Mitsubishi-Electric unterstützt CC-Link-IE

Mitsubishi-Electric unterstützt ab sofort das Hochgeschwindigkeits-Netzwerk CC-Link-IE (Control and Communikation Link Indutstrial Ethernet) für die industrielle Kommunikation über Industrial-Ethernet.

Wenn Hersteller ihre Produkte von drahtgebundenem auf drahtlosen USB umstellen wollen, treffen sie auf neue Herausforderungen, verursacht durch ein radikal geändertes Kommunikationsprotokoll und unterschiedliches Strom-Management. Mit geeigneten Protokollanalysatoren kann man eventuelle Probleme aber in den Griff bekommen.

Das auf dem Standard-Ethernet aufgebaute Kommunikations-Protokoll gewährleistet neben einer deterministischen und redundanten Datenübertragung weitere Vorteile für die Industrie. CC-Link-IE ist ein durchgängig integriertes Gigabit-Ethernet-Netzwerk für die Industrie-Automation, das als offener Standard angeboten wird. Das optische Industrienetzwerk ermöglicht einen sicheren Datenaustausch zwischen Steuerungen über Ethernet. Die Datenübertragungs-Geschwindigkeit von 1 GBit/s gewährleistet Echtzeit-Kommunikation und eine Bandbreiten-Reserve für zukünftige Anforderungen.

Die Gigabit-Ethernet-Technologie ist redundant aufgebaut und verbindet alle Teilnehmer über robuste Lichtwellenleitertechnik. Durch die Doppelring-Topologie bleiben lokale Netzstörungen, wie ein Kabelbruch, ohne Folgen. Zusätzlich überwacht eine integrierte Diagnose sämtliche Netz-Funktionen und unterstützt Fehler-Lokalisierung und –Behebung. Bis zu 120 Stationen lassen sich in ein Netzwerk einbinden und bis zu 239 Netzwerk-Segmente miteinander verknüpfen. Die maximale Kabellänge zwischen den Stationen beträgt 550 m.

Zur Einführung von CC-Link-IE bietet Mitsubishi-Electric zunächst die Basis-Komponenten für die Gigabit-Technologie an, ein Netzwerkmodul für die Automatisierungs-Plattform MELSEC-System-Q und eine Schnittstellen-Karte für PCs.

Die CC-Link-Partner-Association (CLPA) ist eine internationale Organisation mit mehr als 900 Mitgliedsunternehmen. CC-Link ist das in Asien führende industrielle Feldbus-Protokoll und findet auch in Europa und Amerika immer größere Verbreitung.

Es ist klar, dass das zertifizierte Wireless USB (WUSB) nach dem Standard USB-IF Version 1.0 dem späteren Nutzer Pluspunkte bringen muss, um eine akzeptierte Schnittstelle zu werden, insbesondere angesichts der Konkurrenz durch Bluetooth und WLAN. Auf der technischen Seite bietet drahtloses USB hohe Datenraten und eine überlegene Technik zur Senkung des Stromverbrauchs und ist damit gegenüber anderen "stromfressenderen" Schnittstellen-Technologien im Vorteil.

Nach Einschätzung der meisten Experten sind aber die zwei Kriterien, nach denen Endkunden die Schnittstelle beurteilen werden (bewusst oder unbewusst), ihre eigenen Erfahrungen mit ihr und das allgemeine Betriebsverhalten. Die ideale Erfahrung wäre, dass die Geräte sofort und fehlerfrei funktionieren -- ohne Konfiguration oder Ärger mit Kabeln. Eine positive Einschätzung des allgemeinen Betriebsverhaltens würde vor allem abhängen von einer hohen Transfergeschwindigkeit bei niedriger Fehlerrate, der Fähigkeit, das Gerät innerhalb einer vernünftigen Entfernung unabhängig von der Geräteposition oder Raumeinrichtung ansprechen zu können, und einer langen Lebensdauer der Batterie.

