Inhaltsverzeichnis Feldbussysteme

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1 Inhaltsverzeichnis Feldbussysteme 1. Einführung 2. Mechatronische Aspekte von Feldbussystemen 3. ISO-OSI 7-Schichten-Modell 4. Klassische Sensor-/Aktor-bussysteme 5. Kommunikationssysteme in den Automobil 6. Feldbusse auf Ethernet-Basis 7. Engineering und Betrieb von Feldbussystemen 8. Experimentalle Übungen 1

2 Inhalt Kapitel 6 Feldbusse auf Ethernet-Basis 1. Ethernet im Überblick 2. Echtzeitanforderungen 3. Switched Ethernet 4. Synchronisationsprotokoll IEEE 1588 (PTP) 5. PROFINET 6. Ethernet Powerlink 7. EtherCAT 2

3 Ethernet-ISO/OSI-Modell OSI-Schicht Einordnung Einordnung Protokollbeispiel Einheiten Kopplungselemente Anwendungen (Application) HTTP FTP Darstellung Anwendungsorientiert Gateway, Content- HTTPS Daten (Presentation) SMTP Sitzung Ende zu Switch, Layer-4-7- (Session) Ende Switch Transport (Transport) TCP UDP Segmente Vermittlung (Network) Sicherungsschicht (Data Link) Bitübertragung (Physical) Transportorientiert Punkt zu Punkt ICMP IP Ethernet Pakete Rahmen (Frames) Bits Router, Layer-3- Switch Bridge, Switch Repeater, Hub Ethernet-Frame Ethernet - Header Nutzdaten: IP-Packet IP - Nutzdaten: TCP-Packet Header TCP - Header Nutzdaten 3

4 Ethernet in Automation Vor 10 Jahren: Ethernet ist für das industrielle Umfeld nicht geeignet, weil nicht deterministisch nicht echtzeitfähig große Latenz- und Verzögerungszeiten unbrauchbares Jitterverhalten (Schwankungen in der Verarbeitungszeit) keine industrietauglichen Komponenten (Schutzart, EMV, Temperatur, ) Vorteile heute: Bewährte Technologie Hohe Übertragungs-Bandbreite (in Zukunft > 100 GB/s) Entkopplung des Protokolls vom Übertragungsmedium (Kupfer, LWL) Günstige Preise für Ethernet-Komponenten Sehr viele Entwicklungs- und Diagnosewerkzeuge und fachkundige Entwickler Nachteile heute: TCP/IP: garantierte Übertragung, d.h. verlorene Pakete werden wiederholt. Automation braucht den aktuellen Zustand, den dafür rasch. Wiederholungen sind oft sinnlos. Ethernet ist nur ein Transportmittel. Was eine Meldung bedeutet ist nicht definiert. Hohe Übertragungs-Bandbreite: Schnell senden ist nicht zwingend gleichzusetzen mit schnell reagieren. 4

5 Unterschiedliche Anforderungen Bürobereich Feste Grundinstallation im Gebäude Vorkonfektionierte Geräteanschlusskabel Sternförmige Netzstruktur Große Datenpakete Übertragungszeit im Sek.-Bereich Überwiegend azyklischer Transfer Keine Echtzeitfähigkeit erforderlich Niedrige Gerätedichte (Switches mit wenigen Ports) Klimatisierte Büros Geringe EMV-Belastung Netzwartung durch ausgebildetes Fachpersonal Fertigungs- und Feldbereich Anlagenabhängige Verkabelung Feldkonfektionierbare Geräteanschlüsse Linienförmige Netzstruktur Kleine Datenpakete Übertragungszeit im μs-bereich Hoher Anteil zyklischer Übertragung Echtzeitfähigkeit erforderlich Hohe Gerätedichte (Switches mit vielen Ports) Extreme Temperaturen, Staubbelastung, Feuchtigkeit, Vibrationen, aggressive Atmosphären, UV-Strahlung Hohe EMV-Belastung Netzwartung Bestandteil der Anlagenüberwachung 5

