Industrie 4.0 Überblick zu Echtzeit-Ethernet

Auch wenn die Feldbusse noch immer in großen Stückzahlen laufen, werden Echtzeit-Ethernet-Protokolle immer beliebter. Denn sie erweiterten diesen Standard, um die notwendigen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeiten zu erfüllen. Und mit TSN gibt es nun einen neuen Weg.

Echtzeit bedeutet in der Fabrikautomatisierung und Antriebstechnik, dass Zykluszeiten im Bereich einstelliger Millisekunden bis hinunter in den Bereich von Mikrosekunden sicher und zuverlässig einzuhalten sind (Bild 1). Und um das Ethernet in dieser Umgebung nutzen zu können, musste es eben echtzeitfähig werden. Viele sagen jedoch: »Ethernet ist doch viel schneller als ein Feldbus – so what?«

Um die Echtzeitanforderungen der Automatisierer zu erfüllen, müssen sowohl Bandbreite und als auch Latenz der Übertragung garantiert sein. Auch wenn die Bandbreiten üblicherweise recht klein sind (ein paar Dutzend Bytes pro Gerät), so muss dieser Übertragungskanal in jedem EA-Zyklus zur Verfügung stehen, und das mit der geforderten Latenz. Nun sind aber gerade die Garantie von Latenz und Bandbreite bei klassischem Ethernet nicht vorgesehen. Ganz im Gegenteil; Ethernet darf jederzeit Frames verwerfen, wenn das für den Betrieb notwendig ist. Was bedeutet das?

Vom einen Endpunkt an den Switch (Bridge), von dort gegebenenfalls an weitere Bridges, und letztlich dann zum anderen Endpunkt. Diese Architektur ist weitgehend selbst konfigurierend. Die Bridges empfangen Frames erst vollständig, bevor sie diese weitersenden. Und hier liegen gleich mehrere Probleme versteckt:

  • Wenn es zu Spitzenzeiten mehr Frames zu speichern gibt als Speicher in der Bridge vorhanden ist, so werden die neu ankommenden Frames verworfen.
  • Da die Frames verschiedene Längen haben, werden diese abhängig von ihrer Länge verzögert, was zu schwankenden Latenzen (Jitter) führt.
  • Da der Port, durch den der Switch ein Frame versenden soll, durch andere Frames mit bis zu voller Framegröße bereits belegt sein kann, kommen weitere Verzögerungen ins Spiel. Das Versenden eines großen Ethernet-Frames (1522 Byte) dauert bei 100 Mb/s immerhin etwa 124 µs.

Es lässt sich einwenden, dass es normalerweise bei Ethernet ja klappt und dass es dabei ja auch irgendwie fair zugeht. Damit haben wir allerdings zwei Worte in einem Satz benutzt, die im Zusammenhang mit harter Echtzeit keinen Sinn ergeben. Es reicht nicht, wenn eine Echtzeitbedingung nur normalerweise eingehalten wird. Sie muss immer eingehalten sein. Wer neben einem Chemiewerk oder einer Raffinerie lebt, weiß das zu schätzen. Und fair ist industrielle Kommunikation auch nicht: Das Wichtigste – die Steuerungs-/Regelanwendung – hat immer Vorrang (Bild 2).

Da in der IEEE, die für die Ethernet-Normung zuständig ist, keine Lösung für das Problem verfügbar war, hat die Industrie eigene Lösungen entwickelt und sich dabei einmal mehr als sehr innovativ gezeigt. Alle Lösungen haben ihre Stärken und Schwächen, denn sie adressieren letztlich unterschiedliche Märkte (Bild 3).

Schritt 1: Echtzeit-Erweiterungen

Ein Bespiel ist Profinet, das zwei aufeinander aufbauende Lösungen bietet. Profinet RT ist eine Lösung für die Fabrikautomatisierung mit bis zu 1 ms Zykluszeit und basiert direkt auf Standard-Ethernet. Dabei werden die Möglichkeiten von Ethernet wie Quality-of-Service (QoS, Priorisierung) genutzt, um dem Echtzeitverkehr Vorrang zu geben. Das hilft, allerdings löst QoS die Ressourcen- und Latenzprobleme nicht völlig. Daher die Beschränkung auf softe Echtzeit. Die gute Kompatibilität mit anderen im Netz genutzten Protokollen (wie HTTP, SNMP, TCP/IP) ist eine klare Stärke dieser Technologie.