Und als wäre das alles noch nicht genug, müssen die Hersteller auch noch schnell handeln, um möglichst bald auf dem Markt zu sein. Obwohl zunächst Adapter von drahtgebundenem auf drahtloses USB erwartet werden, ist mit den ersten Geräten für Endkunden mit integriertem WUSB schon Ende 2006 zu rechnen.

Die erste Datenübertragung ist der "Enumeration" im klassischen USB ähnlich. Der Host fordert die Deskriptoren des Gerätes an, um dessen Fähigkeiten herauszufinden und lädt dann die passenden Treiber. WUSB wurde so entwickelt, dass es die gleichen Treiber wie USB 2.0 ohne Änderung verwenden kann.

Bild 5 zeigt die Übertragungen im Protokoll für die Stromverwaltung für zwei Geräte. Die horizontale Achse ist die Zeitlinie. MMC 1 enthält drei CTAs. Das erste CTA legt einen DR von Gerät 2 fest. Das zweite CTA beschreibt einen DNTS, der von keinem Gerät genutzt wird. Das letzte CTA legt ein DT von Gerät 1 fest.

Jedes Gerät verarbeitet seine CTA und schaltet seinen Funk so an, wie ihm mitgeteilt wurde. Die daraus entstehenden Änderungen des Zustands sind in den entsprechenden Zustandsbalken angegeben. Beide Geräte müssen ihren Funk anstellen, um das nächste MMC (2) zu empfangen.

Wenn man den ganzen Prozess betrachtet, kann man sehen, dass ein Gerät nur "aufwacht", wenn MMC-Pakete übertragen werden oder wenn einem Gerät ein DT oder DR zugeteilt wurde. Die restliche Zeit ist der Funk aus. Somit wird der durchschnittliche Stromverbrauch des Geräts gesenkt und Strom gespart.

Wie zu sehen ist, sind die Vorzüge von Wireless USB das Ergebnis einer deutlich höheren Komplexität als bei drahtgebundenem USB. Die Entwicklung von derartig ausgerüsteten Produkten fordert also ein robustes und fehlerfreies WUSB-Verhalten schon in den ersten Produkten. Protokollanalysatoren wie der hier beispielhaft herangezogene von Ellisys (Vertrieb: www.ahlersedv.de) können in diesem Zusammenhang den Umstieg auf WUSB erleichtern, indem sie automatisch Fehler schon in der ersten Prototyp-Phase erkennen und anzeigen und decodierende High-Level-Anzeigen zur Verfügung stellen.

Nach Unterlagen von Ahlers EDV/Wolfgang Hascher, Elektronik

Drahtgebundenes USB

Wireless USB

Start of Frame (SOF)Micro-scheduled Management Command (MMC)
IN TokenDevice Transmit (DT CTA)
OUT Token

Device Receive (DR CTA)

Datenflusssteuerung & Steuerung elektrischer ZuständeDevice Notification Time Slot (DNTS CTA)
Tabelle 1. USB-Transaktionen und ihre Entsprechungen in drahtlosem USB

Strom-Management

Neu an WUSB ist ein fortschrittliches Strom-Managementsystem, das entwickelt wurde, um die Lebensdauer der Batterie zu maximieren. Es ist natürlich für den Anwender des Gerätes völlig transparent. Hier ein Beispiel für einen diesbezüglichen Protokollverkehr (siehe auch Bild 5).

Sobald ein drahtloses USB-Gerät angeschaltet wird, beginnt es einen Host zu suchen. Das Device sucht auf jedem Funkkanal nach MMC-Paketen. Sobald ein gültiges MMC entdeckt wurde, bleibt es auf diesem Kanal und wartet auf ein Host-Information-Element. Wenn das Device dem Host vertraut, wartet es auf ein DNTS und sendet eine DN_Connect-Ankündigung. Wenn der Host diese empfängt, beginnt er mit dem Authentifizierungsprozess. Ist dieser erfolgreich abgelaufen, teilt der Host dem Device Zeitscheiben für die Datenübertragung mit Hilfe eines Channel Time Allocation-IE (CTA) zu.

