Extrovertierte Automatisierungslösung

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1 Extrovertierte Automatisierungslösung Integrierter Dualport-Ethernet-Switch für die Automatisierungstechnik Der Einsatz der Ethernet-Vernetzungstechnik in der Feldebene der Automatisierungstechnik stellt hohe Anforderungen an die Echtzeit-Fähigkeit und hat ebenso hohe Auswirkungen auf die Kosten für die Schnittstellen-Implementierung. Ein Lösungsansatz ist ein Dualport-Ethernet-Switch, der in ein Automatisierungsgerät integriert ist und aus einem Kooperationsprojekt von Phoenix Contact und dem Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn hervorgegangen ist. Von Jürgen Jasperneite und Erik Vonnahme Eine wichtige Voraussetzung für die notwendige Echtzeitfähigkeit von Ethernet in der Automatisierungstechnik [1] ist der durchgängige Einsatz von Switching-Technologie [2]. Das alleine macht Ethernet zwar noch nicht echtzeitfähig, löst aber das Problem der durch das CSMA/CD-Arbitrierungsverfahren hervorgerufenen, nicht deterministischen Kanalzugriffe. Im IT-Umfeld wird für Datennetze die strukturierte, anwendungsneutrale Verkabelung nach EN [3], bzw. der ISO/IEC [4], bevorzugt. Dieses Konzept wurde in der IAONA auf die Automatisierungstechnik übertragen [5]. Feldbussysteme wurden ursprünglich zur Substitution der parallelen Verkabelung von Sensoren und Aktoren durch eine serielle, linienförmige Verkabelung entwickelt. Da die Topologie eine wichtige strukturelle Anforderung an die Feldkommunikation ist [6], wird im folgenden ein neues Konzept einer feldbus-konformen Verkabelung für Ethernet vorgestellt, welches sich ausschließlich an den geltenden Standards orientiert [7]. Mit feldbuskonform wird die strukturelle Forderung nach einer Linien-Topologie verbunden. Das führt zum Konzept eines Dualport -Switches, der integraler Bestandteil des Feldgerätes ist, um zusätzliche Kosten für ansonsten extern notwendige Infrastruktur zu minimieren. Der integrierte Switch hat mindestens zwei Ethernet-Ports, mit deren Hilfe nun die im Feldbusbereich verbreitete Linientopologie realisiert werden kann. Durch eine interne dritte Schnittstelle des Switches wird die Verbindung zum Endgerät realisiert (Bild 1), so dass der Dualport-Switch gleichzeitig die Netzwerkschnittstelle für das Endgerät bildet. Bild 1: Endgerät mit Prozess-Schnittstelle und integriertem Dualport-Ethernet-Switch In realen Anwendungen der Automatisierungstechnik ist davon auszugehen, dass eine Kombination aus schaltschrank-behafteter und schaltschrankloser Automatisierung gängige Praxis sein wird. Für den Einsatz im Schaltschrank existieren Lösungen in Form von industrietauglichen Mehrport-Switches [8]. Hier bringt die linienförmige Verkabelung auch keinen nennenswerten Vorteil. Geräte mit integriertem Switch werden besonders vorteilhaft dort eingesetzt, wo die linienförmige Verkabelung die natürlichste bzw. günstigste Form der Vernetzung darstellt. Das ist vor allem dann der Fall, wenn zwischen den einzelnen zu vernetzenden Automatisierungsgeräten

2 entsprechende räumliche Abstände bestehen, also ein hoher Grad an dezentraler Automatisierungstechnik vorliegt. Das ist z.b. in vielen fördertechnischen Anwendungen oder beim Einsatz dezentraler Peripherie in IP67-Schutzart der Fall. Bild 2: Anwendungsszenario: Mit Dualport-Switches lassen sich redundante Verbindungen aufbauen Neben einfachen Linien kann man mit den Dualport-Switches auch Ringe aufbauen, die dann gleich eine redundante Verbindung bilden (Bild 2). Wenn zusätzliche Anschlussmöglichkeiten in der Anlage nötig sind, können Mehrport-Switches in die Dualport-Switch-Kette eingefügt werden. Selbstverständlich kann ein Automatisierungsgerät, welches einen integrierten Dualport-Switch besitzt, auch in bisherigen Strukturen eingesetzt werden. Switching-Methoden Der Aufbau von langen Ketten aus Dualport-Switches bringt ein Problem mit sich: die Latenzzeit. Üblicherweise arbeiten Ethernet-Switches heutzutage nach der Store-and-Forward- Methode (Bild 3a). Dabei wird ein ankommendes Paket erst vollständig gespeichert und danach mit der Weiterleitung begonnen. Die Latenzzeit eines Switches bestimmt sich dann aus der