6 Inhalt Kapitel 6 Feldbusse auf Ethernet-Basis 1. Ethernet im Überblick 2. Echtzeitanforderungen 3. Switched Ethernet 4. Synchronisationsprotokoll IEEE 1588 (PTP) 5. PROFInet 6. Ethernet Powerlink 7. EtherCAT 7

7 Echtzeitfähigkeit Definitionen (1) Kann ein System unter allen Betriebsbedingungen richtig und rechtzeitig auf alle auftretenden Ereignisse reagieren, so ist es echtzeitfähig. Echtzeitfähigkeit ist nicht gleich Geschwindigkeit. Ein Echtzeitsystem erfüllt die Anforderung der Rechtzeitigkeit (zeitliche Vorhersagbarkeit) Gleichzeitigkeit (mehrere gleichzeitig ablaufende Vorgänge) Vorhersehbarkeit (planbar und deterministisch) Verlässlichkeit (Zuverlässigkeit und Sicherheit) Verfügbarkeit (unterbrechungsfrei betriebsbereit) Weiche Echtzeitsysteme: Zeitbedingungen sind Richtlinien, die gelegentlich bzw. leicht überschritten werden dürfen (z.b. bei Multimedia) Feste Echtzeitsysteme: Ergebnisse werden nutzlos, es entsteht aber kein Schaden, z.b.: Positionsmessungen bewegter Objekte Harte Echtzeitsysteme: Es entsteht ein (größerer) Schaden, z.b.: - Anhalten eines autonomen Fahrzeugs vor Hindernis - ABS-System - Not-Aus Betätigung vor einer Presse 8

8 Definitionen (2) Rechtzeitigkeit Für die Zeit zwischen zwei Ereignissen darf eine bestimmte Maximalzeit, die Deadline, nicht überschritten werden, dies ist die Forderung nach der rechtzeitigen Ausführung einer Aktion. Gleichzeitigkeit (Synchronität) Koordinierte Aktionen sind zu genau einem bestimmten, vorgegebenen Zeitpunkt bzw. Zeitraster durchzuführen. 9

9 Jitter Definitionen (3) Die Forderung nach Synchronität bedeutet, dass der Nutzen der Ausführung der Aktion nur innerhalb eines schmalen Zeitfensters um einen vorgegebenen Ausführungszeitpunkt gegeben ist. Das Zeitfenster wird durch den zulässigen Jitter (Schwankungsbereich) um die Deadline herum festgelegt. 10

10 Klassifizierung der Echtzeitanforderungen an die Netzwerktechnik in der Automatisierungstechnik Drei Dienstgüte-Klassen (engl.: Quality-of-Service, QoS) QoS-Klasse Anwendung QoS-Anforderung Latenzzeit Jitter Steuerung-zu-Steuerung, Visualisierung Steuerung-zu-dezentraler- Peripherie Synchronisierte Bewegungsabläufe ms./ ms > 1 ms < 1 ms < 1 μs 11

11 Die drei QoS-Klassen von Echtzeit-Ethernet Klasse 1 übernimmt Ethernet und TCP/IP-Protokoll-Familie ohne Veränderung. Lediglich auf der Applikationsebene wird ein automatisierungsspezifisches Protokoll hinzugefügt. QoS Klasse 1 z.b. EtherNet/IP QoS Klasse 2 z.b. PROFINET IO QoS Klasse 3 z.b. PROFINET IRT, Powerlink, EtherCAT In Klasse 2: Priorisierung des Switched Ethernet nach IEEE 802.1Q/D. Zusätzliche Optimierung der Laufzeitanteile der Endgeräte an der gesamten Laufzeit durch Umgehung des TCP/IP-Stacks für die Echtzeitdaten um bis zu einer Größenordnung. Klasse 3 greift direkt in das Scheduling von Switched Ethernet ein (Zeitschlitzverfahren). Quelle : J. Jasperneite "Echtzeit-Ethernet im Überblick" 12

