feldbussen oder analogen Videoleitungen, auf ein gemeinsames Medium wie Ethernet umzusteigen.

Für die Synchronisierung kommt das Precision Time Protocol (PTP) in der Version 2 (IEEE 1588-2008) zum Einsatz.

Für die Synchronisierung kommt das Precision Time Protocol (PTP) in der Version 2 (IEEE 1588-2008) zum Einsatz.Moxa

Zeitgleich muss nicht Echtzeit heißen

Doch nicht jede zeitkritische Anwendung in der Fabrikautomatisierung muss gleich ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll nutzen. Oft reicht es aus, wenn Abläufe synchron ablaufen. Dies erfordert, dass an jeder Stelle eines zeitkritischen Teilprozesses eine genaue – sogenannte ganggenaue – Uhr installiert ist, die mit allen anderen Uhren des Gesamtprozesses synchronisiert ist. Ganggenaue Uhren lassen sich heute leicht realisieren. Für die Synchronisierung kommt das Precision Time Protocol (PTP) in der Version 2 (IEEE 1588-2008) zum Einsatz. PTP kann in der Hardware-Ausführung mit PTP v2 eine Genauigkeit im Bereich von Sub-Mikrosekunden und in der Software-Ausführung im Bereich weniger Mikrosekunden erreichen. Voraussetzung für die Hardware-basierte Version sind modifizierte PHY-Bausteine (Bausteine für das Physical Layer), die auf Layer 1 ein- und auslaufende Pakete mit dem Zeitstempel versehen.

Die Managed Ethernet Switches mit IEEE 1588v2 PTP sorgen für die präzise Zeitsynchronisation von Netzwerken mit Ring-Topologien, die eine Wiederherstellungszeit unter 20 ms bei 250 Switches im Netzwerk bieten.

Die Managed Ethernet Switches mit IEEE 1588v2 PTP sorgen für die präzise Zeitsynchronisation von Netzwerken mit Ring-Topologien, die eine Wiederherstellungszeit unter 20 ms bei 250 Switches im Netzwerk bieten. Moxa

PTP in der Antriebstechnik

Es werden heute zum Beispiel Motoren mit Uhren ausgestattet, die sich über PTP v2 synchronisieren. Damit lassen sich komplexe Antriebssysteme mit vielen Motoren realisieren ohne auf Echtzeit-Ethernet-Protokolle zurückgreifen zu müssen. Dabei handelt es sich aber nicht um Regelungs-, sondern um reine Steuerungssysteme. Für den eventuell notwendigen zeitkritischen Austausch von Alarmdaten muss nach wie vor ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll zum Einsatz kommen.

Ein Anwendungsfall: Ein Unternehmen aus der holzverarbeitenden Industrie benötigte für seine verschiedenen Produktionsstraßen synchronisierte Motoren. Gängige Echtzeitprotokolle wie Profinet IRT, Ethercat oder Powerlink können das zwar realisieren, aber das Unternehmen wollte die Protokolle nicht nutzen, da sie streng genommen proprietär sind. Das heißt, die Auswahl der Komponenten beschränkt sich auf das gleiche Protokoll. Deshalb setzt das Unternehmen Motoren ein, die Realtime-Ethernet auf Basis von IEEE 1588 V2 unterstützen. In Kombination mit PTP-fähigen Switches von Moxa lassen sich innerhalb des Netzwerks bei einer praktisch uneingeschränkten Anzahl von Netzwerkknoten Synchronisierungszeiten von weniger als 1 µs erzielen.

Technik im Detail

Switches mit PTP

Moxas Managed Ethernet Switches der Serie EDS-405A-PTP mit IEEE 1588v2 PTP (Precision Time Protocol – Hardware-Unterstützung für Zeitstempel) sorgen für die präzise Zeitsynchronisation von Netzwerken mit Moxas Ring-Topologien, die eine Wiederherstellungszeit unter 20 ms bei 250 Switches im Netzwerk bieten. Darüber hinaus bieten die Switches auch IEEE 1588 Boundary Clock und Transparent Clock. So lässt sich eine Zeitpräzision von unter 1 μs erreichen.

Die Switches wurden speziell für Echtzeit-Steuerungsanwendungen entwickelt und unterstützen Modbus TCP, Profinet RT und Ethernet/IP für die einfache Geräteverwaltung und -überwachung sowie eine verbesserte Scada-Integration. Die Unterstützung der Netzwerkprotokolle Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) und Spanning Tree Protocol (STP) sorgt für Netzwerkredundanz. Die Switches bieten außerdem ein Command Line Interface (CLI, Kommandozeile) für die schnelle Konfiguration der wichtigsten Managed-Funktionen sowie DHCP Option 82 für die Vergabe von IP-Adressen abhängig vom Port, an den das Endgerät angeschlossen ist. Dies erhöht die Übersichtlichkeit im Netzwerk. Zusätzlich dazu verfügen die Switches über IGMP Snooping und GMRP für das Filtern von Multicast-Traffic und QoS (IEEE 802.1p und TOS/DiffServ) für gesteigerten Determinismus.