Summe der Übertragungszeit des Paketes (bis zu 124µs bei 100Mbps Ethernet) und der internen Verarbeitungsszeit des Switches (typischerweise wenige Mikrosekunden). In entsprechend belasteten Segmenten sind zusätzlich die Wartezeiten in den Bediensystemen zu berücksichtigen. Der Einfluss dieser Topologieform auf die Transaktionszeiten in einem Automatisierungssystem ist in [9] untersucht worden. Es zeigt sich, dass die mittleren Transaktionszeiten einer Linientopologie in einer Kette mit 50 Switches, unter Anwendung der Store-and-Forward-Methode, nur um eine Größenordnung höher sind, als bei einem Vergleichsszenario mit Sterntopologie. Bild 3a: Store-and-Forward- Switching Bild 3b: Cut-Through- Switching Bild 3c: Dualport-Switches vereinen die Vorteile beider Verfahren Alternativ zur Store-and-Forward-Methode gibt es die mittlerweile kaum noch eingesetzte Cut- Through-Methode (Bild 3b). Bei dieser wird die Weiterleitung eines Paketes schon dann begonnen, wenn die Zieladresse bekannt ist, die gleich am Anfang eines Paketes übertragen wird. Die Latenzzeit von Cut-Through-Switches bestimmt sich daher im wesentlichen aus der internen Verarbeitungsszeit und beträgt wenige Mikrosekunden. Nachteil der Cut-Through-Methode ist, dass bei blockiertem Sendeport (z.b. wegen einer laufenden Übertragung) das empfangene Paket verworfen werden muss.

3 In dem Dualport-Switch ist nun eine Kombination aus Store-and-Forward-Methode und Cut- Through-Methode realisiert worden, die die Vorteile von beiden vereint (Bild 3c). Empfangene Pakete werden gleichzeitig gespeichert und schnellstmöglich weitergeleitet. Wenn eine verzögerte oder wiederholte Übertragung notwendig wird, kann auf das gespeicherte Paket zurückgegriffen werden, und das Paket wird nicht verworfen. Im Regelfall ist aber eine schnelle Weiterleitung von Paketen möglich. Ein weiterer Nachteil der Cut-Through-Methode ist, dass es nicht möglich ist, fehlerhafte Prüfsummen am Ende der Pakete festzustellen, so dass auch solche Pakete weitergeleitet werden. Erst ein Endgerät oder zwischengeschaltete Store-and-Forward-Switches können dieses bemerken und das Paket verwerfen. Wenn fehlerhafte Pakete unbedingt schon im Netzwerk eliminiert werden müssen, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, den Dualport-Switch auf die Store-and-Forward-Methode umzuschalten auch im Betrieb, z.b. bei steigender Fehlerrate. Idealerweise als Ein-Chip-Lösung Ethernet-Switches aus dem Bürobereich haben üblicherweise viele Ethernet-Ports und einen großen Paketspeicher, um interne Kollisionen abzufangen. Da der Dualport-Switch im wesentlichen Pakete von einem Port zu dem anderen Port durchleitet, und vergleichsweise selten vom Endgerät Pakete ins Netz gespeist werden, kann der Paketspeicher deutlich geringer ausfallen und gleich mit integriert werden, ebenso der Adressspeicher. Idealerweise besteht ein Endgerät bei maximaler Integration nur noch aus einem Schaltkreis (IC), der Endgerätefunktion, Paket- und Adressspeicher, sowie den Ethernet-Switch beinhaltet. Der Dualport-Switch arbeitet auf der Schicht 2 des ISO/OSI-Modells. Er beherrscht nur das reine Ethernet-Protokoll (IEEE 802.3) sowie SNAP und VLAN-Frames (802.1Q) [10,11]. Prioritätsinformationen aus dem VLAN-Header werden dabei für eine bevorzugte Weiterleitung herangezogen. Protokolle der höheren Schichten wie IP, UDP und TCP werden von dem Prozessor im Endgerät bearbeitet [12, 13]. Der Dualport-Switch unterstützt außerdem die Synchronisation verteilter Uhren, damit alle Endgeräte auf eine gemeinsame Zeitbasis zurückgreifen können. Die dafür notwendigen Protokolle werden wiederum vom Endgerät verarbeitet. Weiterhin liefert der Dualport-Switch dem Endgerät Informationen über Verbindungszustände, Kommunikationsstatistiken und interne kritische Zustände und Fehler, damit aufkommende Probleme (z.b. Überlastungen) rechtzeitig erkannt und vermieden werden können. Auf Ethernet-Seite beherrscht der Switch den 10/100Mbps Betrieb, Halb- oder Voll-Dulpex sowie den MAC Control Pause Mechanismus (MAC Media Access Controller), der es ermöglicht, vorgeschalteten Geräten einen drohenden Pufferüberlauf anzuzeigen und ihre Datenrate zu verringern.