12 Beispiel: Update-Zeit und Jitter-Rate von Profinet-Varianten 13

14 Switch (Wiederholung 1) Grundprinzip: Parallele Vermittlung mehrerer Eingangsports an mehrere Ausgangsports Funktionsprinzip eines Switches mit Beispiel Die pure Verwendung von Switches in Rechnernetzen garantiert noch keine Echtzeit. Die Switches senken nur das Kommunikationsaufkommen in den einzelnen Subnetzen und vermeiden Kollisionen. Bild : Ethernet-TCP/IP; Spath; Landwehr; Gönnheimer (Universität Karlsruhe) 15

15 Switch (Wiederholung 2) Ein Switch ist eine intelligente Verteilerstation: Er teilt ein Netzwerk in Segmente (Teilnetze) zum Zweck der Lasttrennung. Das heißt, dass die Daten eines Netzsegments nicht in andere Segmente gelangen und so nicht das Gesamtnetz belasten. Über Ports sind einzelne Netzsegmente physikalisch an einen Switch angeschaltet. Bei der Übertragung leitet dieser alle ankommenden Daten nur an die Ports weiter, an denen die jeweilige Zieladresse angeschlossen ist. Der Switch schaltet also einen separaten, kollisionsfreien Kanal mit der vollen Ethernet- Bandbreite zwischen Empfangs- und Ausgangsport. Diese Funktion arbeitet im Vollduplex-Modus, d.h. gleichzeitig in beide Richtungen: die zur Verfügung stehende Bandbreite verdoppelt sich. 16

16 Kaskadieren von Switches SW1 SW2 SW3 SW4 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s M S7 S8 S1 S8 S15 S16 S23 S24 S31 Vorteile Mehr Ports Überbrückung von größeren Entfernungen Quelle: Hirschmann M=Master; S= Slave; SW= Switch 1 Master ; 31 Slaves; 4 100Mbit/s-Switches Nachteil Verzögerung Switch-Verweilzeiten bei 100 MBit/s Übertragung: Store & Forward ca. 122 µs Cut-Through ca. 10 µs 17

17 Vergleich der Switch-Betriebsarten Eigenschaft Store-and-Forward Cut-Through Fragment-Free Input-Speicherung für Switch-Entscheid Minimale Verzögerung durch Switch Jitter in der Verzögerung Fehlererkennung und Weitergabe von fehlerhaften Paketen Unterschiedliche Datenraten in Input- und Output-Port (z. B. Konversion 10/100/1000 Mbit/s) Ganzes Paket (alle Bytes) Anzahl Bit im Paket mal tiefere Datenrate (Inputoder Output-Datenrate) Proportional zu Paketlänge Ein Store-and-Forward Switch prüft das ganze Paket und erkennt die gleichen Fehler, die der Empfänger erkennen würde. Fehlerhafte Pakete werden nicht weitergeleitet Nur so viele Bytes, wie für die Switch-Entscheidung notwendig sind Anzahl Bit für Entscheidung mal Datenrate Konstant Keine Fehlererkennung. Alle Fehlerhaften Pakete werden weitergeleitet 64 Bytes 512 Bit mal Datenrate Konstant (64 Bytes) Erkennt und unterdrückt Pakete mit weniger als 64 Bytes (Kollisionsfragmente). Ja Nicht möglich Nicht möglich 18

18 Switched Ethernet Ein Switch trennt Netzsegmente voneinander. Daten werden nur dorthin geschickt, wo sich der Empfänger befindet. Der Datendurchsatz wird theoretisch vervielfacht. + Kollisionsfreier Punkt-zu-Punkt Verkehr + Vollduplex Kommunikation möglich + Parallelkommunikation in verschiedenen Segmenten Bei hierarchischen Master- Slave Systeme: Melden sich Slave-Knoten nur nach Anfrage -> Verzicht auf Vollduplex Kommunikation Meldungen kommen vom bzw. gehen zur SPS -> Verzicht auf Parallelkommunikation Sender 1 MAC No Collisions SWITCH Empfänger 2 MAC MAC Empfänger 1 Sender 2 MAC Preamble Dst MAC Src MAC 802.1Q Header Type Size Nutzdaten CRS/FCS Inter Frame Gap IP Header TCP Header Nutzdaten 19

