Ethernet in industriellen Anwendungen

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1 Industrial Ethernet Ethernet in industriellen Anwendungen SS 06 1

2 Industrial Ethernet Was macht Ethernet zum Industrial Ethernet? Industrial Ethernet ist Oberbegriff für alle Bestrebungen, Ethernet in der Industrie einsetzen zu können (nach Wikipedia..) Anforderungen der Automatisierung erhöhte Schutzart, Rüttelfestigkeit konfektionierbare Auslegung (Verkabelung) Befestigung auf Tragschienen Gleichstrom Spannungsversorgung Topologie Einhaltung von Echtzeitanforderungen (möglichst mit Standard-Komponenten, Durchgängigkeit zu existierenden Lösungen ) SS 06 2

3 Industrial Ethernet Anforderungen der Automatisierung an die Topologie Typische Baumstruktur in der Bürokommunikation Typische Linienstruktur in der Automatisierung 5,12 µs 5,12 µs 5,12 µs z.t. schon integrierte Switches in den AT-Geräten Laufzeiten beachten n* (5,12 µs 122 µs Laufzeiten/Tel. + Verweilzeit im Switch) SS 06 3

4 Anforderungen der Automatisierung an Echtzeit QoS- Klasse Anwendung Latenzzeit Jitter 1 Engineering Wenige s keine 2 Visualisierung ms keine Steuerung zu Steuerung 3 Steuerung zu dezentraler Peripherie 1 10 ms <1 ms 4 Synchrone Bewegungsabläufe < 1ms <1µs QoS Quality of Service SS 06 4

5 Anwendbarkeit von Ethernet bei Echtzeitanforderungen Ethernet ist nicht deterministisch Echtzeit = Rechtzeitigkeit gegenüber dem Prozess Prozess bestimmt Anforderungen 3 Bereiche Ethernet realisiert die geforderten Reaktionszeiten (QoS Klassen 1,2) Aufbau von Kollisionsdomänen so, dass Kollisionswahrscheinlichkeit klein genug ist (weiche Echtzeit) (QoS Klassen 1,2,3 ) vollständige Vermeidung von Kollisionen durch Eingriffe in die Bussteuerung, Festlegung von Bearbeitungsreihenfolgen (QoS Klassen 3, 4) SS 06 5

6 Einflussfaktoren auf das Echtzeitverhalten Industrial Ethernet - Echtzeit Gefordert ist rechtzeitige Reaktion eines Ausgangssignals/Aktor auf ein Eingangssignal/Sensor Quelldatenverkehr (zyklisch, spontan, büschelartig,..) Verweilzeiten in den End- und Koppelgeräten Bedienstrategie (FIFO, ) Topologie des Netzwerkes Sensor Regler Aktor Quelle:Jasperneite, Echtzeit-Ethernet im Überblick, atp, 3 (2005) SS 06 6

7 Quelldatenverkehr gleichmäßige Belastung des Netzwerkes durch Puffern des Datenflusses beim Sender vor dem Einspeisen in das Netz glättet Jitter erhöht aber u.u. die Übertragungsverzögerung, Host Paket Undichter Eimer nicht regulierter Datenfluss Puffer Gleiche Menge Wasser fließt aus dem Loch regulierter Datenfluss Nach: Tanenbaum: Industrieautomation mit Ethernet-TCP/IP und Web-Technologien Hüthig, 2002, S. 135 SS 06 7

8 Verweilzeit in den Endgeräten Verwendung leistungsfähiger Prozessoren und Betriebssysteme Auslassen aufwändiger Protokollschichten normale Applikation Zeitkritische Applikation TCP/UDP IP Netzwerk Beispiel: Ethernet-Telegramm mit 46 Byte Nutzdaten 100Mbps: 6,7 µs (Übertragung) µs für UDP/IP (Pentium 166 ) SS 06 8

9 Verweilzeit in den Koppelgeräten Bedienstrategie (FIFO, ) Ein wichtiges Telegramm (Alarm) kann durch unwichtige verzögert werden Einführung von Prioritäten für Telegramme Telegramme mit höherer Priorität werden bevorzugt weiter geleitet Input Puffer Output Puffer Switch Matrix SS 06 10

10 Vergabe von Prioritäten Standard Ethernet Frame nach Präambel Empfangsadr. Sendeadr. Länge/Type Datenfeld Prüfsumme Ethernet Frame nach 802.1q Präambel Empfangsadr. Sendeadr. TPID TCID L/T Datenfeld Prüfsumme Priorität (3) TR (1) VLAN ID (12) SS 06 11