4 Dual-Port-Ethernet-Switch mit Endgeräte-Integration Um dem Prozessor des integrierten Endgerätes die Kommunikation über den Dualport-Switch und den Zugriff auf Status- und Steuerregister zu ermöglichen, wird intern ein Bussystem eingesetzt. Dieses Bussystem vernetzt den Prozessor, die zwei Ethernet-Schnittstellenmodule und die Module für Adressspeicher und Uhrensynchronisation. Der Paketspeicher ist direkt in den Ethernet-Modulen enthalten. In Bild 4 ist die interne Struktur des Dualport-Ethernet-Switches mit Endgerät dargestellt. Bild 4: Der Dualport-Ethernet-Switch mit integriertem Endgerät setzt auf AMBA-AHB von ARM (Advanced Microcontroller Bus Architecture AMBA-High-Performance Bus) Als Bussystem wird ein Multi-Layer AMBA AHB von ARM Ltd. verwendet, der ein offenes, standardisiertes und im IP-Bereich verbreitetes Busprotokoll definiert [14]. Die Multi-Layer- Ausführung des AHB führt den Switching-Gedanken auch innerhalb des Ethernet-Switches fort, denn sie ermöglicht gleichzeitige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Modulen und somit eine hohe interne Datenrate. Der Adressspeicher hat die Aufgabe, Ethernet-MAC-Adressen und den zugehörigen Port zu speichern, damit Pakete, die vom Endgerät erzeugt werden, nicht in beide Richtungen verschickt werden müssen, sondern nur an dem Port abgehen, an dem auch das Ziel zu erreichen ist. Bild 5: Das Ethernet-Portmodul integriert u.a. einene Media Access Controller (MAC), Pufferspeicher sowie einen AMBA-Bus-Controller Ethernet-Portmodul Die Ethernet-Portmodule (Bild 5) sind in der Lage, sämtliche Schritte zur Durchleitung von Paketen völlig unabhängig vom Prozessorsystem durchzuführen. Der Prozessor wird dadurch nicht belastet. Der Media Access Controller (MAC) ist Teil des Portmoduls und kommuniziert mit der (externen) physikalischen Schicht (PHY) über das Media Independent Interface (MII). Der MAC empfängt Ethernet-Pakete und speichert die Daten im Paket-Puffer. Die Kontrolle über das Paket wird dann der Empfangssteuerung (RX) übergeben. Diese löst einen Adreß-Lookup im Adressspeicher aus und leitet die Paketinformationen weiter an das oder die Ziele (Multicast/Broadcast), also an das Prozessorsystem oder den anderen Ethernet-Port. Darüber hinaus wird der Paketpuffer verwaltet und überwacht, damit kein Speicherplatz verschwendet wird

5 oder Pakete die Verarbeitungseinheiten blockieren. Der AMBA Buscontroller führt selbständig mehrphasige Operationen wie Paketdatenübertragungen in Bursts über den internen Bus aus. Die Einheit zur Sendesteuerung (TX) sortiert nach Bedarf die eintreffenden Pakete nach ihrer Priorität (nicht im Cut-Through-Modus) und beliefert die Sendeseite des MAC mit den Paketdaten. Grundlage für die Priorisierung kann entweder die Prioritätsinformation im VLAN-Tag sein oder die Zeit, die das Paket im Netz ist. All diese Funktionen sind in großem Umfang konfigurierbar und können auch im Betrieb wechselnden Anforderungen angepasst werden. Prototyp im FPGA Der Dualport-Ethernet-Switches wurde in VHDL beschrieben und simuliert. Ein Design ohne Prozessorsystem und Uhrensynchronisationsmodul wurde auf ein FPGA der Fa. Xilinx (Virtex 1000) abgebildet. Die Auslastung des FPGAs beträgt 46% bei der Logik bzw. 94% beim RAM, die erforderliche Taktfrequenz von 25 MHz für den Fast-Ethernet-Betrieb wird erreicht. Die wichtigsten Designgrößen und die Ergebnisse einer frühzeitigen Abbildung auf einen ASIC sind in Tabelle 1 dargestellt. Die FPGA-Realisierung ist aufgrund der begrenzten Ressourcen mit weniger Speicher ausgestattet. Die Speichergröße ist im Design auf bis zu 4MB pro Port konfigurierbar. Die Werte in der Tabelle zeigen, dass es bei entsprechenden Stückzahlen möglich ist, eine preiswerte ASIC- Lösung für den Einsatz im Automatisierungsgerät zu realisieren. Bild 6: Dualport-Ethernet-Switch, realisiert mit dem Rapid-Prototyping-System Raptor2000 Die FPGA-Implementierung wurde auf dem Rapid Prototyping System Raptor2000 [15] in einem realen 100 Mbps PC-Netzwerk getestet (Bild 6). Die Latenzzeit im Cut-Through-Betrieb beträgt ca. 2µs. Zur Simulation unter Last wurde ein Video-Strom über den Switch übertragen und parallel dazu Sensordaten zu einem Aktor. Die Datenpakete hatten eine Größe von 64 Byte, die maximale Nutzdatenmenge beim reinen Ethernet-Protokoll ist dann 46 Byte, mit UDP wäre sie 24 Byte. In einem 10 Mbps Netzwerk wurde erfolgreich eine Paketrate von 100 Paketen/s und ein Video- Strom von 512 KBit/s übertragen. Diese Datenraten wurden durch den geringen Paketspeicher des FPGA-Prototyps begrenzt, da der MAC Control Pause Mechanismus der einen Pufferüberlauf verhindert nicht aktiviert war.