19 Queuing beim Switched Ethernet Quelle: Prof. Scheitlin "Echtzeit Ethernet", Züricher Hochschule Winterthur Jeder Teilnehmer kann problemlos und kollisionsfrei zum Switch übertragen Bei Gleichzeitigkeit muss aber eine (oder mehrere) Meldung zwischengespeichert werden -> zufällige Verzögerung, Latenzzeit hängt von der Telegrammlänge und Netzlast ab. 20

20 Echtzeitfähigkeit von Switched Ethernet Das Echtzeitverhalten eines Switched-Ethernet-Systems wird von folgenden Parametern beeinflusst: Systemparameter Anzahl der Automatisierungsstationen Netzwerktopologie (Stern, Baum, Linie) Übertragungskapazität (10 Mbit/s, 1GBit/s) und Betriebsart (Halb- oder Vollduplex) des Kanals Bedienstrategie in den Switches und in den Endgeräten (Queuing) Lastparameter Leistungsfähigkeit der Endgeräte (Telegrammverarbeitung, Telegrammlaufzeit) Kommunikationsverhalten (Anzahl paralleler Dienste, bestätigte und unbestätigte Dienste, Telegrammlängen) Informationsflussverteilung des Systems (zentral, gleich verteilt) Für die zeitkritischen Vorgänge müssen verlässliche obere Schranken für die Durchlaufzeit und den Zeitjitter ermittelt werden können (Simulationstechnik, analytischer Methoden). Viele technische Prozesse in der Fertigungstechnik weisen zeitliche Anforderungen im unteren zweistelligen Millisekundenbereich auf Switched Ethernet kann für eine Vielzahl von Anwendungen als echtzeitfähig bezeichnet werden. Was ist die Lösung für den Rest? 21

22 Systemzeit implizit: System besitzt keine eigentliche Uhr, aber ein durch HW/SW-Abläufe gegebenes Zeitverhalten. Typisch in kleinen geschlossenen Systemen explizit: Zeit ist repräsentiert durch eine Uhr. In komplexeren Systemen meistens eine Notwendigkeit Koordination von Messungen (Sampling, Triggering) Messung von Zeiten (und der Berechnung daraus abgeleiteter Größen) Zur Feststellung der Reihenfolge (Zeitstempel zur Korrelation von Ereignissen und Daten) Zur Ausführung koordinierter Aktionen (time based behaviour) Message-based: Aktionen werden ausgelöst durch den Empfang einer Meldung. Cyclic: Das periodische Timing wird ermöglicht durch ein zyklisches Kommunikationsprotokoll. Time-based: Es existiert ein systemweiter Zeitbegriff, der durch synchronisierte Uhren in jedem Knoten implementiert ist. -> IEEE

23 Precision Time Protocol - PTP IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol for networked Measurement and control system Ziel: Verwendung von Zeitstempeln zur hochpräzisen zeitlichen Synchronisation der versendeten Datenframes Anwendbar in jedem multicast-fähigen Netzwerk Nicht beschränkt auf Ethernet 1588 spezifiziert aber eine Implementierung auf Ethernet Einfache Installation ohne Administrationsaufwand Unterstützt Heterogene Systeme mit Uhren unterschiedlichster Präzision Geringer Ressourcenbedarf bezüglich Netzwerk und Host Mit entsprechender Hardware Synchronität <1µs Sync. Protokolle SNTP GPS IEEE 1588 Abdeckung Wide Area Wide Area einige Subnetze Kommunikation Internet Satelliten LAN Genauigkeit <=ms < µs <µs 24

24 Problematik von Delay und Jitter Quelle: ZHW 25

25 Ermittlung von Delay und Offset Quelle: ZHW 26

26 IEEE Uhrentypen OC (Ordinary Clock) ist mit der Rolle Master entweder die Quelle oder mit der Rolle Slave der Empfänger der Zeit, nicht aber beides. Einfache Uhren synchronisieren sich direkt. BC (Boundary Clock) ist eine Uhr, die die Zeitinformation über eine Netzwerk-Grenze hinweg transportiert. So z.b. in einem Router, der verschiedene 'geswitchte' Netze verbindet: Als Slave empfängt die Uhr des Routers die Zeitinformation und gibt diese als Master weiter. TC (Transparent Clock) wurde 2008 nachträglich in die Spezifikation aufgenommen und verbessert innerhalb eines Netzwerks bei der Weiterleitung von Zeitinformationen, indem sie die PTP-Nachrichten empfängt und modifiziert (korrigiert) weiterleitet. 27

