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23.01.2008

Echtzeit-Ethernet – hohe Geschwindigkeit mit Profinet

Die Leistungsfähigkeit von Ethernet nimmt ständig zu. Systeme mit Übertragungsraten von 1 Gbit/s oder 10 Gbit/s sind dabei, Marktanteile zu erobern...

Die Leistungsfähigkeit von Ethernet nimmt ständig zu. Systeme mit Übertragungsraten von 1 Gbit/s oder 10 Gbit/s sind dabei, Marktanteile zu erobern. Diese Technik wird auch Einzug in alle Bereiche der industriellen Netzwerktechnik halten. Welche Echtzeit-Ethernetstandards können die gesteigerte Übertragungsrate jedoch am besten für eine Leistungssteigerung nutzen? Das Institut für Industrial IT der FH Lippe und Höxter hat diese Fragestellung unter Annahme verschiedener Szenarien untersucht.

 

Feldbussysteme der ersten Generation, wie Profibus oder Interbus, sind heute technologisch ausgereift und befinden sich in der Marktdurchdringung. Es sind derzeit aber noch bei Weitem nicht alle potenziellen Anwendungen mit Feldbustechnik ausgerüstet, sodass von weiterem Wachstum in den nächsten Jahren ausgegangen werden kann.

Derzeit ist mit Industrial-Ethernet die zweite Generation der industriellen Kommunikation in aller Munde. Aufgrund einer hohen Bandbreite im Vergleich zu Feldbussystemen sowie weltweit verfügbaren günstigen Komponenten wurde Ethernet als schnelle Ablösung für Feldbussysteme gehandelt. Zu verlockend erschienen die Möglichkeiten, das in den Betrieben ohnehin vorhandene Ethernet bis an den Sensor zu bringen oder preiswerte Ethernet-Netzwerkkarten nutzen zu können.

Bei genauerem Hinsehen stellte sich aber heraus, dass die Anforderungen der Automatisierungstechnik nicht ohne Weiteres von den Konsumertechnologien erfüllt werden konnten. Trotz hoher möglicher Übertragungsraten bis zu 10 Gbit/s kann Standard-Ethernet nicht alle Echtzeitanforderungen der Fertigungstechnik erfüllen.

Dies hat zu Aktivitäten geführt, die bisher 22 verschiedene Echtzeit-Ethernet-Konzepte hervorgebracht haben. Diese wurden zum einen von den etablierten Feldbusorganisationen, wie der Profibus-Nutzerorganisation, dem Interbus-Club und der ODVA, erarbeitet. Zum anderen sind neue Technologien entstanden, wie Ethercat oder Powerlink. Dem Anwender bleibt nun die Entscheidung, welches System seine jetzigen und vor allem künftigen Anforderungen am besten erfüllt. Ist doch die Entscheidung für ein industrielles Kommunikationssystem in den meisten Fällen eine Festlegung für mehrere Jahre.

Drei Klassen für Echtzeit-Ethernet

Einteilung der Echtzeit-Ethernet-Systeme in drei Klassen

Einteilung der Echtzeit-Ethernet-Systeme in drei Klassen

Die zurzeit diskutierten Herstellerkonzepte für Echtzeit-Ethernet lassen sich in drei Klassen einteilen. Die Klassen unterscheiden sich im Hinblick auf die erreichbare Performance.

Systeme der Klasse 1 übernehmen Ethernet und die TCP/IP-Protokoll-Familie ohne jede Veränderung. Lediglich auf der Applikationsebene wird ein automatisierungsspezifisches Protokoll hinzugefügt. Zu dieser Klasse zählen unter anderem die Ansätze Modbus/IDA und Highspeed-Ethernet der Fieldbus Foundation.

Mit diesem Ansatz können Echtzeitanwendungen realisiert werden, die Latenzzeiten für die Prozessdatenübertragung im Bereich von 10 ms bis 100 ms erfordern.

In der Klasse 2 wird von der Priorisierung des Switched-Ethernet nach IEEE 802.1Q/D Gebrauch gemacht. Zusätzlich werden die signifikanten Laufzeitanteile der Endgeräte an der gesamten Latenzzeit durch Umgehung des TCP/IP-Stacks für die Echtzeitdaten optimiert. Es konnte gezeigt werden, dass mit diesem Ansatz in einer Linientopologie mit 50 Teilnehmern Worst-Case-Latenzzeiten von 10 ms für die hochprioren Daten garantiert werden können. Für eine optimale Performance sind in diesem Schritt anspruchsvolle Schicht-2-Software-Treiberkonzepte erforderlich, die die Eigenschaften des jeweils verwendeten Ethernet-Controllerchips berücksichtigen. In diese Klasse gehören zum Beispiel Profinet mit RT und Ethernet/IP.

In der Klasse 3 sind Echtzeiterweiterungen des Standard-Ethernet notwendig. Hierbei werden Zeitschlitzverfahren auf Basis individueller Frames benutzt, die, wie bei dem hubbasierten Powerlink, zentral durch ein Master-Slave-Verfahren oder, wie bei Profinet mit IRT, verteilt durch die Verwendung spezieller Switches realisiert werden. Beim Ethercat-System, das ebenfalls dieser Klasse zuzuordnen ist, wird ein Summenrahmenverfahren in Kombination mit einem Master-Slave-Prinzip sowie spezieller Slave-Protokollchips genutzt.

Mit den Ansätzen dieser Klasse wird das Problem gelöst, dass ein wichtiges Echtzeittelegramm auf seiner Reise durch das Netzwerk durch niederpriore Telegramme verzögert werden kann. Daher sind nur hier Latenzzeiten im Sub-Millisekundenbereich sowie ein Jitter im Sub-Mikrosekundenbereich erreichbar.

Verschiedene Ansätze für Echtzeit-Ethernet

Im Folgenden soll der Frage nachgegangen werden, welches Echtzeit-Ethernet-Verfahren bezüglich der Performance möglichst viele Anwendungsbereiche abdeckt und damit vom Anwender universell eingesetzt werden kann. Wie schon erwähnt, lassen sich in Bezug auf die Organisation der Frameübertragung in der Klasse 3 zwei Prinzipien bei den dort angesiedelten Echtzeit-Ethernet-Systemen ausmachen. Zum einen das Summenrahmenverfahren, bei dem mit einem Frame mehrere Teilnehmer gleichzeitig mit Daten versorgt werden, zum anderen der Ansatz der Datenzustellung mit individuellen Frames für jeden Teilnehmer. Prominenter Vertreter des Summenrahmenverfahrens ist Ethercat und der individuellen Frames Profinet. Daher konzentrieren sich die Leistungsbetrachtungen im Folgenden auf diese beiden Systeme.

Physikalische Laufzeit und Übertragungszeit

Die beiden wichtigsten Einflussfaktoren für Performancebetrachtungen sind die physikalische Laufzeit und die Übertragungszeit eines Frames. Während die Laufzeiten im Vergleich zu den Übertragungszeiten von Frames bei den heutigen Feldbussystemen vernachlässigbar sind, wird diese Zeitkomponente bei Ethernet aufgrund der hohen Bitrate schnell zu einem dominierenden Faktor. Die Laufzeit setzt sich aus der Zeit auf dem Medium und der Summe der Durchleitezeiten der aktiven Teilnehmer zusammen.

Die Analyse verschiedener realer Anlagen hat gezeigt, dass sich für eine optimale Verkabelung häufig Topologien in Form sogenannter Kammstrukturen, das heißt Hauptlinien mit mehreren Abzweigen, ausprägen. Weiterhin sind durch die Modularisierung von Anlagen häufig unterschiedliche Update-Zeiten der Teilnehmer zu berücksichtigen. Im Bereich der einfachen Sensor-Aktor-Vernetzung innerhalb einer Maschine ist hingegen oft eine reine Linienstruktur vorteilhaft, und die Feldgeräte werden mit der gleichen Update-Zeit angesprochen. Diese beiden Anwendungsfälle eines schnellen Echtzeit-Ethernet wurden mithilfe entsprechender Szenarien näher betrachtet.

Topologie mit Kammstruktur

Szenario 1: Verhältnis der Übertragungsgeschwindigkeiten bei einer komplexen Anlagenstruktur

Szenario 1: Verhältnis der Übertragungsgeschwindigkeiten bei einer komplexen Anlagenstruktur

Das Szenario für die Kammstruktur besteht aus acht Teilnehmern in der Hauptlinie und jeweils zehn Teilnehmern in den Abzweigen. Die Teilnehmer in den Abzweigen werden jeden achten Zyklus und die Teilnehmer in der Hauptlinie in jedem Zyklus bedient. Es zeigt sich, dass Profinet aufgrund des genutzten Prinzips der individuellen Frames die Anforderungen von komplexeren Anlagenstrukturen flexibel berücksichtigen kann. Da Ethercat immer alle Teilnehmer zweimal durchlaufen muss, wird die Laufzeit gegenüber dem einfachen zielgerichteten Durchlauf bei Profinet länger. Profinet ist in diesem Szenario sowohl bei kleinen als auch großen Datenmengen pro Teilnehmer im Vorteil. Die absolute Differenz der Zykluszeiten beider Systeme wächst hier quadratisch mit der Zahl der Teilnehmer.