Das Gerät untersucht weitere MMCs, um zu überprüfen, ob eine Datenübertragung zugeteilt wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, kann es bis zum nächsten MMC "schlafen" (seinen Stromverbrauch senken), indem es den Funk und alle nicht benötigten Elemente abschaltet. Wenn eine Datenübertragung angesetzt wurde, wird ein Timer programmiert, um den Funk einzuschalten und somit im richtigen Moment "aufzuwachen", um die angeforderte Datenübertragung durchzuführen.

Drahtloses USB basiert auf WiMedia Ultrawideband (UWB) und nutzt dessen Fähigkeiten. Das fundamentale Element des WUSB-Protokolls ist das "Micro-Scheduled Management Command" (MMC). MMCs werden von Geräten verwendet, um Informationen über einen WUSB-Verbund herauszufinden, ihre Absichten kundzutun, den Stromverbrauch zu verwalten und Datenübertragungen effektiv zeitlich festzulegen, um einen sehr hohen Durchsatz zu erreichen.

MMCs sind UWB-Controllframes, die aus Informationselementen (IE) bestehen. Natürlich gibt es verschiedene Arten von IEs für jeweils unterschiedliche Zwecke. Das Host-Information-Element hilft einem Gerät z.B. dabei, einem bestimmten Verbund beizutreten.

Bei USB werden regelmäßig "Start of Frame"-Pakete (SOF) versandt und zur Synchronisierung verwendet. Diese stellen auch sicher, dass sich die Geräte nicht in den Stromsparmodus schalten. Drahtloses USB verwendet keine SOF-Pakete, sondern überträgt von Zeit zu Zeit MMCs an alle Geräte Bild 1).

Ein wichtiges Informationselement ist das "Channel Time Allocation"-IE (CTA; Bild 2), das jedem Gerät mitteilt, wann es Daten senden oder empfangen kann. Es gibt davon drei Arten: Device Transmit (DT), Device Receive (DR) und Device Notification Time Slot (DNTS, Bild 3).

Im drahtgebundenen USB werden Datenübertragungen mithilfe der IN- und OUT-Pakete durchgeführt. IN wird vom Host verwendet, um Daten von einem Device zu lesen, OUT hingegen schreibt Daten vom Host an ein Device. Also entspricht ein WUSB DT CTA einem USB IN, und ein WUSB DR CTA einem USB OUT.

Das DNTS CTA ist eher den elektrischen Zuständen im drahtgebundenen USB ähnlich. Wenn ein drahtgebundenes USB-Gerät seine Präsenz dem Host mitteilen möchte, schaltet es einen Widerstand an eine der beiden Datenleitungen, um eine Zustandsänderung zu erzeugen. Da elektrische Zustände nicht auf ein drahtloses Medium übertragbar sind, benötigen die Geräte eine andere Methode, um eine Datenübertragung zu starten. Die Device Notification Time Slots erlauben es Geräten, bei Bedarf Ankündigungen zu versenden, zum Beispiel wenn sie eine Verbindungsabsicht ankündigen wollen.

Solche konzeptuellen Ähnlichkeiten erlauben es, nützliche Entsprechungen zwischen USB- und WUSB-Paketen darzustellen. Einige sind in der Tabelle aufgelistet (siehe Tabelle). Es ist wichtig zu verstehen, dass dies nicht genaue Entsprechungen sind, aber einen guten Anfang für jemand darstellen, der sich bereits mit dem USB-Protokoll auskennt. Ein Unterschied zwischen WUSB und USB ist außerdem, dass Richtungen in USB auf den Host bezogen waren (OUT bedeutet, dass der Host sendet), wohingegen sie in WUSB auf die Geräte bezogen werden: DR bedeutet, dass das Gerät empfängt.