27 IEEE 1588 Konzept des Boundary Clocks Quelle: ZHW 28

28 IEEE 1588 Topologie und "Best Master Clock" 29

29 IEEE Zusammenfassung Vorteile: Determinismus auf hohem Niveau Ethernet-TCP/IP Protokoll unverändert Nachteile: Jeder TN benötigt eine System-Uhr Aufwändige Programmierung : Alle Prozesse auf zeitliche Triggerung programmiert Asynchrone Ereignisse so nicht in Echtzeit beherrschbar 30

31 Realtime Kommunikationsarchitektur mit Switch-ASIC IT-Anwendungen z.b. HTTP SNMP TCP 1 Ethernet PROFINET Anwendungen DHCP... Standard-Daten Realtime-Daten IP UDP 2 Realtime Switch ASIC 3Realtime 2 SRT RT IRT Realtime bypass Offener TCP/IP Kanal Geräteparametrierung Lesen von Diagnosedaten Laden von Verschaltungen Aushandeln des Kommunikationskanals für Nutzdaten Echtzeit Kanal RT Performante Übertragung Zyklische Daten Ereignisgesteuerte Meldungen Echtzeit Kanal IRT Hoch-Performante Übertragung Taktsynchrone Daten Jitter <1µs ASIC: application-specific integrated circuit / anwendungsspezifische integrierte Schaltung Quelle: Wenk, atp

32 PROFIBUS vs. PROFINET (1) Funktionalität PROFINET IO PROFIBUS Adressierungsmöglichkeit Slot, Subslot, Index Slot, Index Datenaustausch IO-Device wird einmal parametriert und arbeitet dann autark (Provider/Consumer- Nur nach Aufforderung Modell) Datenkanäle Es können mehrere Datenkanäle zwischen Controller/Supervisor und Device aufgebaut werden. Nur ein genau definierter Datenkanal zwischen Master und Slave Daten-Priorisierung Möglich, durch flexible Einstellung der Gleich prioritärer Aktualisierungsrate. Datenverkehr Anzahl der Teilnehmer Nur durch die Netzwerk-ID bestimmt Maximal 126 Teilnehmer IT-Services Können uneingeschränkt integriert werden Nicht möglich Gerätebeschreibung XML-basiert mit Schema-Definition Schlüsselwort-basiert Zugriff auf Daten eines Feldgerätes Von mehreren Teilnehmern lesend und schreibend möglich Von mehreren Teilnehmern nur lesend möglich Alarme und Diagnosen Können unterschiedlich priorisiert werden Nur eine Priorität möglich Gerätemodellierung Mehrere Feldgeräte einer Gerätefamilie können in einer GSD-Datei mehrsprachig beschrieben werden Ein Feldgerät einer Gerätefamilie kann in einer GSD-Datei beschrieben werden Automatische Adressvergabe im Über DIP-Switch oder per Adresseinstellung Konzept enthalten Telegramm Übertragungsrate 100 Mb/s vollduplex Max. 12 Mb/s 33

33 PROFIBUS vs. PROFINET (2) PROFINET PROFIBUS Verkabelung Über Switches verbundene Geräte Geräte an einem Bus zusammengeklemmt Buszugriff CSMA/CD, Verbindungsaufbau durch Controller, dann senden Kommunikationspartner eigenständig Master-Slave, Token Projektierung GSDML, MAC, IP, Name, Netz GSD, Busadresse, Netz zusammenklicken zusammenklicken Telegrammgröße ~1000 Byte ~20 Byte IO-Controller IO-Device IO-Supervisor Entspricht Klasse 1 Master bei PROFIBUS Zyklischer Datenaustausch mit Devices Enthält Steuerungsprogramm Entspricht Slave bei PROFIBUS Feldgerät Entspricht Klasse 2 Master bei PROFIBUS HMI und Diagnose Station ABER: PROFINET IO folgt beim Datenaustausch dem Provider-Consumer-Modell. Der Provider stellt die Daten zur Verfügung und der Consumer verarbeitet sie. 34

34 Geräterollen bei PROFINET IO-Supervisor Ein Programmiergerät oder Industrie-PC, welches parallel zum IO-Controller Zugriff auf alle Prozess- und Parameterdaten hat. IO-Controller Gerät, über das die jeweils angeschlossenen IO-Devices angesprochen werden. Ein Gerät kann auch mehrere Geräte-Rollen beinhalten. IO-Device Dezentral angeordnetes Feldgerät, das einem oder mehreren IO-Controllern zugeordnet ist und neben den Prozess- und Konfigurationsdaten auch Alarme übermittelt. Engineering System Zur Bereitstellung von Parameterdaten für PROFINET-Geräte. Zwischen IO-Controller, IO- Supervisor, Engineering System und den IO-Devices bestehen Applikationsbeziehungen, die mehrere Kommunikationsbeziehungen für die Übertragung von Konfigurationsdaten (Standard- Kanal), Prozessdaten (Echtzeit-Kanal) sowie Alarmen (Echtzeit-Kanal) enthalten. 35

35 Sendetakt in PROFINET (1) Grundtakt: Auflösung 31,25 µs Mandatory SendClockFactor- Wert: 32 (Zyklus=1ms) ReductionRatio (RR): Untersetzungsrate Sendetakt Aktualisierungstakt FrameSendOffset: relativer Send Offset zum Beginn des Buszyklus Send Cycle Controller =SendClockFactor*31,25µs Send Cycle Device =ReductionRatio*Send Cycle Controller Send Cycle Device2 =2*Send Cycle Controller Phase <x>: in welchem Zyklus der Frame gesendet wird, typische Werte 1..4 Send Cycle Device1 =1*Send Cycle Controller 36

36 Sendetakt in PROFINET (2) unsyncronisiert syncronisiert 37

37 Echtzeit Grundlagen der Kommunikationsaufbau bei PROFINET PROFINET Anwendungen IP IT-Anwendungen Standard- Daten Echtzeit- Daten TCP Ethernet UDP RT IRT Echtzeit Standard-Daten = Record data CR: azyklischer Datenverkehr Echtzeit-Daten = IO data CR, MCR: zyklischer Datenverkehr Alarm CR: azyklischer Datenverkehr *) Multicast CR: 1 Provider -> n Consumer 38

38 Discovery and Configuration Protocol (DCP) DCP: Dienste zur Adresszuweisung Z.B. Namenszuweisung (anlagenspezifischer, symbolischer Name) vor dem Systemstart Warum reichen MAC- und IP-Adresse nicht? Identify-Dienste: Wer hat noch keinen Namen? Wer hat einen bestimmten Namen? Hello (IO-Device signalisiert, dass es wieder präsent ist) Set-Dienste: Name zuweisen IP-Adresse zuweisen Reset to factory settings IO-Controller Get-Dienste: Auslesen der Device Properties Auslesen des Name of Station Alles auslesen 39

39 System-Hochlauf Was läuft beim Power-On ab? 1. Aushandeln der Übertragungsparameter (Auto negotiation, Auto crossover) 2. Warten auf Identify vom Controller zur Aufnahme 3. Hochlaufsequenz Connect Write Application Ready DHT=DataHoldTimeFactor * Send Cycle Device 40

40 Echtzeit NRT Frame PROFINET Anwendungen IP IT-Anwendungen Standard- Daten Echtzeit- Daten NRT Frame: non-real-time Frame TCP Ethernet UDP RT IRT Echtzeit VLAN: Logische Gruppierung von Netzwerkgeräten Ethertype: 0x0800 IPv4 Frame IP oder UDP Header RPC: Remote Procedure Call, Aufbau, Verwaltung von Verbindung NDR: Network Data Representation, Datenlänge, Fehlerkodes,.. 41

41 RT Frame Frame ID Nachrichtentyp, z.b. RT oder IRT für Interoperabilität VLAN-ID=0 VLAN-Priorität=6 Ethertyp=0x8892 PROFINET RT Frame 42