6 FPGA Virtex 1000 ASIC AMS 0,35µm CMOS Slices RAM Logik- RAM Fläche Transistoren Ethernet-Portmodul KB KB 7,5 mm 2 Adressspeicher KB KB 0,9 mm 2 Modul Multi-Layer AMBA ,8 mm 2 Kern Dualport-Switch gesamt KB KB 19,7 mm 2 Synthese-Ergebnisse für FPGA- und ASIC-Implementierung Bei der Sensordaten-Übertragung konnte erwartungsgemäß ein geringer Jitter nachgewiesen werden. Immer dann, wenn ein Paket den Switch durchläuft und gleichzeitig ein intern erzeugtes Paket verschickt werden soll, muss dieses warten, bis die laufende Paketübertragung beendet ist (max. 124 µs). Dieser Effekt kann sich im worst-case bei jedem zu traversierenden Switch wiederholen. Das aktuelle Design wird in Kürze einem Test zur Standard-Konformität unterzogen und weiterhin optimiert. Durch diesen Ansatz wird zudem eine Unabhängigkeit vom kurzen Lebenszyklus der Mainstream-Produkte geschaffen, um damit die in der Automatisierungstechnik notwendige Lieferfähigkeit bis zu zehn Jahren sicherzustellen. Weiterhin ist nun die Grundlage geschaffen, um automatisierungsspezifische Funktionen wie hardware-unterstützte Zeitstempelung von Datenpaketen oder aber hardwarenahe Echtzeit-Protokolle künftig realisieren zu können. Literatur [1] Wollert, J. F.: Ethernet in der Automatisierungstechnik. Elektronik 2000, H. 15, S. 68 und H. 21, S. 66 [2] Seifert, R.: The Switch Book. Wiley, 2000 [3] EN 50173:1995, Information technology Generic cabling systems, CENELEC, 1995 [4] ISO/IEC 11801:2000, Information technology Cabling systems for customer premises, ISO, 2000 [5] IAONA Draft, Industrial Ethernet Planning and Installation Guide Version 1.0 Magdeburg, November 2001 [6] VDI/VDE-Richtlinie 3687 (Entwurf): Auswahl von Feldbussystemen durch Bewertung ihrer Leistungseigenschaften für verschiedene Anwendungsbereiche, Beuth-Verlag, Berlin, Juni 1997 [7] ANSI/IEEE Std , IEEE Local and Metropolitan Area Networks: Overview and Architecture, IEEE inc., Piscataway, NJ, 1990 [8] FactoryLine: [9] Jasperneite, J; Neumann, P.: Switched Ethernet in Factory Automation In: Proceedings of the 8 th IEEE international Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA 01), pp , Antibes, France, Oct [10] ANSI/IEEE Std 802.1Q 1998, Virtual Bridged Local Area Networks, IEEE inc., Piscataway, NJ, 1998 [11] ANSI/IEEE Std Edition (ISO/IEC :2000(E)), Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications, IEEE inc., Piscataway, NJ, 2000 [12] Furrer, F. J.: Ethernet-TCP/IP für die Industrieautomation. Hüthig, 1998 [13] Scheitlin, J.: Das Industrial Ethernet und seine Anwendungsschichten. Elektronik 2001, H. 8, S. 48 und H. 9, S. 82 [14] ARM Limited: AMBA Specification (Rev. 2.0), [15] Raptor2000: