Der Trick mit dem Switch

Datennetze Der Trick mit dem Switch

27.09.2006Redakteur: Reinhard Kluger

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Bei hochperformanten Anwendungen stößt Standard-Ethernet rasch an seine Grenzen. Für isochrones Realtime-Ethernet synchronisiert man deshalb die Switches und andere Teilnehmer zyklisch mit einer Genauigkeit im Submikrosekundenbereich. Nach der Synchronisation lässt sich der Kommunikationszyklus dann in einen Zeitabschnitt für die deterministische taktsynchrone Kommunikation und in einen Kanal für die offene Kommunikation aufspalten.Günter Baumann* Es ist „forever young“: Obwohl seit 20 Jahren im industriellen Einsatz, Ethernet ist zum Vernetzen der Automatisierungswelt heute aktueller denn je. Durchgängige Kommunikation, hohe Übertragungsraten und die Nutzung von IT-Standards für Service und Diagnose sind Motivation für diesen Innovationsschub. Im Zentrum des Interesses: neben neuen Protokollen ganz besonders die Echtzeitfähigkeit. Denn Industrial Ethernet muss im Spagat die Funktionen der etablierten Feldbussysteme bewältigen und gleichzeitig kompatibel und offen zu den IT-Standards bleiben.So beweist das von der Siemens AG eingeführte Industrial Ethernet schon lange seine Leistungsfähigkeit beim Austausch großer Datenmengen in der Fertigungsleitebene und in der Produktionsebene (z.B. bei der Vernetzung von Steuerungen mit HMI-Systemen). Und moderne Automatisierungsstandards wie Profinet nutzen Ethernet auch für die Kommunikation zwischen einzelnen Funktionsmodulen einer Maschine oder Anlage. Um jedoch die in der Einleitung beschriebenen Vorteile von Ethernet in vollem Umfang nutzen zu können, muss auch die sog. Produktivkommunikation über dieses Bussystem laufen. Aber gerade hier hat Standard-Ethernet seine Schwachstellen. Denn das CSMA/CD-Verfahren, dies soll Kollisionen vermeiden helfen, auf dem die Ethernet-Kommunikation basiert, ermöglicht keinen deterministischen Datenaustausch und verursacht bei hoher Netzlast eine starke zeitliche Streuung beim zyklischen Datenaustausch. Bei Profinet wird dies durch ein abgestuftes und sich ergänzendes Kommunikationskonzept gelöst, das zum einen die bestehende Welt der Feldbussysteme über Stellvertreter, die Proxys, mit einbindet und zum anderen vollkompatibel zur bestehenden Ethernet-Welt bleibt. Dabei werden je nach Bedarf drei aufwands- und leistungsmäßig abgestufte Kommunikationsvarianten genutzt. Diese ergänzen sich und können parallel auf demselben Netzwerk, ja sogar auf demselben Gerät, laufen.Zeitlich relativ unkritisch ist die Kommunikation bei der verteilten Automatisierung. Die zu den technologischen Modulen zusammengefasste Mechanik, Elektrik und Software von Anlagenkomponenten werden mittels eines Engineering-Tools herstellerneutral und Zeit sparend miteinander verschaltet. Dabei kann der Automatisierer die einzelnen Kommunikationsverbindungen durch das Engineering-Tool festlegen und automatisch programmieren. Die Kommunikation zwischen den Komponenten erfolgt dann über Standard-Ethernet-Mechanismen und dem Internet-Protokoll TCP/IP.Als schnelle Lösung für zeitkritische Kommunikation zu beispielsweise dezentralen Peripheriegeräten bietet Profinet zusätzlich einen optimierten Kommunikationskanal auf Softwarebasis an. Diese optimierte Realtime-(RT-)Kommunikation wird beim Start der Anlage über einen Standard-TCP/IP-Datenverkehr zwischen den einzelnen Geräten vereinbart. Der Softwarestack für die zeitkritischen Telegramme ist auf minimale Durchlaufzeiten optimiert und versieht die Telegrammköpfe mit standardisierten Priorisierungskennungen für die Switches. So werden diese zeitkritischen Telegramme auch von den Netzkomponenten schnellstmöglich weitergeleitet. Die damit erreichbare Performance des Bussystems ist vergleichbar mit der von üblichen Feldbussystemen und ermöglicht Reaktionszeiten im Bereich von 5 bis 10 ms.Hochperformante Anwendungen, die deterministisches Zeitverhalten benötigen, wie z.B. im Motion-Control-Bereich, können nicht mit Standard-Ethernet-Komponenten realisiert werden, sondern benötigen spezielle Hardwareunterstützung. Der Benchmark für Antriebsregelungen im Maschinenbau ist mit 1 µs Jitter-Genauigkeit, 1 ms Zykluszeit und garantiertem Determinismus wesentlich härter als mit Softwarelösungen heute realisierbar ist. Durch ein einfaches Verfahren bietet die isochrone Realtime-Kommunikation von Profinet neben dem präzisen Zeitverhalten auch die Nutzung verschiedener Dienste parallel auf dem gleichen Netzwerk. Basis dafür ist die Nutzung der Switching-Technologie: Für isochrones Realtime Ethernet werden die Switches und andere Teilnehmer für die isochrone Realtime-Kommunikation zyklisch mit einer Genauigkeit im Submikrosekundenbereich synchronisiert. Nach der Synchronisation der Switches lässt sich der Kommunikationszyklus in einen Zeitabschnitt (Kanal) für die deterministische taktsynchrone Kommunikation und einen Zeitabschnitt für die offene Kommunikation aufspalten. Im deterministischen Kanal werden nur die zyklischen isochronen Realtime-Telegramme in zeitlich festgelegter Reihenfolge befördert, während sich die TCP/IP-Telegramme im offenen Kanal bewegen. Wie bei jedem Standard-Switch werden sie bei Bedarf zwischengespeichert und weitergeleitet, wenn der betreffende Port frei ist. Das Verfahren ist vergleichbar mit dem Bahnverkehr, bei dem Eilzüge (IRT-Telegramme) fahrplanmäßig sofort und ohne Stopp durch einen Bahnhof geleitet werden, regelmäßig verkehrende Personenzüge (RT-Telegramme) bevorzugt weitergeleitet werden und unregelmäßig verkehrende Güterzüge (TCP/IP-Telegramme) eventuell auf einem Wartegleis warten müssen. Dieser Vergleich kann sogar noch weiter gezogen werden. In einem normalen Switch muss bei jedem Telegramm zumindest die Zieladresse im Kopf gelesen werden. Erst nach deren Auswertung kann das Telegramm an den richtigen Port durchgeschaltet werden. Switch Tuning verbessert den DatendurchsatzWeil die IRT-Telegramme aber bei der Projektierung in ihrer zeitlichen Reihenfolge festgelegt wurden, kennt jeder Switch den „Fahrplan“ und kann wie bei der Bahn die Weichen für die hoch prioren Telegramme bereits im Voraus stellen. Dadurch werden die Realtime-Daten fast ohne Verzögerung durch die im Netz befindlichen Switches durchgeleitet. Dieses Switch-Tuning ermöglicht bei 100 MBit/s und Vollduplex-Betrieb Datendurchsätze, die mit bisheriger Technik nicht zu realisieren waren. Bei einer Zykluszeit von 1 ms wird die Regelung von mehr als 100 verketteten Achsen mit einer Jitter-Genauigkeit kleiner 1 µs möglich, natürlich mit parallelem, uneingeschränkten TCP/IP-Verkehr. Und auch die Stabilität der IRT-Kommunikation ist durch die Aufsplittung in zeitlich getrennte Kanäle erhöht: Ein Datenstau durch eine Überlast an Telegrammen ] sei es durch ein fehlerhaftes Gerät, durch einen Denial-of-Service-Angriff oder einfach durch zeitweilig erhöhtes Datenaufkommen ] kann zwar den Standardkanal mit dem TCP/IP-Datenverkehr und den RT-Telegrammen blockieren, nicht aber die IRT-Kommunikation. Ein Aspekt, der gerade im Hinblick auf die Anlagensicherheit wichtig ist. Industrial Ethernet hat mit diesem Echtzeitverhalten beste Voraussetzungen geschaffen, um weiter in den Feldbereich vorzudringen. Eine Studie der ARC Advisory Group sagt für Industrial-Ethernet 80% jährliches Wachstum voraus. Das ist ein Beweis für das Vertrauen der Anwender in Industrial Ethernet ] und: gute Aussichten für die Hersteller.Dipl.-Ing. Günter Baumann ist verantwortlich für die Öffentlichkeitsarbeit im Geschäftszweig Industrielle Kommunikation Simatic NET.

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