42 PROFINET IO IRT PROFINET PC HTTP SNMP Socket TCP / UDP IP Real-Time RT IRT PROFINET Field devices Ethernet PC Sensor system PROFINET SPS 43

43 PROFINET IRT - Scheduling des Kommunikationssystems Hochgenaue Zyklussynchronisation (Deterministisch, minimaler Jitter): IEEE 1588 Kanalreservierung für IRT, getrennte Zeitbereiche für Echtzeit und UDP/IP (Parallel zu PROFINET RT und Office Ethernet verwendbar) Die Hardwareunterstützung umfasst die gesamte Layer-2 Funktionalität und integriert zusätzlich die komplette Funktion eines Ethernet-Switches (Keine Verwendung von Standard- Komponenten möglich) 44

44 Kanalreservierung für IRT IRT IRT Reservierte Bandbreite RT RT TCP/IP RT TCP/IP RT RT TCP/IP RT RT TCP/IP RT TCP/IP Entkopplung von RT- und Standard (TCP/IP) Kommunikation 45

45 Kommunikationszyklus Aufteilung des Kommunikationszyklus in deterministischen und offenen Teil. Im deterministischen Kanal werden nur die zyklischen Realtime-Telegramme befördert; die TCP/IP-Telegramme werden im offenen Kanal transportiert. IRT interval TCP/IP IRT interval TCP/IP IRT interval TCP/IP Cycle 1 Cycle 2 Cycle n IRT IRT data RT RT data Standard TCP/IP data 46

47 Ethernet Powerlink Determinismus und Echtzeitfähigkeit durch aktive Kollisionsvermeidung Durch explizite Vergabe von Sendeberechtigungen lassen sich Kollisionen und Jitter vollständig vermeiden. Dem CSMA/CD Verfahren wird ein Zeitschlitzverfahren übergeordnet: Quelle: Hirschmann "Echtzeitanwendungen mit Ethernet" 48

48 Ethernet Powerlink Powerlink garantiert die Einhaltung der Gesamtzykluszeit. Im asynchronen Zeitschlitz lassen sich azyklische Telegramme unterbringen. (Programm Up- /Download, Untertunneln von Standard TCP/IP-Telegrammen, Parametrierungen, ) Vorteile von Ethernet Powerlink: Echter Determinismus (Jitter um 1µs) Enormer Datendurchsatz realisierbar Keinerlei Kollisionen / Queuing Busauslastung gegen 100% möglich Konventionelle Programmierung der Steuerung. Volle Kompatibilität im Open Mode Keine spezielle Verdrahtung, keine Switches, (Linienbus möglich) Bild aus: Prof. Scheitlin "Echtzeit Ethernet", Zürcher Hochschule Winterthur 49

49 Anwendungsbeispiel: Echtzeit Ethernet mit Powerlink Quelle: Hirschmann "Echtzeitanwendungen mit Ethernet" 50

51 EtherCAT Funktionsprinzip 52

52 Nutzdatenübertragungsprinzip in EtherCAT 53

53 EtherCAT 54

54 EtherCAT 55

55 Switchport: Beliebiges Ethernet Protocol Interface zu beliebigen Ethernet Geräten oder Netzen Ethernet Frames werden ins EtherCAT Protocol eingefügt Ethernet over EtherCAT 56

56 EtherCAT ist einfacher zu implementieren Beispiel: Master mit nur einem Prozessabbild: Typisch z.b. für Kleinsteuerungen mit einer Steuerungstask Bis 1488 Byte Prozessdatengröße Header für Prozesskommunikation bleibt konstant Master mit minimalem Aufwand realisierbar Kein separater Kommunikationsprozessor (z.b. auf Einsteckkarte) erforderlich Viel einfacher als herkömmliche Feldbussysteme Sehr viel einfacher als andere Industrial Ethernet Lösungen 57

57 Ohne Redundanz: Normalbetrieb 58

58 Ohne Redundanz: Leitungsbruch 59

59 Mit Redundanz: Leitungsbruch 60