Für harte Echtzeit bietet sich die Erweiterung Profinet IRT (Isochrone Realtime). Dabei wird ein Teil der Ethernet-Bandbreite durch eine Hardware-Erweiterung von Standard-Ethernet ausschließlich für den IRT-Verkehr reserviert. Möglich macht dies eine genaue Synchronisation der Uhren in den IRT-Knoten. Dadurch kann ein Kanal, genannt Red Phase, in jedem Zyklus für normalen Verkehr blockiert werden. Nur IRT-Frames gelangen in der Red Phase in das Netz. Des Weiteren werden die IRT-Frames von den Netzteilnehmern zeitlich exakt zu einer vorberechneten Zeit gesendet, sodass die Effizienz während dieser Zeit maximal ist. Die IRT-Frames bewegen sich annähernd ohne Schlupf durch das Netz. Das hat unter anderem den Vorteil, dass dadurch die Länge der Red Phase, in der aller anderer Verkehr warten muss, auf das Notwendigste begrenzt wird. Diese Red Phase kann maximal 50 % der Bandbreite des Ethernet-Kanals belegen.

Wie bereits erwähnt benötigt ein Ethernet-Frame voller Länge (1522 Byte) etwa 124 µs auf dem Kabel. Wenn Profinet IRT maximal 50 % Bandbreite beansprucht, ergibt sich als schnellste Zykluszeit das Doppelte, also 248 µs (meist aufgerundet auf 250 µs). Nur so können andere Protokolle unverändert koexistieren.

Noch schnellere Zykluszeiten, bis hinunter zu 31,25 µs, sind mit den bei Profinet 2.3 eingeführten Optimierungen für IRT wie Fast Forwarding, Dynamic-Frame-Packaging und Fragmentation möglich. Diese werden aber noch selten angewendet.

Schritt 2: Ethernet-Feldbusse

Bei der Entwicklung von EtherCAT standen andere Anforderungen am Anfang. EtherCAT ist ein Feldbus auf Basis der Ethernet-Physik, also der Schicht 1 des OSI-Schichtenmodells. Schon die Schicht 2 ist auf Feldbusanwendungen und hohen Durchsatz optimiert. Die klassische Ethernet-Bridge gibt es bei EtherCAT nicht. Dafür nutzt man ein Summenrahmen-Telegramm, um die Daten besonders effizient zu übertragen. Statt für die Kommunikation zwischen Geräten jeweils einen eigenen Frame zu versenden, wie bei normalem Ethernet, wird bei EtherCAT ein Frame pro Zyklus versendet. Dieser Frame enthält aber alle Daten für die angesprochenen Geräte. Während der EtherCAT-Frame vom Gerät weitergeleitet wird, werden die Daten live in den Frame eingefügt und herausgenommen. Dadurch lassen sich sehr schnelle Zykluszeiten erreichen, im Extremfall bis deutlich unter 31,25 µs.

Auch bei EtherCAT gibt es eine Zeitsynchronisation. Dabei verwendeten die Entwickler viel Mühe darauf, dass auch die nicht immer idealen Ethernet-Schnittstellen eines PC als Master für EtherCAT verwendet werden können. Ethernet-Verkehre wie HTTP bzw. TCP/IP lassen sich nur in kleinen Häppchen huckepack auf EtherCAT transportieren, eine direkte Koexistenz auf dem Kabel ist ausgeschlossen.

Powerlink nutzt den gleichen Grundansatz wie EtherCAT, es übernimmt vollständig die Kontrolle über das Ethernet und transportiert IP-Anwendungen huckepack zu den Knoten. Das sind aber auch schon die Gemeinsamkeiten. Powerlink setzt nicht auf ein Summenrahmen-Protokoll. Gleichwohl erzielt es in praktischen Anwendungen etwa vergleichbare Leistungen.

Sercos hat, ähnlich wie Profinet IRT, eine reservierte Bandbreite, macht innerhalb dieser aber ein Summenrahmen-Protokoll. Sercos ermöglicht es anderen Protokollen zu koexistieren.