11 Vergabe von Prioritäten TPID - Tag Protocol Identifier (2 Byte ) Fester Wert 0x8100 = Frame trägt die 802.1Q/802.1p-Tag-Information Priorität - user_priority) (3 Bit) CFI - Canonical Format Indicator (1 Bit) Gilt für alle vorhandenen MAC-Adressinformationen im MAC-Datenpaket des Frames Wert 0 das Format ist kanonisch (am wenigsten signifikante Bit zuerst); Wert 1 Format nicht-kanonisch. VID - VLAN Identifier (12 Bit) Identifizierung des VLANs zu dem der Frame gehört. SS 06 12

12 Änderung des Buszugriffsverfahrens Ersatz von CSMA/CD durch TDMA (Time Division Multiple Access) Ziel: Unterbinden von Kollisionen Zuweisen eines Zeitschlitzes (Slot) an jeden Kommunikationspartner Slot1 Slot2 Slot3 Slot4 TS1 Slot1 Slot2 Slot3 Slot4 TS1 Echtzeitdaten zeitunkrit. Daten Zykluszeit (Zyklus n ) Zyklus n +1 Realisierungen: Master initiiert durch Start of Frame einen Slot Teilnehmer erkennt selbst seinen Frame SS 06 13

13 Realisierung des Echtzeit-Ethernet Standard RealTime Standard RealTime Standard RealTime TCP/UDP IP Ethernet TCP/UDP IP Priorisierung Ethernet TCP/UDP IP Scheduling Ethernet Modbus/IDA, Ethernet/IP, FF HSE Profinet RT Profinet IRT, Powerlink, EtherCAT, Sercos, Jetsync Jasperneite: Echtzeit-Ethernet im Überblick. atp H.3, 2005 SS 06 14

14 Realisierung des Echtzeit-Ethernet Name Ethercat Powerlink Ethernet/IP Jetsync Profinet RTnet Sercos III Hersteller EtherCAT Technology Group (Beckhoff) ETHERNET Powerlink Standardization Group Fa. Rockwell Fa. Jetter Profibus Nutzerorgan. (Fa. Siemens) Uni Hannover Interessengemeinschaft SERCOS interface e. V. Verfahren Zugriffsteuerung durch Master Zeitschlitzverfahren, Zugriffssteuerung durch Manager Uhrzeitsynchronisation und Priorisierung Spezifische Uhrzeitsynchronisierung und Priorisierung RT Priorisierung IRT Zeitschlitzverfahren Zeitschlitzverfahren Zeitschlitzverfahren Nach C&A 11/04: Walter: Das isolierte Ethernet und Schnell: Bussysteme in der AT) SS 06 15

15 EtherCat Ethertype (88A4h), seit 2005 IEC Norm: IEC/PAS Prozessdaten werden in Datenbereich des Ethernet eingebettet Industrial Ethernet Realisierungen ein Rahmen geht von einem Master aus und durchläuft dann jeden Teilnehmer, Verarbeitung erfolgt im Durchlauf, Master lassen sich als Software-Lösung auf beliebigen Ethernet MACs implementieren, für Slave Geräte existieren werden spezielle EtherCAT Slave Controller Chips gilt als die schnellste (Industral-) Ethernet Lösung EtherCat Master EtherCat Telegramm EtherCat Slave EtherCat Slave EtherCat Slave EtherCat Slave Quelle: SS 06 16

16 ProfiNet Industrial Ethernet Realisierungen Integration bestehender Profibusnetze ohne Modifikation durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis zur Unternehmensleitebene herstellerunabhängiges, anlagenweites Engineeringmodell Anwendungen Netzwerk Management + Konfiguration ProfiNet - Objects DCOM/RPC TCP/UDP IP Ethernet Echtzeit- Protokolle Proxy Profibus Quelle: Schnell: Bussysteme in der AT- und Prozesstechnik, S. 323) SS 06 18

17 Industrial Ethernet Realisierungen RTnet firmenunabhängige Entwicklung der Uni Hannover Ziel: weitere Nutzung von Standard-Hardware Sortieren der Pakete nach Prioritäten modulare Einbindung anderer Medienzugangsverfahren (TDMA) Beginn eiens neuen Zyklusses durch Start of Frame des Masters, der gleichzeitig Teilnehmer synchronisiert RTnet Gateway zu Standardprotokollen System RTnet RTnet System HUB System RTnetSystem Gateway Quelle: SS 06 21