Das Szenario der einfachen Sensor-Aktor-Vernetzung mit reiner Linienstruktur und 100 Mbit/s wurde mit 50 Teilnehmern betrachtet. Hier ist Profinet für größere Datenmengen im Vorteil. Bei kleinen Datenmengen, wie bei einfachen Sensoren und Aktoren üblicherweise der Fall, bietet Ethercat Vorteile.

Geschwindigkeitserhöhung für Profinet

Szenario 2: Verhältnis der Übertragungsgeschwindigkeiten bei einer Linienstruktur für einfache Sensor-Aktor-Vernetzung

Szenario 2: Verhältnis der Übertragungsgeschwindigkeiten bei einer Linienstruktur für einfache Sensor-Aktor-Vernetzung

Im Rahmen des BMBF-Projekts „Echtzeit-Ethernet für die Sensor-Aktor-Vernetzung“, welches am Institut Industrial IT der Fachhochschule Lippe und Höxter durchgeführt wird, wurde gemeinsam mit den Verbundpartnern nach Lösungen für kompatible Optimierungsansätze gesucht, um Profinet zu dem schnellsten Echtzeit-Ethernet-System zu machen, und zwar unabhängig von der jeweils genutzten Topologie. Hierbei ist es notwendig, dass beide Zeitkomponenten, Laufzeit und Frameübertragungszeit, verkleinert werden. Es werden derzeit Verfahren spezifiziert und getestet, mit denen man zum einen die Laufzeit durch Verringerung der Durchleitezeit der Teilnehmer positiv beeinflussen kann und gleichzeitig den Telegramm-Overhead reduziert.

Beide Maßnahmen entfalten unter Anwendung des sogenannten „Windschatteneffekts“ ihre optimale Wirkung. Hierbei kann die Zykluszeit dann minimiert werden, wenn die Frames zum physikalisch letzten Teilnehmer als Erstes und zum direkt benachbarten Teilnehmer als Letztes gesendet werden. Ist die Bedingung erfüllt, dass die Summe aus Durchleitezeit eines Teilnehmers und Verzögerung auf dem Medium kleiner ist als die Frameübertragungszeit, so stellt sich ein Windschatteneffekt ein. Die Ergebnisse dieses Projekts werden in Form eines Demonstrators zur Hannover Messe 2008 präsentiert.

Profinet profitiert in der Linienstruktur von einer Erhöhung der Bitrate auf 1 Gbit/s

Profinet profitiert in der Linienstruktur von einer Erhöhung der Bitrate auf 1 Gbit/s

Es wird allgemein erwartet, dass die Echtzeit-Ethernet-Systeme auch von der Weiterentwicklung des Standard-Ethernets profitieren. Würde man unter ansonsten gleichen Bedingungen, wie bei dem obigen Szenario der einfachen Sensor-Aktor-Vernetzung, die Bitrate auf 1 Gbit/s erhöhen, so wäre Profinet schon in seiner jetzigen Ausprägung auch für die einfache Sensor-Aktor-Vernetzung einem Ethercat-System überlegen.

Zusammenfassung

Die Vielzahl der am Markt diskutierten Echtzeit-Ethernet-Varianten lässt sich in drei Klassen bezüglich ihrer Performance einordnen. Für den Anwender ist es wichtig, ein System einzusetzen, welches nicht für eine spezielle Topologie und eine Bitrate optimiert ist, sondern möglichst vielseitig einsetzbar ist und von der Evolution des Standard-Ethernet profitiert.

Die Ergebnisse des BMBF-Projekts zeigen auf, dass Profinet zum schnellsten und universell einsetzbaren Echtzeit-Ethernet optimiert werden kann. Hinzu kommt, dass Profinet aufgrund seiner Nähe zum Standard-Ethernet von dessen Weiterentwicklung profitiert und damit dem Maschinen- und Anlagenbauer eine zukunftssichere und breit einsetzbare Kommunikationstechnologie bietet.

 

Prof. Dr. Jürgen Jasperneite

Prof. Dr. Jürgen Jasperneite leitet das Institut Industrial IT der Fachhochschule Lippe und Höxter in Lemgo.

 

Weitere Informationen unter:

www.profibus.com,

www.interbusclub.com,

www.odva.org,

www.fieldbus.org

www.bmbf.de sowie

www.init-owl.de.

 

Ein Interview mit M. Rostan zum Verbundprojekt sowie seine Stellungnahme zum darin gemachten Vergleich Profinet/Ethercat finden Sie hier.

 

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